陳 靜,李云良,周俊鋒, 盧靜媛，韋 麗，郭玉銀

(1:江西省水文局,南昌 330002) (2:河海大學水文水資源學院與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098) (3:中國科學院南京地理與湖泊研究所，流域地理學重點實驗室，南京 210008) (4:江西省鄱陽湖水文局,九江 332800)

在全球大多數(shù)地形地貌類型中，河流、湖泊與濕地等地表水體往往與周邊地下水系統(tǒng)存在著頻繁水力聯(lián)系[1]. 地表-地下水之間的自然交換作用對它們自身的物理水文過程以及生態(tài)方面具有顯著影響作用[2-3]. 在全球氣候變化和人類活動的背景下，尤其是極端氣候事件以及強人類活動的干擾，均在不同程度上影響著地表水資源和地下水資源的轉化和利用，因此導致地表-地下水交互作用的探索與評估成為一個極為重要且具有實際意義的研究工作[4].

多年來，地表水和地下水相互作用的重要性已取得共識，得到大量研究成果和一些普適性的研究結論. 為應對快速變化的環(huán)境，從水資源聯(lián)合管理的角度，對兩者相互作用的認識程度需要加強[5]. 隨著技術手段的提升，學者們使用了很多方法來研究地表-地下水交換作用與動力學過程，主要有水位梯度測量法、溫度示蹤法、數(shù)值模型法、同位素示蹤法以及上述兩個或多個方法的組合應用[6-10]. 然而，不同的研究方法幾乎均受到空間、時間尺度以及一些潛在假設的限制，這些不確定性主要是由水流運動路徑的擾動、小尺度空間異質性和測量裝置的設計所限等諸多因素造成的[11].

洪泛區(qū)通常視為一種特殊的濕地類型，受周邊淺水湖泊或河流水文情勢的影響，具有季節(jié)性明顯的干濕交替特征，其作為全球重要的水文地貌單元之一，與周邊地表-地下水系統(tǒng)有著不可忽視的水力聯(lián)系. 水文情勢的周期性變化促進了洪泛濕地的地表-地下水相互作用[12]，進而對有效保護和管理濕地水資源分配、棲息地生態(tài)環(huán)境等具有重要意義. 通常情況下，地表-地下水相互作用為濕地生態(tài)系統(tǒng)提供了物質、能量和脈沖輸入，造成濕地諸多生態(tài)環(huán)境指標的時空高度異質與遷移轉化. 因此，分析洪泛濕地系統(tǒng)中地下水和地表水之間的交互轉化與動力學機制尤為重要，這決定了濕地的物理性質和生態(tài)功能. 因洪泛區(qū)下墊面具有空間異質性程度較高、系統(tǒng)開放性較強、水文節(jié)律高度動態(tài)等特點，相關的地表-地下水研究仍較為少見.

長江中下游的鄱陽湖洪泛濕地，是國際公認的重要濕地系統(tǒng)，在保護生物多樣性和生態(tài)功能等諸多方面發(fā)揮著不可替代的作用[13]. 由于氣候變化和人類活動的雙重影響，湖泊水位的天然波動已經(jīng)發(fā)生了顯著變化，對湖區(qū)水文、生態(tài)和經(jīng)濟方面帶來聯(lián)動影響與反饋. 近些年來，鄱陽湖洪泛濕地的水文變化已經(jīng)引起了國家和地方相關部門的高度重視[14-15]，但主要是以河湖等地表水文水動力過程為主. 隨著研究的不斷深入，前期已有研究強調了地表-地下水動力轉化在影響土壤水分、植被分布和養(yǎng)分輸送方面的重要性. 文獻調研發(fā)現(xiàn)，Xu等[16]通過鄱陽湖洪泛濕地典型斷面的水文-植被聯(lián)合調查，基于數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)地下水位和土壤水分梯度共同影響了濕地植被群落的分布特征，體現(xiàn)了地下水的貢獻作用. 一些學者采用水文學、水化學等方法對鄱陽湖洪泛濕地的地下水動態(tài)進行了探索性研究，證實了鄱陽湖水文情勢變化對洪泛區(qū)地下水蓄量具有動態(tài)調節(jié)作用[17]，受資料和方法所限，基本仍以定性分析與評估為主. 此外，Zhang等[18]利用氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術，調查了鄱陽湖洪泛濕地的土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)的水分傳輸過程，研究發(fā)現(xiàn)河流與周邊洪泛濕地的地下水變化對SAPC系統(tǒng)的水流遷移轉化有明顯促進作用，但沒有針對地表-地下水轉化開展實質性的研究. 由此可知，上述研究嘗試探索了鄱陽湖洪泛濕地系統(tǒng)地下水的重要性及其貢獻作用，但受觀測資料系統(tǒng)性、連續(xù)性以及研究方法等約束條件的影響，仍缺乏對地表-地下水交互轉化關系和補排通量方面的深入研究，從而導致對湖泊濕地水資源分配管理、濕地生態(tài)環(huán)境保護等方面的詮釋還不夠全面.

鑒于上述背景，本研究的主要目標是：(1)依托典型區(qū)的選擇和野外原位觀測數(shù)據(jù)，分析鄱陽湖碟形湖濕地系統(tǒng)地表、地下水文要素的動態(tài)變化特征與影響因素；(2)采用統(tǒng)計學方法，從系統(tǒng)角度來評估碟形湖、河流和洲灘地下水之間的水力聯(lián)系，探求典型濕地系統(tǒng)地表-地下水之間的轉化作用關系；(3)基于原位試驗和能量守恒方程(達西定律)，定量揭示碟形湖濕地系統(tǒng)地下水與周邊重要地表水體之間的交互轉化通量.

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖位于長江中游南岸，是目前為數(shù)不多的、仍與周邊河流水系保持天然連通的湖泊之一(圖1). 鄱陽湖承納上游流域“五河”來水，通過湖區(qū)調蓄，在北部匯入長江干流，因此鄱陽湖的水文情勢主要受“五河”來水和長江水位的季節(jié)性變化共同影響. 鄱陽湖高度動態(tài)的湖區(qū)水位生消變化約介于8～22 m之間，使得湖泊水體面積在1000～3000 km2范圍內隨季節(jié)發(fā)生萎縮和擴張. 鄱陽湖總體上較淺，85%的湖區(qū)在洪水季節(jié)水深不足6 m[19]. 從水文學上，鄱陽湖是一個高度動態(tài)的大型洪泛系統(tǒng)，呈現(xiàn)出近2000 km2的洪泛濕地，主要由碟形湖群、溝壑水系和大面積灘地構成[17]. 碟形湖主要分布在鄱陽湖洪泛濕地內部，由水文水動力、泥沙沖淤以及人為改造等形成的大小不一、形狀各異的洼地. 因此，這些淺層洼地通常被稱為“碟形湖”[20]. 洪水期，這些碟形湖與主湖區(qū)融為一體，完全地表水文連通，形成大湖；低枯水位期，這些碟形湖與主湖區(qū)脫離地表水力聯(lián)系，相對孤立，由此形成了“湖中湖”的獨特景觀. 碟形湖具有植被生物量大、物種多樣性豐富、候鳥生境優(yōu)越等生態(tài)價值，在維護濕地生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)完整性上起到十分重要的作用[20]. 鄱陽湖洪泛濕地約分布著100多個碟形湖，最大水深一般不超過2 m，總面積約800 km2，在防洪、蓄水和生物多樣性保護方面發(fā)揮著重要作用[21]. 在自然狀態(tài)下，碟形湖主要接受高水位時期的主湖區(qū)入流補給，秋、冬季節(jié)水位則取決于降水、蒸發(fā)和下滲作用等[20]. 考慮到碟形湖的形成原因以及周邊地貌類型基本一致，本研究選取蚌湖(湖水位監(jiān)測BW)和沙湖(湖水位監(jiān)測SW)兩個典型碟形湖、修水河流(水位監(jiān)測RW)及其之間的洪泛洲灘(地下水位監(jiān)測GW1～GW6)作為聯(lián)合研究區(qū)(圖1)，以期能夠表征鄱陽湖中大多數(shù)碟形湖濕地系統(tǒng)的地表和地下水文特征.

圖1 研究區(qū)概況與地表-地下水聯(lián)合監(jiān)測示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area and the surface water-groundwater joint monitoring

2 材料與方法

2.1 原位監(jiān)測和數(shù)據(jù)獲取

為分析碟形湖濕地的地表-地下水交互作用，需要監(jiān)測研究區(qū)的氣象要素、地表水位和地下水位等關鍵變量. 氣象數(shù)據(jù)來自中國科學院南京地理與湖泊研究所鄱陽湖湖泊濕地觀測研究站(廬山市)，其距離本研究區(qū)大概8 km，用于反映研究區(qū)的氣象條件變化(圖2). 為自動監(jiān)測修水河流、蚌湖和沙湖的水位-水溫動態(tài)，采用加拿大生產的Solinst 3001 Levelogger傳感器(水位精度0.01 m，溫度精度0.05℃)，研究區(qū)內共安裝了3個傳感器(RW、BW和SW)，將傳感器安置在一個直徑為5 cm的鐵管中，并插入河床/湖床底部的沉積物進行固定. 對于地下水監(jiān)測，所有傳感器均置于直徑為5 cm的PVC管底部，PVC管底部以上1 m長度采用過濾井處理，確保傳感器可用來記錄淺層地下水位-水溫的完整變化(GW1～GW6). 為便于數(shù)據(jù)資料同步分析，研究時段選擇為2016年1月15日-2017年1月17日，覆蓋完整的水文周期，數(shù)據(jù)記錄頻率為1 h.

圖2 2016-2017年星子站主要氣象要素的日序列變化Fig.2 Daily meteorological changes (Xingzi gauging station) in the Lake Poyang floodplain wetland from 2016 to 2017

為了獲取研究區(qū)的地質背景信息，本文采用自然電位和電阻率測井方法，研究中使用了ABEM Terramater SAS 4000，電流電極間距設置為3 m，結合現(xiàn)場實際情況，對GW4和GW5之間的東西向剖面開展了長度約400 m的地球物理探測，并通過人工曲線擬合獲取了垂向剖面的視電阻率和厚度值. 電阻率分析表明，研究區(qū)的洪泛洲灘濕地在15 m的深度范圍內可視為均質的(圖3a). 野外試驗和室內分析結果表明，該深度內主要介質類型為砂層，粉砂占比較小(圖3b). 圖3和表1詳細描述了洪泛洲灘濕地和各監(jiān)測點的地質背景概況.

圖3選擇斷面的視電阻率(a)和基于66個采樣點的粒徑分布(b)(視電阻率值與含水量變化呈負相關關系)Fig.3 The apparent resistivity section in the Lake Poyang floodplain wetland (a) and grain-size distribution of average grain size diameter (d50) with a normal density function for 66 samplings (b) (resistivity values have a negative relationship with underlying water moisture)

表1 鄱陽湖洪泛濕地系統(tǒng)地表-地下水監(jiān)測點位置與地質背景*

2.2 統(tǒng)計分析

為分析蚌湖(BW)、沙湖(SW)、修水(RW)等地表水體與洲灘地下水(GW1～GW6)之間的動態(tài)響應關系，本文基于MATLAB軟件并采用互相關函數(shù)來分析不同水文要素之間的聯(lián)系. 互相關函數(shù)不僅可以反映不同信號或要素之間的相關程度，還可以通過滯后距等時間信息來指示信號或要素之間的響應，該方法已廣泛應用于氣象、水文、物理等不同的學科領域，其數(shù)學表達式為[22]:

(1)

(2)

2.3 達西通量

本文采用達西定律估算地表-地下水之間的交換通量. 達西定律即地下水流運動的能量守恒方程，它是描述地下水流運動速度的實驗定律[23]. 具體表達式為:

(3)

式中，q為交換通量(m/d)，K為滲透系數(shù)(m/d)，dh/dl表示水力梯度(無量綱).

在本研究中，水力梯度根據(jù)修水或碟形湖到地下水監(jiān)測點的中心位置(dl)來進行近似估算. 對于滲透系數(shù)，文中通過野外現(xiàn)場豎管法來進行測定，該方法已在美國和國內不同地區(qū)得到頗為廣泛的應用. 在研究區(qū)的河流和湖泊水體附近，垂直于河流和湖泊，共設計2組實驗，6個豎管，將直徑5 cm的PVC管子垂直打入沉積物一定深度(管中沉積物深度大約為50～60 cm)，然后向管中一次性注水，因為管中水頭高于周邊河湖水位，PVC管內水頭開始自然下降，通過記錄不同時刻管內的水頭下降值，計算相應的滲透系數(shù)(如圖4現(xiàn)場照片所示)，具體原理和計算方法請參照Chen的方法[24]. 基于現(xiàn)場試驗和計算，獲取多個點位滲透系數(shù)的取值變化為2.3×10-6～7.1×10-3m/s. 結合圖3和表1結果的輔助分析，可認為碟形湖濕地沉積物在15 m深度內近似呈均質分布，豎管法的試驗結果可用來綜合反映研究區(qū)的滲透系數(shù)，由此估計細粉砂和黏土組成的湖床沉積物的平均滲透系數(shù)為2.5×10-6m/s，砂礫和礫石組成的河床沉積物的平均滲透系數(shù)為6.0×10-3m/s，表明碟形湖的湖床滲透性能要明顯弱于河床.

圖4 野外現(xiàn)場豎管法測定研究區(qū)沉積物滲透系數(shù)Fig.4 Field measurement of the hydraulic conductivity in the study area using straight and l-shaped standpipes

3 結果與分析

3.1 地表-地下水文特征與過程分析

圖5反映了碟形湖濕地洲灘地下水和主要地表水體的水位動態(tài)變化過程. 可以發(fā)現(xiàn)，地下水位與河流水位、碟形湖水位具有相似的年內動態(tài)變化規(guī)律，但河流水文變化對洲灘地下水位的影響要更為顯著(P<0.05). 這是由于河流為其鄰近的碟形湖濕地提供了能量和脈沖的輸入，很大程度上增強了地下水的動力學進程[18]. 一般來說，在春季較為濕潤的月份，受降雨量增加的影響，地下水位和河流水位迅速上升，進入夏季，由于受到不斷增強的地表水文連通性影響，地下水、河流和碟形湖的水位變化幾乎保持同步，水位高程基本介于15～19 m之間(圖5灰色虛線之間)，可以推測地下水與地表水之間很有可能存在著季節(jié)性水力聯(lián)系. 在秋、冬季節(jié)，雖然碟形湖的水位變化幅度相對較小(<0.4 m)，但地下水位與河流水位均呈現(xiàn)明顯下降趨勢. 換句話說，同碟形湖水位變化相比，河流水位與大多數(shù)監(jiān)測點地下水位的下降速度更快(例如9月). 需要說明的是，在秋、冬季節(jié)的某些時段，觀測到地下水位迅速上漲且變幅可達3 m(圖5黑色線框所示)，這是因為在沒有特大降雨事件的正常氣候變化條件下(圖2)，河道上游水庫泄水等人為因素很有可能導致了修水流量的急劇增加，進而影響了周邊濕地系統(tǒng)的地下水文情勢. 僅從水文變化規(guī)律來看，洲灘地下水位明顯低于碟形湖水位，但總體上略高于修河水位.

為捕捉研究區(qū)地下水運動的一般特征，本文通過水位差(代替水力梯度)來評估碟形湖濕地系統(tǒng)地表-地下水之間的水力交互關系. 結合圖4可知，地表水和地下水在秋、冬季，兩者之間的水位差可達4 m，可見地下水與碟形湖、河流等地表水體之間存在很大程度上的水力交互作用. 通過各個監(jiān)測點水位高程的比較可得，區(qū)域地下水流向在河流-洲灘濕地-碟形湖系統(tǒng)是高度動態(tài)、尤為復雜的. 絕大多數(shù)時期，碟形湖水位高于地下水位，表明碟形湖很有可能補給洲灘濕地的地下水，因水力梯度作用，地下水總體上向鄰近河流進行排泄(圖5).

圖5 2016-2017年鄱陽湖典型洪泛濕地系統(tǒng)地表水位和地下水位變化過程Fig.5 Water level time series for surface water and groundwater in the Lake Poyang floodplain wetland from 2016 to 2017

3.2 地表-地下水交互關系與響應分析

為進一步探究研究區(qū)地表-地下水之間的交互關系，圖6基于統(tǒng)計分析來解析蚌湖、沙湖、河流等地表水體與洲灘地下水的水力聯(lián)系. 線性擬合結果表明，洲灘地下水位與蚌湖水位(BW；R2=0.68～0.89)的相關性要高于其與沙湖水位的相關性(SW；R2=0.39～0.72). 與碟形湖相比，洲灘地下水位(GW1～GW6)與修水水位(RW)的統(tǒng)計學關系更為密切，相關系數(shù)R2為0.93～0.98(圖6). 由此表明，洪泛區(qū)的河流水文情勢對洲灘地下水系統(tǒng)起著更為重要的影響作用. 互相關分析結果表明，大部分監(jiān)測點的地下水位與河流水位的互相關系數(shù)R2在0.97～0.99之間(GW3除外)，滯后或響應時間基本小于2 d，然而所有監(jiān)測點的地下水位與碟形湖水位之間的互相關系數(shù)R2小于0.5，表明兩者相關性較弱，且存在著非常緩慢的時間響應(圖7). 總結得出，河流水文情勢是控制洪泛濕地及其地下水系統(tǒng)的主要因素，這與圖6所得結論基本一致. 上述發(fā)現(xiàn)的主要原因可歸結為如下兩方面：一方面，因自身地形地貌特點，造成了碟形湖、地下水、河水之間的水位差異，這也完全符合地形變化對地下水運動的主要影響這一普遍認可結論；另一方面，對于鄱陽湖洪泛濕地系統(tǒng)，因碟形湖底部的弱透水性阻滯了其與地下水之間的水力交互，河流作為研究區(qū)的一個重要驅動力和強滲透性在促進地下水系統(tǒng)的動態(tài)方面發(fā)揮了強大的脈沖作用.

圖6 研究區(qū)地下水位(a～f)和地表水位(BW、SW和RW)的擬合關系分析Fig.6 Fitting analysis for (a-f) groundwater and surface water levels of BW, SW and RW with the 1∶1 line and the correlation coefficient R2

圖7 研究區(qū)地下水位(a～f)和地表水位(BW、SW和RW)的互相關分析 (互相關系數(shù)的最大值對應于響應時間)Fig.7 Cross-correlation function for (a-f) wetland groundwater level responses to the water level of BW, SW and RW (the maximum cross-correlation coefficient corresponds to the time lag)

3.3 地表-地下水交換通量估算與動態(tài)轉化

圖8呈現(xiàn)了基于達西定律估算的碟形湖濕地系統(tǒng)地表水與地下水之間的交換通量動態(tài)變化. 一般來說，河流、碟形湖與洲灘地下水之間相互作用的交換通量主要取決于水力梯度變化和地質條件差異(圖8a). 從日尺度變化過程來看，修水河流-地下水之間的日交換通量呈高度動態(tài)的變化特征，然而碟形湖-地下水之間的日交換通量變化則相對平穩(wěn). 總體上，該系統(tǒng)的地表-地下水日交換通量在1-4月和9-12月的波動較為明顯，尤其是每年的9-10月，修水河流明顯受到洲灘地下水的補給(RW-GW；正值)，且兩者之間側向交換通量較大，最大補給強度可達0.4 m/d(圖8b). 在年內5-8月份，本次估算結果得出地表-地下水之間的交換通量在0 m/d附近波動(圖8b)，這是由于碟形湖濕地被湖水淹沒時間長達近3個月之久，碟形湖濕地的地下水系統(tǒng)近似呈飽和狀態(tài)，加上長江高洪水位的頂托作用，該時期湖水和地下水流均受到嚴重阻滯作用而體現(xiàn)出流動性較差[17,19]，可推測該時期地表-地下水之間的總體交互作用比較微弱. 在3-4月期間，觀察到修水河流補給地下水的情況發(fā)生，但補給通量基本小于0.2 m/d. 此外，兩個碟形湖與地下水之間(BW-GW和SW-GW)交換通量呈現(xiàn)年內高度一致的變化態(tài)勢，主要體現(xiàn)在碟形湖補給洲灘地下水系統(tǒng)，交換通量約小于0.1 m/d.

圖8 碟形湖濕地系統(tǒng)概念示意圖(a)和地表-地下水交換通量的動態(tài)轉化(b～c)Fig.8 Conceptual diagram of the seasonal lake-wetland system (a) and estimated Darcy flux rate using the surface water levels (BW, SW and RW) and groundwater levels (averaged over GW1-GW6) (b-c)

由圖8c可見，蚌湖-地下水(BW-GW)、沙湖-地下水(SW-GW)、河流-地下水(RW-GW)之間的年累積交換通量分別為7.5、12.6和48.2 m/a，其中河流-地下水的累積交換通量分別約是蚌湖-地下水和沙湖-地下水的7倍和4倍，進一步證實了河流水文情勢對洪泛區(qū)系統(tǒng)的重要影響作用. 除了可見河流-地下水累積交換通量(SW-GW)明顯大于碟形湖-地下水之外(BW-GW和SW-GW)，還發(fā)現(xiàn)秋、冬季的累積交換通量明顯大于春、夏季，取決于季節(jié)條件變化下地表和地下水文情勢的動態(tài)與差異.

3.4 討論與展望

地表-地下水之間的聯(lián)系與轉化在洪泛區(qū)濕地系統(tǒng)中表現(xiàn)得動態(tài)且復雜，兩者通過水力交互作用進入濕地系統(tǒng)，但水流總體上運動緩慢，滯留時間較長，這對濕地生物地球化學循環(huán)過程起著十分重要的影響[25]. 鄱陽湖正面臨著氣候變化和人類活動的雙重干擾，例如湖區(qū)水資源利用和大壩、水庫的建設運行等，加上湖水-地下水之間的頻繁水力交互，這些因素均會對濕地系統(tǒng)的地表-地下水相互作用帶來顯著影響[4,26]. 以本文碟形湖濕地附近的修水河流為例，由于距離研究區(qū)約8 km的上游水閘的人工調控，使得修水河流水位遭受了明顯的擾動，改變了河流與周邊濕地之間的水力梯度，無疑會促進河流-地下水之間的交互作用與動態(tài)轉化. 值得一提的是，為了緩解湖區(qū)枯水與干旱問題，江西省擬在鄱陽湖入江水道處建設鄱陽湖水利樞紐工程[27]. 鄱陽湖擬建水利樞紐的利弊和博弈已持續(xù)多年，總體上，水利樞紐將抬高鄱陽湖低枯水位，可短時間內有效緩解湖區(qū)干旱缺水問題. 但水利樞紐的建設，無疑在很大程度上擾動了湖泊水文水動力條件，會導致不同湖域水深、流速和溫度變化[19]. 水動力要素的改變無疑會干擾碟形湖濕地系統(tǒng)內的地表-地下水相互作用，從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康維系. 近10年，由于氣候變化和人類活動的影響，鄱陽湖低水位頻現(xiàn)[28]. 在未來變化氣候條件下，鄱陽湖水位很有可能呈現(xiàn)“洪季偏洪，枯季偏枯”的變化趨勢[29]，可能會對地表-地下水之間的動態(tài)轉化以及水環(huán)境質量等產生不可估計的影響. 結合本文研究結果，不管是氣候變化還是強人類活動的干擾，建議應加強對秋、冬季濕地地下水位監(jiān)測與評估，比如江湖關系變化對鄱陽湖濕地系統(tǒng)地下水的影響方式與程度？擬建水利樞紐工程到底對地下水系統(tǒng)帶來多大影響或貢獻？未來氣候變化是否會進一步加劇地下水資源量的轉化？這些變化環(huán)境下的地下水問題對生態(tài)系統(tǒng)帶來多大影響與反饋？目前這方面研究幾乎屬于空白，理論和實踐上均未獲得足夠重視.

對于濕地系統(tǒng)，國內外在地表-地下水轉化關系以及交換量等方面取得了大量研究成果. 例如，Ludwig和Hession[30]通過基礎觀測數(shù)據(jù)探明了河流水情變化對Chesapeake洪泛濕地系統(tǒng)地下水具有主控作用，研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性地下水位變化對濕地演化等具有不可忽視的影響. Rahman等[31]采用SWATrw模型探討了印度/孟加拉國Barak-Kushiyara洪泛濕地地表-地下水之間的交互作用，發(fā)現(xiàn)河流水文對地下水的補給以及濕地水量的維持起主要作用. Whittecar等[32]以地下水補給涵養(yǎng)的美國弗吉尼亞濕地為研究區(qū)，基于水量平衡方法估算了地下水對濕地的補給量，認為地下水位波動對濕地系統(tǒng)水均衡變化具有重要影響. 雖然上述濕地系統(tǒng)與鄱陽湖洪泛濕地存在諸多差異，但均得出了季節(jié)性河湖水文情勢是導致濕地地下水變化的主要作用因素. 雖然碟形湖是本文研究區(qū)內的重要水體，考慮到碟形湖水位不僅受到河流來水影響，其自身變化也相對穩(wěn)定，加上湖床的弱滲透性，其對周邊地下水系統(tǒng)的貢獻度可能有限. 根據(jù)濕地地表-地下水之間的轉化關系以及飽和-非飽和流理論，Jolly等[33]定義了非飽和流-補給型濕地、飽和流-補給型濕地、飽和流-排泄型濕地以及飽和流-貫穿型濕地. 例如，美國North Dakota濕地自然條件下為貫穿型濕地，干旱則導致濕地持續(xù)補給周邊地下水，接受集中降水后則轉變?yōu)榕判剐蜐竦豙34]. 結合本文研究，補給和排泄仍是鄱陽湖濕地的主要轉化方式，但補排強度存在明顯差異，后續(xù)還應加強非飽和流的監(jiān)測與評估.

本文利用碟形湖濕地有限監(jiān)測點位開展了地表-地下水交互作用研究，目前的濕地觀測僅限于洲灘濕地的淺層地下水，深層地下水的流動也會對濕地系統(tǒng)的水文過程帶來難以想象的影響，但詳盡的地下水監(jiān)測與分析也極具挑戰(zhàn)性. 下一步工作需要充分利用目前已有基礎觀測資料，構建洪泛濕地的地表-地下水聯(lián)合模型，提升對地表-地下水轉化機理與動力學機制的認識，并以此耦合濕地生態(tài)模型，真正意義上探求濕地生態(tài)水文的互饋作用與效應. 本文實際上是針對碟形湖濕地系統(tǒng)的地表-地下水交換的側向通量加以分析，并沒有考慮兩者之間的垂向聯(lián)系與交互作用. 通過地表水體及其底層沉積物的溫度示蹤為垂直通量的合理估算提供了一種有效技術方法[5]. 本研究涉及的碟形湖濕地系統(tǒng)，蚌湖、沙湖和修水等主要地表水體溫度變化范圍為-3～32℃，地下水溫度變化范圍為14～19.8℃(圖9a)，不難發(fā)現(xiàn)，相對于地表水體，地下水的溫度變化要相對穩(wěn)定，且與地表水體溫度存在較大的季節(jié)性差異. 然而，上述觀測井中的地下水溫度還無法用來準確反映湖床/河床沉積物的真實溫度(圖9b). 因此，后續(xù)工作可以考慮采用溫度示蹤法開展鄱陽湖洪泛系統(tǒng)中地表-地下水垂向交換通量研究. 總之，未來可結合野外觀測、數(shù)學模型和示蹤等技術手段，依托多方法耦合的定量研究，從當前的局地尺度拓展到整個湖區(qū)，深入分析鄱陽湖洪泛區(qū)濕地的地表-地下水轉化問題.

圖9 碟形湖濕地系統(tǒng)地表-地下水溫度變化序列(a)和基于溫度序列的示蹤原理(b)Fig.9 Water temperature time series for surface water and groundwater in the Lake Poyang floodplain wetland during the study period (a) and basic theory for the thermal tracer method (b)

4 結論

鄱陽湖洪泛區(qū)濕地具有很強的地表和地下蓄水能力，地表-地下水交互研究對湖泊濕地水文和生態(tài)功能具有切實意義. 本文鑒于鄱陽湖洪泛區(qū)濕地的重要性以及地下水研究的相對薄弱性，主要利用原位綜合觀測、野外試驗、統(tǒng)計分析和達西定律等技術方法，探究鄱陽湖洪泛區(qū)碟形湖濕地系統(tǒng)的地表-地下水文特征、交互作用及其轉化通量. 結果表明，受鄱陽湖地形地貌等條件影響，研究區(qū)洲灘地下水位明顯低于碟形湖水位，但總體上略高于周邊河流水位，但洲灘地下水與河流、碟形湖等地表水體具有相似的水位變化動態(tài)，表明地表水和地下水之間可能具有密切的水力聯(lián)系. 統(tǒng)計分析進一步表明，在控制洪泛洲灘地下水動態(tài)方面，河流水文情勢變化對地下水系統(tǒng)的影響作用要明顯強于碟形湖. 平均意義上，研究區(qū)洲灘地下水對河流的補給通量及河流對地下水的補給通量分別約為0.4和0.2 m/d，總體上碟形湖補給周邊地下水系統(tǒng)，且兩者之間的交換通量基本小于0.1 m/d. 在季節(jié)尺度上，研究區(qū)地表-地下水之間的年累積交換通量變化范圍為7.5～48.2 m/a，河流-地下水的累積交換通量約是碟形湖-地下水交換通量的4～7倍，秋、冬季的累積交換通量要明顯大于春、夏季. 研究結果可為河湖濕地水資源管理、水環(huán)境治理及生態(tài)環(huán)境保護等方面提供科學支撐.

致謝：文中地下水位資料主要來自中國科學院南京地理與湖泊研究所張奇研究員團隊在吳城國家級自然保護區(qū)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，特此致謝.