地表水-地下水交互机制研究

李忠媛

(北票市水资源办公室，辽宁 票市 122100)



地表水-地下水交互机制研究

李忠媛

(北票市水资源办公室，辽宁 票市 122100)

地表水与地下水之间的水质与水量交互是影响区域水文过程及维护区域生态系统平衡的重要机制。文章通过对辽宁省某研究区湿地地下水与地表水作用交互的内涵及相关影响因素和界面效应以及模型等进行分析，以期为研究区生态系统维护及提高湿地生态效益奠定积极的理论和实践基础。

地表水；地下水；交互机制；作用；影响因素

湿地是一种独特的区域生态系统，它以地上水和地下水循环为核心，通过与周边生态环境系统进行物质交换及能量交换和信息交换，从而驱动区域不同生态系统景观格局以及物质元素进行循环演变，以此维护生物多样性以及保持生态系统平衡。正是在此现实需求驱动下，Eco-hydrology(湿地生态水文学)理论产生，这一理论以植物和水分之间的相互交互循环为基础，通过对地表水以及地下水和大气降水及土壤水分之间的相互影响过程进行分析，从而为湿地生态系统维护提供一种多样化的保护视角。但是，在实际研究过程中，地下水与地上水之间的交互涉及到水文地质及地质学和水文地球化学等诸多学科理论。因此，文章将重点基于交叉学科的研究视角，就辽宁省某研究区湿地地下水与地表水之间的交互作用过程及相关影响因素进行研究，以此制定维护区域生态系统平衡的良好模式[1]。

1 地表水-地下水交互尺度

如果从湿地生态水文学的角度来看，地表水-地下水交互主要是基于水动力学过程，在特定的区域内以及特定的时间范围内，某研究区湿地通过SW-GW交互作用模式，按照水动力学机制进行物质转化与能量转化和信息转化。因此，从这一基本概念入手，地表水和地下水在实际交互过程中，需将其置于特定的实践范围内以及空间尺度中进行考察研究。通常而言，湿地水文运动变化周期受该地区地表径流量及当地气候变化和地下水水位以及地下水开采和湿度补、排水等过程影响，从而导致湿地地下水与地表水在水循环交互过程中，具有季节性以及地域性和年际性等多种变化特征。因此，在对区域湿地地下水和地表水作用交互机制进行研究时，首先需要科学确定研究区湿地SW-GW交互过程尺度。

一般情况下，区域湿地地表水与地下水在实际交互过程中的主要尺度分别包括沉积物以及接触带和盆地-流域3种。

1)第1种尺度中，地表水与地下水相互交互过程体现在微观界面多孔介质内的渗流以及生物过程和化学反应过程等方面。

2)第2种尺度，主要反映了研究区湿地地表水与地下水流系统水量交换及水力接触和水化学演变等过程。

3)而在盆地-流域这一交互尺度中，由于湿地地下水通过下降流以及上升流的运动形式链接地表湖泊和湿地群，从而形成水力联系非常密切的交错走廊。

因此，上述3种不同交互尺度，对地下水和地表水地球化学演变过程具有重要的驱动作用。地表水-地下水几种不同的交互尺度示意图见图1所示：

图1 地表水-地下水交互尺度示意图

2 地表水-地下水交互形式

文章结合上述几种不同的地下水和地表水交互尺度，将二者相互作用交互的形式划分为以下2种不同类型:

1)一种是基于饱和流与非饱和流的补给型湿地。这种类型的交互形式多见于一些季节性湿地系统。由于湿地地下水面与地下垫面之间存在不连续的非饱和空间。因此，湿地下垫面与含水层之间直接连通，在此地质类型中，湿地周边地下水水位要低于湿地基础水位，在交互作用过程中，湿地水体成为周边地下水的重要补给来源[2]。

2)另一种交互作用形式为基于饱和流的贯穿型湿地与排泄型湿地。在这种形式的交互过程中，湿地地下水的重要补给形式为四周地下水补给。由于地下水水力梯度方向与地下水流畅方向保持一致。因此，导致湿地在接受地下水补给过程中，地下水流贯穿整个湿地。在上述两种不同的湿地系统交互形式中，由于地下水与地上水循环交互过程受人类社会实践活动与气候变化过程影响。因此，导致湿地地下水与地上水之间的交互作用过程具有一定的时空变异性。地表水-地下水交互主要形式见图2所示：

图2 地表水-地下水交互主要形式

3 地表水-地下水交互机制

从上述地表水-地下水交互主要形式图示中可以看出，饱和流与非饱和流是SW-GW交互作用过程中的两种主要渗流特征。由于非饱和渗流这一水动力学交互过程具有代表性和特殊性。因此，文章主要针对非饱和流这种交互作用形式进行分析，通过质量守恒定率以及二相渗流运动微分方程，经过选取湿地生态系统非饱和流毛细压力及饱和度、渗透率等几大指标，构建Richard方程，从而对该研究区生态湿地非饱和流地下水与地表水水循环交互过程进行计算分析，具体公式为：

(1)

式中：θ为湿地土壤实际含水量；t时间为时间；K为非饱和渗透系数；H为压力水头；Z为位置水头；q为源汇项。

在实际研究分析过程中，文章基于Richard方程，将湿地饱和流交互运移过程分为相对渗透率、饱和度及毛细压力3个不同的计算推导过程，然后将这3个不同计算过程视为一个统一、连续的交互整体，使其与湿地多孔介质中地下潜水渗流交互作用过程的Boussinesq方程相吻合，以此对湿地地下水与地表水水动力循环过程及交互作用过程进行水动力学控制。具体公式如下所示：

(2)

式中：x方向的饱和渗透系数为Kxx；y方向的饱和渗透系数为Kyy；z方向的饱和渗透系数为Kzz；h为湿地实际水位；W为源汇项；μ为含水层给水度。

4 地表水-地下水交互机制影响因素

4.1 水文地质条件因素对地表水-地下水交互机制的影响

本文在对地表水-地下水交互机制影响因素进行分析时，首先通过对湿地地形地貌以及水文地质进行考察，以此就二者对地表水与地下水水文交互作用机制造成的影响进行研究[3]。由于湿地地下水与地表水交互作用首先取决于地形地貌以及地质等构成地下水循环生态系统的基础条件，同时地形地貌在一定程度上对湿地水文过程以及生态系统发育演变具有控制作用。因此，高海拔地区的基岩山是区域地下水流系统的源头区，而在这种地质地貌条件下，一般会形成补给型湿地。相对于高海拔的基岩山区而言，平原地区地形较为低洼，因此容易汇集区域地下水。故在这种地质条件下，经常会形成贯穿型湿地。因此，地貌和地质类型不同，湿地的具体形成与变化过程也存在一定差异[4]。

除了上述地形地貌等基本影响因素外，区域水文地质也会对研究区地表水以及地下水交互作用机制产生重要影响。就水文地质对区域湿地地下水与地表水交互作用机制造成的影响进行分析时，本文主要通过选取地下水生态循环系统的含水层水利特性以及岩性结构和水文地质条件3个主要影响因子进行考察，最终发现水头差以及水力梯度和含水介质特性等，会对地下水和地表水交互作用机制的强度造成影响，在该湿地研究区中，汇源项分布以及地下水和地表水交互作用的路径受湿地水力梯度影响，而湿地地下含水层特性，比如渗透率会对湿地SW-GW交互机制程度产生影响，从而导致该研究区地下水与地上水的补排关系完全相反。

但是，通过对上述两大影响因素进行分析，可以发现在实际交互机制中，相关影响尺度与影响因子具有层次性和多样性。因此 导致不同的地质地貌景观类型和湿地水文单元发育程度不同，特别是沉积物尺度下的微观界面交互机制演变过程，除了受上述几种因素影响外，还会受到介质孔隙结构以及矿物质组成和水-岩等基本物质单元构成要素的影响。

4.2 水文变化因素对地表水-地下水交互机制的影响

水文情势在一定程度上能够准确反映区域湿地地下水循环生态系统运动的活跃程度。由于在特定时空条件下，岩层结构以及岩性等地质条件具有相对稳定性。因此，湿地地下水与地上水交互作用过程主要受外部环境变化影响，比如受人类社会实践活动与气候条件等双重影响，导致湿地地下水与地表水交互机制在一定条件下呈现出不同的时空分布差异特征[5]。一方面，气候变化会从宏观层面上影响区域地下水分布，同时也会在一定程度上严重影响区域降水量以及湿地水分蒸散过程，由此导致地下水径流过程产生较大变化，最终引发一系列生态问题。比如，湿地面积萎缩及湿地盐碱化等，尤其是在枯水期与丰水期，湿地地下水与地表水循环交互过程，会明显受研究区气候因素影响。

4.3 人类社会实践活动因素对地表水-地下水交互机制的影响

另一方面，在上述气候条件影响下，人类社会实践活动对区域湿地地下水与地表水交互机制造成的影响不能忽视。在此作用过程中，渠系等输水改造工程直接会对湿地的地下水补给产生影响[6]。尽管在此改造中，渠道引水能够增加湿地径流量，但是由于人类直接开发和利用地表水以及地下水，因此会导致湿地地下水储存量大幅减少，从而引发湿地面积萎缩等生态恶化现象。与此同时，大量的工业废物排放，会使湿地地下水中的重金属污染元素不断增多，从而会影响甚至阻断湿地地下水与地表水交互作用过程。因此，对地下水和地表水交互机制进行研究，能够在一定程度上认识气候以及人类活动对地下水循环生态系统平衡性产生的具体影响，从而为合理展开社会生产实践活动提供重要指导。

5 地表水-地下水交互效应

通过以上对几大主要影响因素进行考察分析，本文认为应当从微观层面与宏观层面分别考量地表水-地下水交互作用的界面效应。首先，湿地地表水-地下水交互作用的界面效应表现为湿地多孔介质特征分异；其次，湿地地表水-地下水交互作用的界面效应表现为水文地球化学演化。湿地地下水与地上水交互在本质上是一种生物地球化学行为[7]。因此，交互作用机制不同，会导致湿地不同交互物质元素在时空分布方面呈现出不同的迁移转化规律。除此之外，湿地地表水与地下水在交互过程中，会改变水分以及碱度和pH值等。因此，其会在一定程度上影响湿地地下水环境中的生物群种类和数量等[8]。

6 结 语

综上所述，实践研究表明，在该研究区湿地区域中，影响区域地下水与地上水交互作用这一过程的主要因素，是研究区地下水文及当地地质条件等。与此同时，气候变化也是影响湿地地表和地下水交互作用的一大因素。因此，在湿地生态系统维护及地下水、地表水综合开发利用过程中，要注意对湿地地下水文以及水质和气候影响因素进行调节和控制，以此避免外界不良干扰因素对当地湿地生态系统的平衡性造成严重破坏和影响。

[1]李学森.凌河流域水资源现状及保护措施[J].水土保持应用技术，2015(03)：36-37.

[2]高素丽.辽阳市水资源开发利用和管理保护对策[J].水土保持应用技术，2011(04)：45-47.

[3]白洁娜.基于T-S模型的神经网络在节水灌溉技术选择中的应用[J].水利技术监督,2016(01):40-42.

[4]宋小波,蔡新,杨杰.基于改进AHP法的水闸安全性模糊综合评价[J].水电能源科学,2013(02):174-176，137.

[5]夏云林.农田水利节水灌溉技术浅析[J].水利规划与设计,2015(09):45-47.

[6]李军,蒋世琼.基于改进AHP法的道路选线风险评估研究[J].安全与环境学报,2013(01):246-249.

[7]王春素.高效节水灌溉措施及效益评价[J].水利技术监督,2014(04):50-52.

[8]宋岩,刘群昌,江培福.基于改进AHP模糊物元模型的农业用水效率评价[J].人民长江,2013(22):30-33.

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，辽宁北票人，工程师，从事水资源论证及调查评价、地下水监测、水文预报、水文水资源管理等工作。

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