地表水與地下水相互作用的溫度示蹤方法

在聯合環境管理局、國際水文科學與水資源管理協會、水保護和半干旱地區的水生生態系統保護中，水生生態系統和河流保護非常重要。受聯合環境管理局、國際水文科學與科學院（unip）、美國環境管理局（uspa）和美國地質秘書處（usgs）的影響，它已成為水保護、水文地球化學、生物地球化學和生態水文學領域的研究熱點。但由于地表水與地下水相互作用的復雜性,其觀測和量化仍十分困難。水文學方法是量化地表水與地下水相互作用的傳統方法,包括:(1)直接測量法,即應用滲流儀直接測量通過河(湖)床的滲漏量,但該方法僅能反映監測點附近及監測時段內的結果;(2)間接推算法,包括根據水力梯度與流量間的關系推算河流入滲量,通過切割基流估算地下水向地表水的排泄量,由河流流量變化及其他已知條件推算某一河段與地下水的交換量等,但該類方法具有較大的不確定性,且只能評估總的交換量,無法刻畫其內部過程。隨著地表水與地下水相互作用研究的精細化與定量化,示蹤法和數值模型法成為目前較為有效的手段。(1)示蹤法包括人工示蹤法和水化學及環境同位素示蹤法,可用來揭示地下水與地表水的水力聯系,估算兩者的交換量,分析其相互作用的動態變化。但水化學和同位素示蹤法只能得到半定量的結果;人工示蹤法還可能造成污染,其操作也受場地條件限制。而且兩者的成本都較昂貴,又難以實現連續動態監測。(2)數值模型法可定量計算地表水與地下水間的交換量,精細刻畫兩者的相互作用過程及動態變化,但目前的模型校正多基于水力學參數,受參數觀測密度限制和不同參數間的相關性影響,其結果往往具有較大的不確定性。因此,為更好地觀測及精細研究地表水與地下水的相互作用過程,迫切需要一種成本低、易于操作、能連續監測的天然示蹤方法;同時,為提高地表水與地下水相互作用模型的精度,也需要尋找一種便于密集與連續觀測的非水力學參數對其進行校正。地表水與地下水的相互作用伴隨著熱的運移,對天然的地熱梯度產生干擾。在地表水與地下水相互作用帶中,這種熱干擾通常強烈和迅速,并顯示為清晰的溫度變化信號,使溫度隨深度的變化曲線(以下稱為“溫度曲線”)發生異常。地表水與地下水的相互作用過程會對溫度隨時間及深度的變化產生顯著影響。此外,地表水與地下水相互作用的強度不同,所產生的熱干擾不同,也會在淺層沉積物的溫度曲線上得到清晰的顯示。基于上述原因,熱可成為指示地表水與地下水相互作用的很好示蹤劑。近十余年來,隨著相關技術的發展,溫度測量儀器不斷改進,其成本也逐步降低,并有多個熱運移模擬程序相繼開發與發布,從而大大促進了熱示蹤劑在水文學研究中的應用。1溫度定性指標表明，表面和地下水之間的相互作用的原理和方法1.1熱或水力反應地表水與地下水相互作用帶內的溫度變化為二者的相互作用提供了重要的信息。筆者主要介紹河水與地下水相互作用的溫度示蹤原理,其同樣也適用于溫度對其他地表水體與地下水相互作用過程的指示。Stonestrom等和Constantz將河流與地下水的相互作用過程概括為4種情況:(1)地下水補給永久性河流;(2)永久性河流補給地下水;(3)季節性河流干枯時與地下水的相互作用;(4)季節性河流有水流通過時與地下水的相互作用。圖1展示了以上4種可能的地下水與地表水相互作用過程中河流及河床附近沉積物水中的熱和水力反應。圖1-A,B指示了得水和失水的永久性河流與地下水系統的聯系。圖1-C,D指示了干枯和有水流的季節性河流通過非飽和帶與地下水流動系統的聯系。每組圖中右上角的圖給出了河流流動信息;左上角的溫度曲線圖指示了對應于水流情況下河床及其下沉積物中水溫度的日變化模式。當地下水補給永久性河流時(圖1-A),相對河流具有較大的日間溫度變化,河床下的沉積物中地下水僅有較小的溫度差異。這是因為從深部向上流動的溫度較恒定的地下水緩沖了由地表水引起的溫度波動。所以,在河床下特定深度,如果有較大流量的地下水補給河流,會導致河床沉積物中水溫度具有較小的變化,這是因為較大流量及溫度恒定的地下水的緩沖作用較大。反之,較小的地下水補給流量導致相對較大的溫度變化,這是因為該處水溫受到地表水的影響較大。當永久性河流補給地下水時(圖1-B),河水攜帶熱從河流運移至沉積物中,具有較大幅度溫度變化的河水在向下熱運移過程中導致河床沉積物中水溫度呈現較大的日變化。由于沒有區域地下水補給河流,在失水河流中溫度變化更明顯。如果河水滲透速率大,則引起較強的熱對流,影響河床下較大深度范圍的溫度,反之亦然。干枯河床的溫度通常具有較高的日變異(圖1-C)。干物質的導熱能力低于濕物質,所以干枯的河床抑制了在相對較淺處沉積物中水溫度的日變化。對于具有季節性流水的河流(圖1-D),非常明顯的溫度信號指示著水流的經過。在季節性流水開始時高速率的入滲導致河流迅速地熱反應,引起河床沉積物中水溫度曲線驟然的到達信號。通過分析河水與地下水作用帶(主要是河床沉積物)的溫度變化,即使在無水位數據的情況下,也能夠識別出河流的失水或得水情況。1.2建立一個有效的地表水與地下水相互作用模式河床沉積物中水的溫度隨深度和時間的連續監測提供一系列的剖面,該剖面記錄了地表水與地下水相互作用的過程及流量變化(圖2,3)。與溫度相對恒定的地下水相比,河水的溫度變化幅度較大。當河水補給地下水時,由于河水向下的熱運移過程,加上缺乏地下水的溫度緩沖效應,使得河水與地下水相互作用帶中變溫層深度增大,溫度隨深度的變化曲線變陡;在特定深度,溫度的日或年內變幅增大。河水向地下水的補給速率越大,溫度變化的穿透深度也越大。相反,當地下水補給河水時,向上流動的地下水緩沖了溫度波動,使相互作用帶中變溫層深度減小,溫度曲線變緩,溫度的日或年內變幅減小;地下水的補給量越大,緩沖作用越明顯。年內不同深度的最大和最小溫度形成年溫度包裹面,所有的實測溫度曲線都將位于該包裹面內(圖1)。當地下水補給河流時,年溫度包裹面向河床表面收縮。當河流失水補給地下水時,包裹面向下擴展。在日周期內,相同的規律在較小的尺度上發生,凌晨和中午的溫度曲線接近日溫度包裹面(圖1)。河床沉積物中地下水的年溫度包裹面的研究實例見圖3。Bartolino等分析了1996年9月至1998年8月美國新墨西哥州中部RioGrande河某處河床下15m深度內的水溫度變化剖面,并用該溫度剖面研究了不同季節河流與地下水的相互補給過程。由此可見,溫度剖面包裹面可以反映地表水與地下水在不同時間周期上的相互作用模式、水流方向的變化及評估河道在不同地點失水或得水的強度。若綜合不同點上的溫度剖面,則可反映河流與地下水相互作用的空間差異。溫度剖面提供了有力的地表水與地下水相互作用模式的連續記錄。作為將來的應用,基于溫度估算的河流時間和滲透速度可以延伸至整個河流失水的評估。2月間帶與地下水相互作用在20世紀中期,水文地質學家就開始探索用溫度指示地表水與地下水相互作用的可行性。Rorabaugh首次描述了河流溫度和河流失水之間的關系。后來的研究者開始用溫度示蹤河流滲漏、冷卻池滲漏引起的熱污染以及地下水對湖水的補給。但受技術條件的限制,當時的溫度測量在操作上存在著困難,同時缺乏相應的計算條件和計算程序,因而限制了熱作為地下水示蹤劑的應用,使得當時的工作更多地側重于理論研究。近十余年來,隨著相關技術的發展,溫度測量儀器不斷改進,其成本也逐步降低,并有多個熱運移模擬程序相繼開發與發布,從而大大促進了熱示蹤劑在水文學研究中的應用。在最近的研究工作中,河床溫度已用于揭示濕潤區、干旱區等不同氣候區內河流與地下水的相互作用。例如:Allander利用溫度數據研究了加利福尼亞TahoeLake河一個支流的河水與地下水的相互作用,發現河水與地下水的補排關系具有季節性變化的特點;Constantz等利用溴示蹤劑和熱示蹤劑分別計算了美國加利福尼亞州SantaClara河中部某河段河水與地下水的交換量,結果表明,2種方法計算得出的交換量在時間和空間尺度上是一致的;Cox等利用熱、氯和電導率3種示蹤劑分別來研究河水與地下水的相互作用過程,并計算兩者的水量交換,經對比分析,發現溫度示蹤法的研究結果與氯、電導率示蹤法的研究結果基本一致。季節性河流極端變化的特性使得河水位、流量、流速等常規水文數據的長期連續獲取非常困難,從而阻礙了季節性河流與地下水相互作用的連續評估。由于溫度數據獲取的穩定性,Constantz等將其用于季節性河流與地下水的相互作用研究中,從而為克服上述困難提供了可行的方案。除用于計算地表水與地下水的交換量及其動態變化外,河床溫度也被用于刻畫地表水與地下水相互作用帶中的水流途徑。例如:Salem等將溫度數據和同位素數據相結合,用于指示河流與地下水相互作用帶中的水流途徑;Conant則基于詳細的監測數據,分析了加拿大安大略Augus地區Pine河流某河段周圍地下水溫度的空間分布和動態變化特征,據此識別出了河床中的5種水流運移途徑,從而首次詳細刻畫了地表水與地下水相互作用帶中水流的復雜性。目前,國內有關這方面的研究主要是利用庫水或河水與地下水之間的溫度差異來探測壩堤滲漏或基坑滲漏。如董海洲等利用溫度示蹤方法探測了基坑滲漏。葛建將分布式光纖測溫系統在堤壩滲漏的探測中進行了應用。最近,黃麗等利用分布式光纖測溫技術分析了黑河中游平川鄉附近500m長的河段范圍內黑河與地下水的轉換關系。3水和地下水相互作用的熱運移模擬地下水模型可以定量分析熱運移和水流流動,是用熱作為示蹤劑來計算地表水與地下水的交換量的常用工具。3.1地表水、地下水相互作用的模擬早期的理論研究工作表明,溫度數據可以用于熱運移方程一維形式的解析解中,以計算地下水的流速。Silliman等運用Stallman解析解的修正公式計算了某河流失水段的滲漏量。Becker等基于溫度數據,成功地運用該解析解的修正公式計算了美國紐約州Cattaraugus縣IschuaCreek河流某河段接受的地下水補給量。Hatch等和Keery等則對Stallman的解析解公式進行修改,對河床溫度進行時間序列分析,據此來分析實際河水溫度變化邊界條件下地表水與地下水的相互作用。近年來,該解析解得到了大量的應用,很多學者利用其進行了地表水與地下水交換量的時空分布特征研究。相對于解析解而言,數值解在定義邊界條件、水力學和熱力學參數方面更具靈活性,所以在研究地表水與地下水相互作用時運用得更為廣泛。Thomas等基于溫度觀測數據,利用VS2DH計算了美國新墨西哥州SantaFe永久性河流LaBajada河段的河流滲漏量,并估算了河水的滲漏速率。Burow等利用SUTRA模擬了加利福尼亞三角洲某島嶼復雜的地下水流動系統,在模擬時考慮了由熱引起的密度效應。Su等運用TOUGH2評估了加利福尼亞Russian河河床下由于抽水引起的河水失水模式。在該模型中,水力傳導系數的校正是基于溫度數據進行的。Briggs等運用分布式探溫方法測得高分辨率溫度數據,將其耦合至數值模型量化了美國中部Wyoming省Cherry河垂向水流的空間與時間變異特征。基于數量有限的溫度剖面觀測點,很難準確刻畫地表水與地下水相互作用的空間變化,而數值模型則可將在空間上呈點狀分布的溫度數據耦合到區域尺度上,從而得到較大范圍內地表水與地下水相互作用的空間分布特征。3.2溫度數據分析在水—熱耦合模型需要的參數中,水力傳導系數和熱傳導系數對不同的沉積物結構具有不同的敏感性:熱傳導系數對沉積物結構的依賴性極低,幾乎不隨沉積物結構的變化而變化;而水力傳導系數則強烈依賴于沉積物的結構。雖然2個參數的大小均因沉積物的飽和度和物質結構的差異而不同,但對于特定結構的飽和沉積物,水力傳導系數在不同的河床下可能有幾個數量級的變化,而熱傳導系數僅有非常小的變化范圍。例如,對于砂質河道,飽和熱傳導系數通常變化在1.0~2.0W/m℃之間;相比而言,砂的飽和水力傳導系數可以從10-2m/s減小至10-6m/s;當飽和度減小時,水力傳導系數值可從10-5m/s減小至10-10m/s。基于此,在水流與熱運移數值模型校正過程中,水力傳導系數是需要校正的主要參數,而熱傳導系數可根據測量結果或沉積物結構信息給定一個值,通常不需要校正。因此,在水-熱耦合模型中,溫度數據可作為除水力學數據外的限制性因子對模型進行進一步約束和校正,同時還不需要額外的敏感參數校正。由此可見,除可對地表水與地下水相互作用過程進行直接示蹤外,溫度數據還可幫助進一步約束和校正水流和熱運移耦合模型,降低模型的不確定性,從而更好地利用反演模型刻畫含水層的水力學性質,提高地表水與地下水交換量的模型計算精度。這也是溫度示蹤方法應用于地表水與地下水相互作用研究中的另一發展趨勢。4溫度示蹤法及其應用以上分析可知,地表水體周圍淺層沉積物的溫度變化蘊含著豐富的地表水與地下水相互作用的信息。與其他示蹤方法相比,溫度示蹤法具有以下優點:(1)溫度對水流作用的反應強烈且迅速,靈敏度高;(2)熱信號是自然發生的,數據獲取穩定,應用范圍廣;(3)溫度指標可在野外直接測量,監測成本低,可設置大量監測點,實現高密度監測;(4)可連續監測。另外,將溫度數據和水力學數據相結合,建立地表水與地下水相互作用的水流與熱運移耦合模型,并聯合運用溫度數據和水力學數據來約束、校正模型,反演水力學參數的分布,可大幅度降低模型的不確定性,從而更為精確地模擬地表水與地下水相互作用帶中的水流動模式,并提高地表水與地下水交換量的計算精度。溫度示蹤法可用于:(1)指示地表水與地下水間的水流方向變化;(2)指示地表水與地下水間的交換強度;(3)若綜合不同地點的溫度曲線觀測結果,可反映地表水與地下水相互作用的空間差異,甚至用于評估整條河流與地下水的交換量;(4)基于溫