科技報告材料終結(jié)版

1、中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）第二十二屆科技論文報告會作品名稱：地表水與地下水相互作用的溫度示蹤法作品類型： 地學(xué)資源類 院 系：環(huán)境學(xué)院水文與水資源工程團隊成員：林晶晶 魏文浩 指導(dǎo)老師：孫 自 永目錄一引言2二國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2三創(chuàng)新點及假說3四溫度示蹤原理4五方案設(shè)計61研究思路及目標(biāo)62選擇研究區(qū)域73研究區(qū)概況7（1）地理位置7（2）水文條件8六數(shù)據(jù)來源8七數(shù)據(jù)分析81.大氣溫度、河水溫度與地下水溫度6月27-7月19日總趨勢對比分析82.實測水位數(shù)據(jù)分析河水與地下水之間的相互作用103.溫度示蹤法分析河水與地下水的相互作用10a.降雨條件下地下水補給河水階段（6月27日-7月1日）10b.河水

2、補給地下水階段（7月2日-7月10日）12c.河水與地下水相互作用交替頻繁階段（7月11-7月14日）12d.無降雨條件下地下水補給河水階段(7月15日-7月19日)14八結(jié)論及研究展望15九參考文獻16地表水與地下相互作用的溫度示蹤法摘要：目前，研究地表水與地下水相互作用較為有效的方法有示蹤法和數(shù)值模型法。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，這類方法有成本昂貴、受場地條件限制、易造成污染等缺點；對于數(shù)值模型法，目前的模型校正缺少一種便于密集與連續(xù)觀測的非水力學(xué)參數(shù)。因此，溫度示蹤法的提出具有重要的意義。運用溫度示蹤法原理設(shè)計野外實驗方案，對黑河中游進行一系列的溫度監(jiān)測，繪制溫度曲

3、線，與水位測量數(shù)據(jù)反映的地表水與地下水補排給關(guān)系對比，驗證了溫度示蹤法研究地表水與地下水相互作用的可行性。溫度示蹤法對地表水與地下水交換量的計算和地下水在空間分布特征的刻畫等也有重要意義。關(guān)鍵詞：地表水與地下水的相互作用、溫度示蹤法、數(shù)值模型、黑河、水位、熱運移一引言地表水與地下水相互作用的研究對于水資源的統(tǒng)一管理、水環(huán)境污染的防治、干旱和半干旱區(qū)水生及河岸生態(tài)系統(tǒng)的保護等十分重要。但由于地下水與地表水相互作用的復(fù)雜性，其觀測和量化仍然十分困難。目前研究地表水與地下水相互作用較為有效地手段是示蹤法和數(shù)值模型法。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，兩者的成本都較昂貴，且難以實現(xiàn)連續(xù)動

4、態(tài)監(jiān)測，同時，還可能導(dǎo)致環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境的破壞；數(shù)值模型法可定量計算地表水與地下水間的交換量，精細刻畫兩者的相互作用過程及動態(tài)變化，但目前的模型校正多用水力學(xué)參數(shù)，受參數(shù)觀測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。綜上所述，為了更好地觀測及精細地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)測的天然示蹤方法。同時，為了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)觀測的非水力學(xué)參數(shù)對其進行校正。因此，嘗試用溫度示蹤法研究地表水與地下水的相互作用具有較為重要的意義。要廣泛運用溫度示蹤法必須首先確定其可行性，這促使我們做了進一

5、步的探索。二國內(nèi)外研究現(xiàn)狀經(jīng)過翻閱各種文獻、期刊等資料，了解到熱流動理論在水文地質(zhì)學(xué)發(fā)展中占有很重要的地位，但熱作為地下水示蹤劑的研究卻很少。在20世紀初，科學(xué)家就意識到熱伴隨地下水運動，流經(jīng)沉積物及其他多孔介質(zhì)； 20世紀中期，國外就有水文地質(zhì)學(xué)家提出用溫度來指示地表水與地下水的相互作用，并開始探索其可行性。此后，又有相當(dāng)一部分水文地質(zhì)學(xué)家進行了相關(guān)研究，目前已經(jīng)具備了一定的理論基礎(chǔ)，但由于溫度測量操作上的困難，同時缺乏相應(yīng)的計算條件和程序，因而限制了熱作為地下水示蹤劑的應(yīng)用。近十余年來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，溫度測量儀器不斷改進，其成本也逐步降低，并有多個熱運移模擬程序相繼開發(fā)與發(fā)布，從而大

6、大促進了熱示蹤劑在水文地質(zhì)學(xué)研究中的應(yīng)用。例如： Bartolino（2003）分析了1996年9月至1998年8月美國新墨西哥州中部Rio Grande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給過程；Conant（2004）則利用詳細的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了加拿大安大略Augus地區(qū)Pine河某河段周圍地下水溫度的空間分布和動態(tài)變化特征，據(jù)此識別出河床中的五種水流運移途徑，從而首次詳細刻畫了地表水與地下水相互作用帶中水流的復(fù)雜性。然而，我國有關(guān)溫度示蹤法的相關(guān)研究很少，已有少量研究主要是利用庫水或河水與地下水之前的溫度差異來探測堤壩滲漏或基坑滲漏（

7、如：李端有等，2000；陳建生等，2002；董海洲和陳建生，2004）。三創(chuàng)新點及假說運用溫度示蹤法研究地表水與地下水的相互作用有許多優(yōu)勢：（1） 溫度對水流作用的反應(yīng)強烈且迅速，靈敏度高，測量精度高。（2） 熱信號是自然發(fā)生的，數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定，應(yīng)用范圍廣。（3） 熱傳導(dǎo)對沉積物結(jié)構(gòu)的依賴極低，幾乎不隨沉積物結(jié)構(gòu)的變化而變化。（4） 溫度指標(biāo)可在野外直接測量，監(jiān)測成本低，可設(shè)置大量監(jiān)測點，實現(xiàn)高密度監(jiān)測。（5） 溫度可以被連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)國內(nèi)外對溫度示蹤法的研究現(xiàn)狀，并考慮到溫度示蹤法具有諸多優(yōu)勢，我們初步提出溫度示蹤法可以用來研究地表水與地下水的相互作用，并希望能夠設(shè)計一種方案來驗證假說的正確性

8、。四溫度示蹤原理文中以河水代表地表水進行分析，考慮到可能存在的四種理想化的河床條件，分別代表四種典型水文條件下的河水與地下水相互作用模式。圖1和2中的河流是與當(dāng)?shù)氐叵滤到y(tǒng)存在水力聯(lián)系的常年性河流。圖3和4分別顯示的是枯水期及季節(jié)性河流補給地下水的情況。熱量通過滲透介質(zhì)在兩個質(zhì)點之間的傳遞包括三種方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。傳導(dǎo)熱運移可以用熱通量與溫度梯度間的線性關(guān)系來描述。對流熱運移是通過地下水的流動來實現(xiàn)的一種熱運移。輻射熱傳遞指物體間相互發(fā)射輻射能和吸收輻射能的傳熱過程。在地表水與地下水相互作用的過程中，熱量的傳遞主要是通過前兩種方式來實現(xiàn)的。在下面四幅圖中，將用三組曲線表征某時段內(nèi)河水水位

9、變化（右側(cè)）、河水溫度變化（左上）以及地下水的溫度變化（左下），以便說明溫度示蹤法的原理及進行相關(guān)推斷。stream flow-流量temperature-溫度stream Gage-水位測量儀piezometer-測壓管（注：測壓管內(nèi)安裝溫度記錄儀）圖1 地下水補給河水圖1（A組）提供的是地下水補給河水時溫度示蹤原理圖，此時水力梯度是向上的。河水受大氣溫度、降水等自然因素的影響晝夜溫度變化顯著，河床下方沉積物中的地下水因為河水振蕩對流產(chǎn)生的熱傳遞而呈現(xiàn)與河水相似的溫度波動曲線，但是，地下深處向上傳導(dǎo)的熱在晝夜尺度上相對穩(wěn)定,對河床沉積物溫度波動起到了一定的緩沖作用，使其溫度波動與河水溫度波動

10、呈負相關(guān)關(guān)系。stream flow-流量temperature-溫度stream Gage-水位測量儀piezometer-測壓管（注：測壓管內(nèi)安裝溫度記錄儀）圖2 河水補給地下水圖2（B組）提供的是河水補給地下時溫度示蹤原理圖，此時水力梯度是向下的。河水下滲將溫度信號傳遞給河床沉積物，向下對流的熱量導(dǎo)致河床沉積物溫度不再相對穩(wěn)定，而將發(fā)生晝夜波動，且波動規(guī)律與河水溫度波動規(guī)律相似，地下水溫度與河水溫度呈正相關(guān)關(guān)系。與地下水補給河水（A組）情況下相比，由于地下水不再補給河水，河水的溫度波動不會受到具有較穩(wěn)定溫度地下水對其波動的削弱，此時（河水補給地下水時），河水溫度波動振幅要比地下水補給河水

11、時的溫度波動振幅大。stream flow-流量temperature-溫度stream Gage-水位測量儀 piezometer-測壓管（注：測壓管內(nèi)安裝溫度記錄儀） 圖3 枯水期 圖3（C組）提供的是枯水期熱示蹤的原理圖。由于氣候等因素的影響，河床溫度有較大的晝夜變化，而干的泥沙（河床沉積物）傳遞熱的能力小于濕的泥沙傳遞熱的能力，因此與河水補給地下水（B組）情況下相比，河床上部自然因素對河床沉積物溫度影響的深度范圍將縮小，即只對相對更淺層的沉積物的溫度有一定影響；同時，河床沉積物的溫度波動幅度相對減小。stream flow-流量temperature-溫度stream Gage-水位測

12、量儀piezometer-測壓管（注：測壓管內(nèi)安裝溫度記錄儀）圖4 季節(jié)性河流 圖4（D組）提供的是季節(jié)性河流溫度示蹤原理圖，不同于枯水期河床晝夜變化的溫度信號，標(biāo)志著較短時間內(nèi)河水迅速補給地下水。季節(jié)性水流出現(xiàn)時將迅速向地下補給，其攜帶的溫度信號使河床溫度產(chǎn)生劇烈的波動，此時表現(xiàn)為河床沉積物溫度曲線突然出現(xiàn)較水流到達前更大幅度的波動，當(dāng)水流下滲完全之后河床沉積物的溫度變化曲線將恢復(fù)水流匯入之前的波動幅度。五方案設(shè)計1研究思路及目標(biāo)選取典型的研究區(qū)域，在研究區(qū)對河水溫度、地下水溫度大氣溫度及降雨量進行連續(xù)監(jiān)測，同時，對河水與地下水水位進行連續(xù)監(jiān)測。選擇某一時段的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制溫度曲線和水位曲線研

13、究河水、地下水及大氣的溫度數(shù)據(jù)，繪制溫度曲線，綜合考慮氣候等自然因素、結(jié)合所繪制的溫度曲線、運用熱示蹤原理分析河水與地下水的補排給關(guān)系；另外，根據(jù)水位曲線分析出相應(yīng)時段內(nèi)河水與地下水的補排給關(guān)系。將溫度示蹤法分析結(jié)果與根據(jù)水位線確定的結(jié)果進行對比，驗證假說是否成立。2選擇研究區(qū)域研究區(qū)選在黑河流域河西走廊張掖盆地內(nèi)的黑河河段，選擇研究區(qū)平川鄉(xiāng)附近的黑河河段作為控制河段，控制河段總長約3km，上游以設(shè)有平川水文觀測站的平川橋為界。在控制河段內(nèi)選擇兩個垂直于河流流向的橫斷面作為觀測剖面。研究區(qū)的選擇主要基于以下考慮：（1） 黑河中游河段河水與地下水的相互作用極具典型性，不同季節(jié)河水與地下水相互轉(zhuǎn)換

14、頻繁（聶振龍，2004），且轉(zhuǎn)換量較為客觀（Hu et al.，2007）。（2） 研究區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，降水稀少，綠洲對河水及河岸帶地下水具有極強的依賴性，河水與地下水相互作用的生態(tài)水文效應(yīng)顯著，相關(guān)研究成果對該區(qū)生態(tài)保護與建設(shè)具有重要的應(yīng)用價值。（3） 受氣候條件及河水補給條件的影響（黑河主要受大氣降水和冰雪融水的補給），黑河河水晝夜溫差、年內(nèi)溫差均較大，且研究區(qū)地下水埋深較淺，受河水溫度影響較顯著，為溫度示蹤的研究提供了天然實驗場所。3研究區(qū)概況（1）地理位置研究區(qū)位于中國內(nèi)陸河黑河中游干流（圖5），屬于河西走廊中段山前綠洲河谷平原（E39°10-39°40，N9

15、9°50-100°20，海拔1741m）。圖5 研究區(qū)地理位置圖（2）水文條件降水稀少、蒸發(fā)強烈，其氣候?qū)儆诖箨懶詼貛Ц珊禋夂颍瑲夂蛱卣魉募痉置?，春季升溫快，夏季炎熱而短暫，秋季降溫較慢，冬季寒冷而漫長。多年平均降水量116.3mm，約65%的降雨分布在7、8、9月份，只有3%集中在冬季，降雨強度很弱；空氣相對濕度46%，氣候干燥，蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量2390mm，約為降雨量的20倍；年平均氣溫為7.7，最高達39.1，最低為-27.3，氣溫日差較大。六數(shù)據(jù)來源1黑河研究區(qū)野外實地監(jiān)測記錄。2河水溫度取自河床中部河水溫度，地下水溫度取自距河岸20m處的1號觀測井中埋深1.4

16、5m處地下水溫度。3溫度和水位數(shù)據(jù)分別由自動溫度采集器、自動水位采集器連續(xù)記錄，記錄間隔為15min。4.降雨的相關(guān)數(shù)據(jù)從當(dāng)?shù)貧庀缶质占Ｆ邤?shù)據(jù)分析1.大氣溫度、河水溫度與地下水溫度6月27-7月19日總趨勢對比分析降雨圖6 研究區(qū)大氣、河水及地下水溫度變化曲線圖（6.27-7.19）【分析說明】從圖6中總結(jié)規(guī)律如下：（1） 大氣溫度在晝夜尺度上不斷變化，降雨（降雨數(shù)據(jù)見表1）使大氣平均溫度降低。（2） 在6.27-7.19這一時段內(nèi)大氣與河水溫度變化趨勢保持一致，且兩者溫度曲線基本服從正弦變化，說明河水溫度主要受大氣溫度控制，在晝夜尺度上變化顯著。（3） 河水溫度與大氣溫度在局部時段內(nèi)波動振

17、幅的相對大小變化有差異，說明在局部時段內(nèi)河水溫度受到了除大氣之外的其它因素的干擾。（4） 地下水溫度與河水溫度在局部時段內(nèi)呈正相關(guān)（例如虛線箭頭標(biāo)識的區(qū)間）或者負相關(guān)（例如實線箭頭標(biāo)識的區(qū)域）。同時，結(jié)合規(guī)律（2），判斷這種變化及相關(guān)性可能是在降雨、氣候等綜合條件下由河水與地下水相互作用所引起的。表1：研究區(qū)部分降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)表日期樣品編號降雨起止時間采樣時間降雨量R-StartEndMM-DD-hmlmm2011/6/24R-222:0623:406月25日 6:106.50.382011/6/25R-319:306月26日 6:1534.42.032011/6/28R-417:106月29日

18、 6:10128.57.582011/6/30R-56:0017:406月30日 19:00160.942011/7/2R-615:3018:007月2日 21:00223.613.182011/7/3R-76:009:307月3日 10:001.50.092011/7/3R-819:40次日12:007月4日 12:10184.510.882.實測水位數(shù)據(jù)分析河水與地下水之間的相互作用圖7 研究區(qū)地下水及河水水位變化曲線圖（6.27-7.19）【分析說明】圖7中，由水位的相對高低可以確定河水與地下水相互作用類型。當(dāng)河水水位高于地下水水位時，河水補給地下水；當(dāng)河水水位低于地下水時，地下水補給河

19、水。根據(jù)圖7，可判斷河水與地下水的相互作用類型與時段的大致對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。表2：河水與地下水補排給關(guān)系與時段粗略對應(yīng)關(guān)系表時間6月27日-7月1日7月2日-7月10日7月11日-7月14日7月15日-7月19日水位關(guān)系河水低于地下水河水高于地下水相對位置變化頻繁河水低于地下水補給關(guān)系地下水補給河水河水補給地下水相互作用交替頻繁地下水補給河水3.溫度示蹤法分析河水與地下水的相互作用a.降雨條件下地下水補給河水階段（6月27日-7月1日） 圖8 降雨條件下地下水補給河水時段溫度變化曲線圖 【分析說明】 從圖8中總結(jié)規(guī)律如下：（1） 河水溫度變化與大氣溫度變化總體趨勢一致。前面已經(jīng)分析出此段時

20、間內(nèi)有間歇降雨，可以發(fā)現(xiàn)，降雨集中時段內(nèi)晝夜溫差變小，進而使得大氣及河水溫度變化幅度相對減小。但在局部時段，河水溫度變化與大氣溫度變化稍有不同。（2） 地下水溫度不隨河水溫度變化而變化。說明此時河水沒有補給地下水。（3） 地下水溫度在6月27日到6月30日之間呈略升高趨勢，變化不大，變化范圍僅為0.6，可能是地下水向上運移所致，但難以確定這一時段內(nèi)地下水溫度對河水溫度波動產(chǎn)生了緩沖，可能原因有兩方面：降雨（詳情見表1）使其晝夜變化幅度減小或地下水補給河水的量較少。（4） 7月1日在研究區(qū)無降雨，地下水溫度在某一短暫時段內(nèi)沒有發(fā)生變化，此后迅速與河水溫度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，因此推測河水與地下水相互作

21、用在很短一段時間內(nèi)達到了動態(tài)平衡，并隨繼發(fā)生了交替，由之前的地下水補給河水轉(zhuǎn)變?yōu)榱撕铀a給地下水。溫度示蹤在這一時段的分析結(jié)果與水位數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果一致。b.河水補給地下水階段（7月2日-7月10日）圖9 河水補給地下水時段溫度變化曲線圖 【分析說明】從圖9中，總結(jié)規(guī)律如下：（1） 降雨在7月4日結(jié)束，大氣溫度開始回升，所以在該時段內(nèi)總體呈現(xiàn)升高趨勢，且氣溫回升較快，河水溫度變化趨勢與大氣溫度一致，但相比氣溫回稍有滯后。（2） 在該時段內(nèi)地下水溫度不再在某一個值附近相對穩(wěn)定，其溫度變化趨勢與河水溫度趨勢呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。這很可能是河水補給地下水時溫度信息在其間傳遞所致。這與實際情況也是相符合的

22、，多天降雨使河水上漲，水位升高，當(dāng)河水水位高于地下水就會對地下水產(chǎn)生補給。同樣，溫度示蹤在這一時段的分析結(jié)果與水位數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。c.河水與地下水相互作用交替頻繁階段（7月11-7月14日）圖10 河水與地下水相互作用交替頻繁時段溫度變化曲線圖 【分析說明】 從圖10中，總結(jié)規(guī)律如下：（1） 大氣溫度變化趨勢服從正弦變化規(guī)律，但河水溫度變化趨勢不再服從簡單的正弦變化規(guī)律，同時，地下水溫度變化與地下水溫度變化在局部呈現(xiàn)正相關(guān)或負相關(guān)，以上變化可能是河水與地下水相互作用頻繁交替所引起的。（2） 實線箭頭之前時段內(nèi)，河水溫度變化趨勢服從正弦變化，地下水溫度保持恒定，這說明地下水溫度與河水溫度幾乎沒

23、有發(fā)生相互作用，即此時段內(nèi)河水與地下水相互作用達到了動態(tài)平衡。（3） 實線箭頭與虛線箭頭標(biāo)識的中間時段內(nèi)，河水溫度與地下水溫度呈負相關(guān)關(guān)系，這可能是地下水補給河水所致。（4） 虛線與虛線所標(biāo)識的中間時段內(nèi)，河水與地下水溫度變化趨勢呈正相關(guān)關(guān)系，這可能是河水補給地下水所致。（5） 第二個虛線箭頭之后時段內(nèi)，河水溫度變化趨勢又開始服從正弦變化，而地下水溫度變化與其不再存在明顯的相關(guān)性，說明此時段內(nèi)河水與地下水相互作用又達到了動態(tài)平衡。地下水溫度仍有微小的增加趨勢，可能是前一時段河水補給地下水在該時段內(nèi)的滯后效應(yīng)。同樣，溫度示蹤在這一時段地分析結(jié)果均與水位數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致。d.無降雨條件下地下水補給

24、河水階段(7月15日-7月19日)圖11 無降雨條件下地下水補給河水時段溫度變化曲線圖 【分析說明】 從圖11中，總結(jié)規(guī)律如下：（1） 河水溫度變化趨勢與大氣溫度變化趨勢不完全同步，在大氣溫度趨勢線達到第二個波峰時，河水溫度趨勢線才剛剛達到第一個波谷，這說明在這段時間內(nèi)河水受到了除大氣之外的某種因素的影響，對其波動起到了一個緩沖作用。（2） 在7月15日大約前1/2時段（箭頭指示之前時段）內(nèi)河水與大氣溫度變化是同步的，同時，結(jié)合前一時段中7月14日的溫度趨勢線，可以看到地下水溫度與河水溫度沒有呈現(xiàn)出相關(guān)性，說明在這一相對較短的時段內(nèi)河水與地下水相互作用處于動態(tài)平衡當(dāng)中。（3） 在短暫的動態(tài)平衡之后，河水溫度趨勢線的變幅較動態(tài)平衡時減小，可能是因為地下水向上補給河水對河水溫度的波動起到了一個緩沖作用。（4） 地下水溫度且地下水溫度變化趨勢與河水溫度變化趨勢呈較明顯的負相關(guān)關(guān)系，也進一步說明此時可能是地下水在補給河水。（5） 與降雨條件下的地下水補給河水相比，無降雨條件下地下水對河水溫度波動的削弱作用更顯著，推斷其原因可能是降雨使河水水位與地下水水位相應(yīng)升高，其水位差較小，相互作用速度相對緩慢且強度較弱