李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 票市 122100)

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地表水-地下水交互機制研究

李忠媛

(北票市水資源辦公室，遼寧 票市 122100)

地表水與地下水之間的水質與水量交互是影響區(qū)域水文過程及維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要機制。文章通過對遼寧省某研究區(qū)濕地地下水與地表水作用交互的內涵及相關影響因素和界面效應以及模型等進行分析，以期為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)維護及提高濕地生態(tài)效益奠定積極的理論和實踐基礎。

地表水；地下水；交互機制；作用；影響因素

濕地是一種獨特的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)，它以地上水和地下水循環(huán)為核心，通過與周邊生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)進行物質交換及能量交換和信息交換，從而驅動區(qū)域不同生態(tài)系統(tǒng)景觀格局以及物質元素進行循環(huán)演變，以此維護生物多樣性以及保持生態(tài)系統(tǒng)平衡。正是在此現(xiàn)實需求驅動下，Eco-hydrology(濕地生態(tài)水文學)理論產生，這一理論以植物和水分之間的相互交互循環(huán)為基礎，通過對地表水以及地下水和大氣降水及土壤水分之間的相互影響過程進行分析，從而為濕地生態(tài)系統(tǒng)維護提供一種多樣化的保護視角。但是，在實際研究過程中，地下水與地上水之間的交互涉及到水文地質及地質學和水文地球化學等諸多學科理論。因此，文章將重點基于交叉學科的研究視角，就遼寧省某研究區(qū)濕地地下水與地表水之間的交互作用過程及相關影響因素進行研究，以此制定維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡的良好模式[1]。

1 地表水-地下水交互尺度

如果從濕地生態(tài)水文學的角度來看，地表水-地下水交互主要是基于水動力學過程，在特定的區(qū)域內以及特定的時間范圍內，某研究區(qū)濕地通過SW-GW交互作用模式，按照水動力學機制進行物質轉化與能量轉化和信息轉化。因此，從這一基本概念入手，地表水和地下水在實際交互過程中，需將其置于特定的實踐范圍內以及空間尺度中進行考察研究。通常而言，濕地水文運動變化周期受該地區(qū)地表徑流量及當?shù)貧夂蜃兓偷叵滤灰约暗叵滤_采和濕度補、排水等過程影響，從而導致濕地地下水與地表水在水循環(huán)交互過程中，具有季節(jié)性以及地域性和年際性等多種變化特征。因此，在對區(qū)域濕地地下水和地表水作用交互機制進行研究時，首先需要科學確定研究區(qū)濕地SW-GW交互過程尺度。

一般情況下，區(qū)域濕地地表水與地下水在實際交互過程中的主要尺度分別包括沉積物以及接觸帶和盆地-流域3種。

1)第1種尺度中，地表水與地下水相互交互過程體現(xiàn)在微觀界面多孔介質內的滲流以及生物過程和化學反應過程等方面。

2)第2種尺度，主要反映了研究區(qū)濕地地表水與地下水流系統(tǒng)水量交換及水力接觸和水化學演變等過程。

3)而在盆地-流域這一交互尺度中，由于濕地地下水通過下降流以及上升流的運動形式鏈接地表湖泊和濕地群，從而形成水力聯(lián)系非常密切的交錯走廊。

因此，上述3種不同交互尺度，對地下水和地表水地球化學演變過程具有重要的驅動作用。地表水-地下水幾種不同的交互尺度示意圖見圖1所示：

圖1 地表水-地下水交互尺度示意圖

2 地表水-地下水交互形式

文章結合上述幾種不同的地下水和地表水交互尺度，將二者相互作用交互的形式劃分為以下2種不同類型:

1)一種是基于飽和流與非飽和流的補給型濕地。這種類型的交互形式多見于一些季節(jié)性濕地系統(tǒng)。由于濕地地下水面與地下墊面之間存在不連續(xù)的非飽和空間。因此，濕地下墊面與含水層之間直接連通，在此地質類型中，濕地周邊地下水水位要低于濕地基礎水位，在交互作用過程中，濕地水體成為周邊地下水的重要補給來源[2]。

2)另一種交互作用形式為基于飽和流的貫穿型濕地與排泄型濕地。在這種形式的交互過程中，濕地地下水的重要補給形式為四周地下水補給。由于地下水水力梯度方向與地下水流暢方向保持一致。因此，導致濕地在接受地下水補給過程中，地下水流貫穿整個濕地。在上述兩種不同的濕地系統(tǒng)交互形式中，由于地下水與地上水循環(huán)交互過程受人類社會實踐活動與氣候變化過程影響。因此，導致濕地地下水與地上水之間的交互作用過程具有一定的時空變異性。地表水-地下水交互主要形式見圖2所示：

圖2 地表水-地下水交互主要形式

3 地表水-地下水交互機制

從上述地表水-地下水交互主要形式圖示中可以看出，飽和流與非飽和流是SW-GW交互作用過程中的兩種主要滲流特征。由于非飽和滲流這一水動力學交互過程具有代表性和特殊性。因此，文章主要針對非飽和流這種交互作用形式進行分析，通過質量守恒定率以及二相滲流運動微分方程，經過選取濕地生態(tài)系統(tǒng)非飽和流毛細壓力及飽和度、滲透率等幾大指標，構建Richard方程，從而對該研究區(qū)生態(tài)濕地非飽和流地下水與地表水水循環(huán)交互過程進行計算分析，具體公式為：

(1)

式中：θ為濕地土壤實際含水量；t時間為時間；K為非飽和滲透系數(shù)；H為壓力水頭；Z為位置水頭；q為源匯項。

在實際研究分析過程中，文章基于Richard方程，將濕地飽和流交互運移過程分為相對滲透率、飽和度及毛細壓力3個不同的計算推導過程，然后將這3個不同計算過程視為一個統(tǒng)一、連續(xù)的交互整體，使其與濕地多孔介質中地下潛水滲流交互作用過程的Boussinesq方程相吻合，以此對濕地地下水與地表水水動力循環(huán)過程及交互作用過程進行水動力學控制。具體公式如下所示：

(2)

式中：x方向的飽和滲透系數(shù)為Kxx；y方向的飽和滲透系數(shù)為Kyy；z方向的飽和滲透系數(shù)為Kzz；h為濕地實際水位；W為源匯項；μ為含水層給水度。

4 地表水-地下水交互機制影響因素

4.1 水文地質條件因素對地表水-地下水交互機制的影響

本文在對地表水-地下水交互機制影響因素進行分析時，首先通過對濕地地形地貌以及水文地質進行考察，以此就二者對地表水與地下水水文交互作用機制造成的影響進行研究[3]。由于濕地地下水與地表水交互作用首先取決于地形地貌以及地質等構成地下水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)的基礎條件，同時地形地貌在一定程度上對濕地水文過程以及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育演變具有控制作用。因此，高海拔地區(qū)的基巖山是區(qū)域地下水流系統(tǒng)的源頭區(qū)，而在這種地質地貌條件下，一般會形成補給型濕地。相對于高海拔的基巖山區(qū)而言，平原地區(qū)地形較為低洼，因此容易匯集區(qū)域地下水。故在這種地質條件下，經常會形成貫穿型濕地。因此，地貌和地質類型不同，濕地的具體形成與變化過程也存在一定差異[4]。

除了上述地形地貌等基本影響因素外，區(qū)域水文地質也會對研究區(qū)地表水以及地下水交互作用機制產生重要影響。就水文地質對區(qū)域濕地地下水與地表水交互作用機制造成的影響進行分析時，本文主要通過選取地下水生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的含水層水利特性以及巖性結構和水文地質條件3個主要影響因子進行考察，最終發(fā)現(xiàn)水頭差以及水力梯度和含水介質特性等，會對地下水和地表水交互作用機制的強度造成影響，在該濕地研究區(qū)中，匯源項分布以及地下水和地表水交互作用的路徑受濕地水力梯度影響，而濕地地下含水層特性，比如滲透率會對濕地SW-GW交互機制程度產生影響，從而導致該研究區(qū)地下水與地上水的補排關系完全相反。

但是，通過對上述兩大影響因素進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在實際交互機制中，相關影響尺度與影響因子具有層次性和多樣性。因此 導致不同的地質地貌景觀類型和濕地水文單元發(fā)育程度不同，特別是沉積物尺度下的微觀界面交互機制演變過程，除了受上述幾種因素影響外，還會受到介質孔隙結構以及礦物質組成和水-巖等基本物質單元構成要素的影響。

4.2 水文變化因素對地表水-地下水交互機制的影響

水文情勢在一定程度上能夠準確反映區(qū)域濕地地下水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)運動的活躍程度。由于在特定時空條件下，巖層結構以及巖性等地質條件具有相對穩(wěn)定性。因此，濕地地下水與地上水交互作用過程主要受外部環(huán)境變化影響，比如受人類社會實踐活動與氣候條件等雙重影響，導致濕地地下水與地表水交互機制在一定條件下呈現(xiàn)出不同的時空分布差異特征[5]。一方面，氣候變化會從宏觀層面上影響區(qū)域地下水分布，同時也會在一定程度上嚴重影響區(qū)域降水量以及濕地水分蒸散過程，由此導致地下水徑流過程產生較大變化，最終引發(fā)一系列生態(tài)問題。比如，濕地面積萎縮及濕地鹽堿化等，尤其是在枯水期與豐水期，濕地地下水與地表水循環(huán)交互過程，會明顯受研究區(qū)氣候因素影響。

4.3 人類社會實踐活動因素對地表水-地下水交互機制的影響

另一方面，在上述氣候條件影響下，人類社會實踐活動對區(qū)域濕地地下水與地表水交互機制造成的影響不能忽視。在此作用過程中，渠系等輸水改造工程直接會對濕地的地下水補給產生影響[6]。盡管在此改造中，渠道引水能夠增加濕地徑流量，但是由于人類直接開發(fā)和利用地表水以及地下水，因此會導致濕地地下水儲存量大幅減少，從而引發(fā)濕地面積萎縮等生態(tài)惡化現(xiàn)象。與此同時，大量的工業(yè)廢物排放，會使?jié)竦氐叵滤械闹亟饘傥廴驹夭粩嘣龆?，從而會影響甚至阻斷濕地地下水與地表水交互作用過程。因此，對地下水和地表水交互機制進行研究，能夠在一定程度上認識氣候以及人類活動對地下水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)平衡性產生的具體影響，從而為合理展開社會生產實踐活動提供重要指導。

5 地表水-地下水交互效應

通過以上對幾大主要影響因素進行考察分析，本文認為應當從微觀層面與宏觀層面分別考量地表水-地下水交互作用的界面效應。首先，濕地地表水-地下水交互作用的界面效應表現(xiàn)為濕地多孔介質特征分異；其次，濕地地表水-地下水交互作用的界面效應表現(xiàn)為水文地球化學演化。濕地地下水與地上水交互在本質上是一種生物地球化學行為[7]。因此，交互作用機制不同，會導致濕地不同交互物質元素在時空分布方面呈現(xiàn)出不同的遷移轉化規(guī)律。除此之外，濕地地表水與地下水在交互過程中，會改變水分以及堿度和pH值等。因此，其會在一定程度上影響濕地地下水環(huán)境中的生物群種類和數(shù)量等[8]。

6 結 語

綜上所述，實踐研究表明，在該研究區(qū)濕地區(qū)域中，影響區(qū)域地下水與地上水交互作用這一過程的主要因素，是研究區(qū)地下水文及當?shù)氐刭|條件等。與此同時，氣候變化也是影響濕地地表和地下水交互作用的一大因素。因此，在濕地生態(tài)系統(tǒng)維護及地下水、地表水綜合開發(fā)利用過程中，要注意對濕地地下水文以及水質和氣候影響因素進行調節(jié)和控制，以此避免外界不良干擾因素對當?shù)貪竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的平衡性造成嚴重破壞和影響。

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[2]高素麗.遼陽市水資源開發(fā)利用和管理保護對策[J].水土保持應用技術，2011(04)：45-47.

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Research of Interactive Mechanism between Surface Water and Groundwater

LI Zhong-yuan

(Beipiao Urban Water Resources Office，Beipiao 122100，China)

Interaction of water quality and water quantity between surface water and groundwater is the important mechanism to impact regional hydrological process and maintain regional ecological balance.The paper analyzed the contents of interaction between groundwater and surface water，relevant impact factors，interfacial effect and model of the wetland of area researched in Liaoning Province to lay the theoretical and practical basis for maintaining the ecological system of the studied area and increase the ecological benefits of ecology.

surface water; groundwater; interactive mechanism; action; influence factor

1007-7596(2017)02-0004-03

2017-01-16

李忠媛(1982-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水資源論證及調查評價、地下水監(jiān)測、水文預報、水文水資源管理等工作。

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