地表水與地下水相互作用的溫度示蹤方法

地表水與地下水相互作用的溫度示蹤方法

在聯(lián)合環(huán)境管理局、國(guó)際水文科學(xué)與水資源管理協(xié)會(huì)、水保護(hù)和半干旱地區(qū)的水生生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)中，水生生態(tài)系統(tǒng)和河流保護(hù)非常重要。受聯(lián)合環(huán)境管理局、國(guó)際水文科學(xué)與科學(xué)院（unip）、美國(guó)環(huán)境管理局（uspa）和美國(guó)地質(zhì)秘書處（usgs）的影響，它已成為水保護(hù)、水文地球化學(xué)、生物地球化學(xué)和生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但由于地表水與地下水相互作用的復(fù)雜性,其觀測(cè)和量化仍十分困難。水文學(xué)方法是量化地表水與地下水相互作用的傳統(tǒng)方法,包括:(1)直接測(cè)量法,即應(yīng)用滲流儀直接測(cè)量通過河(湖)床的滲漏量,但該方法僅能反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近及監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的結(jié)果;(2)間接推算法,包括根據(jù)水力梯度與流量間的關(guān)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(píng)估總的交換量,無法刻畫其內(nèi)部過程。隨著地表水與地下水相互作用研究的精細(xì)化與定量化,示蹤法和數(shù)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(xué)及環(huán)境同位素示蹤法,可用來揭示地下水與地表水的水力聯(lián)系,估算兩者的交換量,分析其相互作用的動(dòng)態(tài)變化。但水化學(xué)和同位素示蹤法只能得到半定量的結(jié)果;人工示蹤法還可能造成污染,其操作也受場(chǎng)地條件限制。而且兩者的成本都較昂貴,又難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。(2)數(shù)值模型法可定量計(jì)算地表水與地下水間的交換量,精細(xì)刻畫兩者的相互作用過程及動(dòng)態(tài)變化,但目前的模型校正多基于水力學(xué)參數(shù),受參數(shù)觀測(cè)密度限制和不同參數(shù)間的相關(guān)性影響,其結(jié)果往往具有較大的不確定性。因此,為更好地觀測(cè)及精細(xì)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(xù)監(jiān)測(cè)的天然示蹤方法;同時(shí),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(xù)觀測(cè)的非水力學(xué)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行校正。地表水與地下水的相互作用伴隨著熱的運(yùn)移,對(duì)天然的地?zé)崽荻犬a(chǎn)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(qiáng)烈和迅速,并顯示為清晰的溫度變化信號(hào),使溫度隨深度的變化曲線(以下稱為“溫度曲線”)發(fā)生異常。地表水與地下水的相互作用過程會(huì)對(duì)溫度隨時(shí)間及深度的變化產(chǎn)生顯著影響。此外,地表水與地下水相互作用的強(qiáng)度不同,所產(chǎn)生的熱干擾不同,也會(huì)在淺層沉積物的溫度曲線上得到清晰的顯示?；谏鲜鲈?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(guān)技術(shù)的發(fā)展,溫度測(cè)量?jī)x器不斷改進(jìn),其成本也逐步降低,并有多個(gè)熱運(yùn)移模擬程序相繼開發(fā)與發(fā)布,從而大大促進(jìn)了熱示蹤劑在水文學(xué)研究中的應(yīng)用。1溫度定性指標(biāo)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(yīng)地表水與地下水相互作用帶內(nèi)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(duì)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(bǔ)給永久性河流;(2)永久性河流補(bǔ)給地下水;(3)季節(jié)性河流干枯時(shí)與地下水的相互作用;(4)季節(jié)性河流有水流通過時(shí)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(yīng)。圖1-A,B指示了得水和失水的永久性河流與地下水系統(tǒng)的聯(lián)系。圖1-C,D指示了干枯和有水流的季節(jié)性河流通過非飽和帶與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)系。每組圖中右上角的圖給出了河流流動(dòng)信息;左上角的溫度曲線圖指示了對(duì)應(yīng)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(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給永久性河流時(shí)(圖1-A),相對(duì)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?yàn)閺纳畈肯蛏狭鲃?dòng)的溫度較恒定的地下水緩沖了由地表水引起的溫度波動(dòng)。所以,在河床下特定深度,如果有較大流量的地下水補(bǔ)給河流,會(huì)導(dǎo)致河床沉積物中水溫度具有較小的變化,這是因?yàn)檩^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(bǔ)給流量導(dǎo)致相對(duì)較大的溫度變化,這是因?yàn)樵撎幩疁厥艿降乇硭挠绊戄^大。當(dāng)永久性河流補(bǔ)給地下水時(shí)(圖1-B),河水?dāng)y帶熱從河流運(yùn)移至沉積物中,具有較大幅度溫度變化的河水在向下熱運(yùn)移過程中導(dǎo)致河床沉積物中水溫度呈現(xiàn)較大的日變化。由于沒有區(qū)域地下水補(bǔ)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(qiáng)的熱對(duì)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(zhì)的導(dǎo)熱能力低于濕物質(zhì),所以干枯的河床抑制了在相對(duì)較淺處沉積物中水溫度的日變化。對(duì)于具有季節(jié)性流水的河流(圖1-D),非常明顯的溫度信號(hào)指示著水流的經(jīng)過。在季節(jié)性流水開始時(shí)高速率的入滲導(dǎo)致河流迅速地?zé)岱磻?yīng),引起河床沉積物中水溫度曲線驟然的到達(dá)信號(hào)。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(shù)據(jù)的情況下,也能夠識(shí)別出河流的失水或得水情況。1.2建立一個(gè)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(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)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(duì)恒定的地下水相比,河水的溫度變化幅度較大。當(dāng)河水補(bǔ)給地下水時(shí),由于河水向下的熱運(yùn)移過程,加上缺乏地下水的溫度緩沖效應(yīng),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(nèi)變幅增大。河水向地下水的補(bǔ)給速率越大,溫度變化的穿透深度也越大。相反,當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給河水時(shí),向上流動(dòng)的地下水緩沖了溫度波動(dòng),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(nèi)變幅減小;地下水的補(bǔ)給量越大,緩沖作用越明顯。年內(nèi)不同深度的最大和最小溫度形成年溫度包裹面,所有的實(shí)測(cè)溫度曲線都將位于該包裹面內(nèi)(圖1)。當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給河流時(shí),年溫度包裹面向河床表面收縮。當(dāng)河流失水補(bǔ)給地下水時(shí),包裹面向下擴(kuò)展。在日周期內(nèi),相同的規(guī)律在較小的尺度上發(fā)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(shí)例見圖3。Bartolino等分析了1996年9月至1998年8月美國(guó)新墨西哥州中部RioGrande河某處河床下15m深度內(nèi)的水溫度變化剖面,并用該溫度剖面研究了不同季節(jié)河流與地下水的相互補(bǔ)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(shí)間周期上的相互作用模式、水流方向的變化及評(píng)估河道在不同地點(diǎn)失水或得水的強(qiáng)度。若綜合不同點(diǎn)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(xù)記錄。作為將來的應(yīng)用,基于溫度估算的河流時(shí)間和滲透速度可以延伸至整個(gè)河流失水的評(píng)估。2月間帶與地下水相互作用在20世紀(jì)中期,水文地質(zhì)學(xué)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(guān)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(duì)湖水的補(bǔ)給。但受技術(shù)條件的限制,當(dāng)時(shí)的溫度測(cè)量在操作上存在著困難,同時(shí)缺乏相應(yīng)的計(jì)算條件和計(jì)算程序,因而限制了熱作為地下水示蹤劑的應(yīng)用,使得當(dāng)時(shí)的工作更多地側(cè)重于理論研究。近十余年來,隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,溫度測(cè)量?jī)x器不斷改進(jìn),其成本也逐步降低,并有多個(gè)熱運(yùn)移模擬程序相繼開發(fā)與發(fā)布,從而大大促進(jìn)了熱示蹤劑在水文學(xué)研究中的應(yīng)用。在最近的研究工作中,河床溫度已用于揭示濕潤(rùn)區(qū)、干旱區(qū)等不同氣候區(qū)內(nèi)河流與地下水的相互作用。例如:Allander利用溫度數(shù)據(jù)研究了加利福尼亞TahoeLake河一個(gè)支流的河水與地下水的相互作用,發(fā)現(xiàn)河水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系具有季節(jié)性變化的特點(diǎn);Constantz等利用溴示蹤劑和熱示蹤劑分別計(jì)算了美國(guó)加利福尼亞州SantaClara河中部某河段河水與地下水的交換量,結(jié)果表明,2種方法計(jì)算得出的交換量在時(shí)間和空間尺度上是一致的;Cox等利用熱、氯和電導(dǎo)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(jì)算兩者的水量交換,經(jīng)對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)溫度示蹤法的研究結(jié)果與氯、電導(dǎo)率示蹤法的研究結(jié)果基本一致。季節(jié)性河流極端變化的特性使得河水位、流量、流速等常規(guī)水文數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期連續(xù)獲取非常困難,從而阻礙了季節(jié)性河流與地下水相互作用的連續(xù)評(píng)估。由于溫度數(shù)據(jù)獲取的穩(wěn)定性,Constantz等將其用于季節(jié)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(jì)算地表水與地下水的交換量及其動(dòng)態(tài)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(shù)據(jù)和同位素?cái)?shù)據(jù)相結(jié)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(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了加拿大安大略Augus地區(qū)Pine河流某河段周圍地下水溫度的空間分布和動(dòng)態(tài)變化特征,據(jù)此識(shí)別出了河床中的5種水流運(yùn)移途徑,從而首次詳細(xì)刻畫了地表水與地下水相互作用帶中水流的復(fù)雜性。目前,國(guó)內(nèi)有關(guān)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(cè)壩堤滲漏或基坑滲漏。如董海洲等利用溫度示蹤方法探測(cè)了基坑滲漏。葛建將分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)在堤壩滲漏的探測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。最近,黃麗等利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)分析了黑河中游平川鄉(xiāng)附近500m長(zhǎng)的河段范圍內(nèi)黑河與地下水的轉(zhuǎn)換關(guān)系。3水和地下水相互作用的熱運(yùn)移模擬地下水模型可以定量分析熱運(yùn)移和水流流動(dòng),是用熱作為示蹤劑來計(jì)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(shù)據(jù)可以用于熱運(yùn)移方程一維形式的解析解中,以計(jì)算地下水的流速。Silliman等運(yùn)用Stallman解析解的修正公式計(jì)算了某河流失水段的滲漏量。Becker等基于溫度數(shù)據(jù),成功地運(yùn)用該解析解的修正公式計(jì)算了美國(guó)紐約州Cattaraugus縣IschuaCreek河流某河段接受的地下水補(bǔ)給量。Hatch等和Keery等則對(duì)Stallman的解析解公式進(jìn)行修改,對(duì)河床溫度進(jìn)行時(shí)間序列分析,據(jù)此來分析實(shí)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(yīng)用,很多學(xué)者利用其進(jìn)行了地表水與地下水交換量的時(shí)空分布特征研究。相對(duì)于解析解而言,數(shù)值解在定義邊界條件、水力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)方面更具靈活性,所以在研究地表水與地下水相互作用時(shí)運(yùn)用得更為廣泛。Thomas等基于溫度觀測(cè)數(shù)據(jù),利用VS2DH計(jì)算了美國(guó)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(fù)雜的地下水流動(dòng)系統(tǒng),在模擬時(shí)考慮了由熱引起的密度效應(yīng)。Su等運(yùn)用TOUGH2評(píng)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(dǎo)系數(shù)的校正是基于溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行的。Briggs等運(yùn)用分布式探溫方法測(cè)得高分辨率溫度數(shù)據(jù),將其耦合至數(shù)值模型量化了美國(guó)中部Wyoming省Cherry河垂向水流的空間與時(shí)間變異特征?；跀?shù)量有限的溫度剖面觀測(cè)點(diǎn),很難準(zhǔn)確刻畫地表水與地下水相互作用的空間變化,而數(shù)值模型則可將在空間上呈點(diǎn)狀分布的溫度數(shù)據(jù)耦合到區(qū)域尺度上,從而得到較大范圍內(nèi)地表水與地下水相互作用的空間分布特征。3.2溫度數(shù)據(jù)分析在水—熱耦合模型需要的參數(shù)中,水力傳導(dǎo)系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)不同的沉積物結(jié)構(gòu)具有不同的敏感性:熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)沉積物結(jié)構(gòu)的依賴性極低,幾乎不隨沉積物結(jié)構(gòu)的變化而變化;而水力傳導(dǎo)系數(shù)則強(qiáng)烈依賴于沉積物的結(jié)構(gòu)。雖然2個(gè)參數(shù)的大小均因沉積物的飽和度和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異而不同,但對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的飽和沉積物,水力傳導(dǎo)系數(shù)在不同的河床下可能有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化,而熱傳導(dǎo)系數(shù)僅有非常小的變化范圍。例如,對(duì)于砂質(zhì)河道,飽和熱傳導(dǎo)系數(shù)通常變化在1.0~2.0W/m℃之間;相比而言,砂的飽和水力傳導(dǎo)系數(shù)可以從10-2m/s減小至10-6m/s;當(dāng)飽和度減小時(shí),水力傳導(dǎo)系數(shù)值可從10-5m/s減小至10-10m/s?；诖?在水流與熱運(yùn)移數(shù)值模型校正過程中,水力傳導(dǎo)系數(shù)是需要校正的主要參數(shù),而熱傳導(dǎo)系數(shù)可根據(jù)測(cè)量結(jié)果或沉積物結(jié)構(gòu)信息給定一個(gè)值,通常不需要校正。因此,在水-熱耦合模型中,溫度數(shù)據(jù)可作為除水力學(xué)數(shù)據(jù)外的限制性因子對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步約束和校正,同時(shí)還不需要額外的敏感參數(shù)校正。由此可見,除可對(duì)地表水與地下水相互作用過程進(jìn)行直接示蹤外,溫度數(shù)據(jù)還可幫助進(jìn)一步約束和校正水流和熱運(yùn)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(xué)性質(zhì),提高地表水與地下水交換量的模型計(jì)算精度。這也是溫度示蹤方法應(yīng)用于地表水與地下水相互作用研究中的另一發(fā)展趨勢(shì)。4溫度示蹤法及其應(yīng)用以上分析可知,地表水體周圍淺層沉積物的溫度變化蘊(yùn)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(yōu)點(diǎn):(1)溫度對(duì)水流作用的反應(yīng)強(qiáng)烈且迅速,靈敏度高;(2)熱信號(hào)是自然發(fā)生的,數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定,應(yīng)用范圍廣;(3)溫度指標(biāo)可在野外直接測(cè)量,監(jiān)測(cè)成本低,可設(shè)置大量監(jiān)測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)高密度監(jiān)測(cè);(4)可連續(xù)監(jiān)測(cè)。另外,將溫度數(shù)據(jù)和水力學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合,建立地表水與地下水相互作用的水流與熱運(yùn)移耦合模型,并聯(lián)合運(yùn)用溫度數(shù)據(jù)和水力學(xué)數(shù)據(jù)來約束、校正模型,反演水力學(xué)參數(shù)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(dòng)模式,并提高地表水與地下水交換量的計(jì)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(qiáng)度;(3)若綜合不同地點(diǎn)的溫度曲線觀測(cè)結(jié)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(píng)估整條河流與地下水的交換量;(4)基于溫