張佳　霍艾迪　賽佳關　陳嘉莉　馮逸偉　李英豪

摘要：為了探索地表水和地下水相互作用的動態(tài)變化特征，使用溫度傳感器對渭河西咸新區(qū)段的潛流交換過程進行了溫度監(jiān)測試驗，采用溫度示蹤法分析了潛流交換的動態(tài)變化機制。結果表明：左岸與右岸試驗點的補給關系均為地表水補給地下水；除去降雨和氣溫影響較大的0.05～0.15 m深度，左岸試驗點在0.70～1.00 m深度潛流交換最為劇烈，右岸試驗點在0.40～0.70 m深度潛流交換最為劇烈；潛流通量越穩(wěn)定，其不確定性區(qū)間寬度也越穩(wěn)定；潛流帶沉積層溫度對氣溫的波動響應具有垂直方向的空間變異性。

關鍵詞：補給關系；溫度示蹤；潛流交換；西成新區(qū)；渭河

地表水和地下水具有密切的水力聯(lián)系，可以相互影響和轉化。在潛流帶，河水可與地下水發(fā)生物質(zhì)與能量的雙向遷移與混合。作為活躍的生態(tài)群落交錯帶，潛流帶對河流生物體的生命循環(huán)、水污染防治、水資源統(tǒng)一管理、干旱與半干旱地區(qū)水生以及河岸生態(tài)系統(tǒng)、湖岸生態(tài)系統(tǒng)的保護等具有非常重要的影響。因地表水與地下水相互連通，具有密切的水力聯(lián)系，故在地表水污染較嚴重的地區(qū)，地下水的污染也十分嚴重。陜西省境內(nèi)沿渭河建設的傍河水源地達30多處，鑒于近年來渭河干流與支流水質(zhì)污染嚴重，渭河地表水的污染已對陜西省境內(nèi)沿河居民的地下水飲用水源及人體健康構成潛在危害。同時，渭河作為西咸新區(qū)“一河兩帶四軸五組團”中的“一河”，其污染防治和水生態(tài)治理直接影響著陜西省經(jīng)濟發(fā)展的大局。因此，對陜西省渭河西咸新區(qū)潛流帶的研究不僅可為水資源管理及水污染防治提供依據(jù)，而且可為深入研究地表水與地下水的相互作用機理提供理論基礎，以及為生態(tài)需水量的確定和生態(tài)保護提供數(shù)據(jù)支撐。

1研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于渭河西咸新區(qū)段，區(qū)內(nèi)不同地點的年均氣溫為12.5～14.0℃，多年平均降水量為510.1 mm。渭河在陜西省境內(nèi)的流域面積為33 548 km2，多年平均徑流量為53.8億m3，多年平均輸沙量為1.49億t。渭河西咸新區(qū)段位于關中平原的渭河沖洪積平原亞區(qū)，地下水較豐富，地下水徑流模數(shù)為27.35萬～33.07萬m3/（km2·a）。

2研究方法

試驗中記錄溫度數(shù)據(jù)的傳感器（iButton）型號為DSl922L-F5，采樣時間間隔為10 min，分辨率為0.062 5℃，采樣深度分別為0.05、0.15、0.40、0.70、1.00 m。本次試驗在渭河左岸及右岸河床各有一個試驗點（左、右岸試驗點均位于東經(jīng)108°51′、北緯34°23′）。2015年9月30日至10月3日在渭河左岸測量，10月4-7日在渭河右岸測量。

VFLUX程序適用于飽和多孔介質(zhì)中的一維垂向流，可自動處理序列原始溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度曲線相位及振幅計算潛流帶不同深度處潛流交換的垂直速度，解算熱混合率、最優(yōu)傳感器間距等。本文采用VFLUX軟件解算試驗點的序列原始溫度數(shù)據(jù)，解算過程中所用參數(shù)見表1。在解算溫度數(shù)據(jù)前，為了使不同傳感器的采樣時間一致，需要對溫度數(shù)據(jù)進行重采樣及數(shù)據(jù)過濾；對采樣數(shù)據(jù)進行動態(tài)諧波最優(yōu)化，模擬自動迭代范圍的峰值；用實測溫度數(shù)據(jù)擬合動態(tài)諧波最優(yōu)化溫度數(shù)據(jù)，解算潛流通量。計算流程見圖1。

3結果與討論

3.1試驗結果分析

自然界的熱循環(huán)周期為1 a或1 d。地表水補給地下水情況下的熱循環(huán)周期溫度變化大于地下水補給地表水情況下的熱循環(huán)周期溫度變化。地表水補給地下水的河流，地表水經(jīng)過了地表的加熱或冷卻，地表水的下滲會引起河床沉積層較大的溫度波動；地下水補給地表水的河流，因地下水的溫度比較穩(wěn)定，故補給河流的地下水在流經(jīng)沉積層時對地表的溫度波動可起到一定的緩沖作用，導致該情況下河床沉積層溫度相對較穩(wěn)定（約為熱循環(huán)周期溫度的平均值）。

由圖2與圖3可知：左岸試驗點沉積層0.05、0.15、0.40 m深處沉積層溫度隨氣溫波動明顯，0.70、1.00 m深處的溫度對氣溫變化的響應不明顯；右岸試驗點0.05、0.15 m深處的溫度隨氣溫波動有較小的波動，0.40、0.70、1.00 m深處的溫度基本不隨氣溫波動而波動。由圖2可知，渭河左岸0.05 m處的溫度接近河水溫度，1.00 m深處的溫度接近地下水溫度，所以可初步判斷左岸試驗點的補給關系為地表水補給地下水。由圖3可知，渭河右岸0.05、1.00 m深處的波動特征與左岸試驗點相同深度的波動特征類似，但0.05 m深處的溫度明顯高于正常河水溫度（皂河污水影響），所以無法通過波形對比直接判斷右岸試驗點的補給關系。

3.2潛流通量解算

由VFLUX軟件解算一維擴散方程，可得各試驗點不同深度潛流通量隨時間的變化。潛流通量為負值，說明該點的滲流方向為垂直河床向上；潛流通量為正值，說明該點的滲流方向為垂直河床向下。

3.2.1左岸試驗點潛流通量時空變異性

左岸試驗點的潛流通量變化見圖4。由圖4可知，沉積層深度越大，潛流通量平均值越大，0.70～1.00 m深度潛流通量平均值最大。所以，潛流交換在0.70～1.00 m深度最為活躍，該深度范圍內(nèi)地表水與地下水的連通性最好。

對左岸試驗點潛流通量進行統(tǒng)計，結果見表2、表3。由表2可知，0.05-1.00 m深度潛流通量平均值先減小后增大，標準偏差逐步變小。潛流通量最小值出現(xiàn)在0.40-0.70 m深度，最大值出現(xiàn)在0.05-0.15 m深度，0.05-0.15 m深度潛流通量的離散程度最大。由表3可知，在試驗期內(nèi)，0.05-1.00 m深度的滲流方向均為向下。

渭河右岸試驗點的潛流通量變化見圖5。由圖5可知，0.40-0.70 m深度潛流通量平均值最大，所以潛流交換在0.40～0.70 m深度最為活躍，地表水與地下水的連通性最好。對右岸試驗點河床不同深度處的潛流通量進行統(tǒng)計，結果見表4、表5。由表4可知，0.05～1.00 m深度潛流通量均值先增大后減小，其標準偏差先增大后減小。潛流通量最小值出現(xiàn)在0.05-0.15 m深度，最大值出現(xiàn)在0.40～0.70 m深度，0.40-0.70 m深度潛流通量的變異性最大。由表5可知，右岸試驗點潛流通量的有效數(shù)據(jù)均為正值，所以該試驗點滲流方向向下。其中，0.40-0.70 m潛流通量明顯異于其他深度，主要與該深度范圍沉積層連通性有關。

3.3潛流通量的不確定性分析

對渭河左岸與右岸試驗點河床沉積層0.05～0.15、0.15-0.40、0.40-0.70、0.70-1.00 m深度的垂向潛流通量進行不確定性分析。不確定性區(qū)間寬度隨時問的變化見圖6、圖7。

由圖4和圖6可知，0.05-0.15 m深度不確定性區(qū)問隨潛流通量的增大而增大：0.15～0.40 m深度不確定性區(qū)間隨潛流通量的增大而減?。?.40-0.70、0.70-1.00 m深度不確定性區(qū)問范圍較穩(wěn)定，基本不隨時間發(fā)生變化。

由圖5和圖7可知，0.05-0.15、0.15-0.40 m深度的潛流通量基本不隨時間發(fā)生變化，所以不確定性區(qū)問范圍也較穩(wěn)定；0.40-0.70 m深度的不確定性區(qū)間范圍隨潛流通量的減小而減小；0.70-1.00 m深度不確定性區(qū)間范圍隨潛流通量的減小而增大。

綜上，在地表水補給地下水的地段，潛流通量隨時間波動較小時，其不確定性區(qū)間范圍較穩(wěn)定；潛流通量隨時間波動較大時，其不確定性區(qū)間范圍也較為波動，但具體規(guī)律有待于進一步研究。

4結語

渭河西咸新區(qū)段河水與地下水的補給關系為地表水補給地下水；河床沉積層深度越大，其沉積層下部溫度對地表水溫度波動的響應越?。涸囼烖c潛流交換時空變異性顯著，左岸試驗點在沉積層深度為0.05-0.15、0.75-1.00 m時潛流交換比較強烈，右岸試驗點在沉積層深度為0.40-0.75 m時潛流交換比較強烈。潛流通量隨時間變化較小時，其不確定性區(qū)間的寬度較穩(wěn)定，隨時間波動較小。