地表水与地下水相互作用的温度示踪与模拟

刻画地表水与地下水的相互作用过程及精确计算二者的交换量始终是个挑战。温度示踪法的数据获取成本低且适宜密集与连续监测，可对地表水与地下水相互作用过程进行精细刻画；在进行地表水与地下水相互作用的水－热耦合模拟时，温度数据可进一步校正模型，降低模型的不确定性，以提高交换量的计算精度。本研究拟选取黑河中游典型河段，监测河水温度和河床沉积物内的水温，运用温度示踪法研究河水与地下水的相互作用过程，并将水流及热运移数值模型相耦合，利用多源数据进行模型校正，精细刻画地表水与地下水的交换量、水流途径、流速及其变化趋势和控制因素，为地表水与地下水相互作用研究提供新的模型与方法。项目的开展不仅可丰富水文地质学研究的理论与方法，而且在水文地球化学、生物地球化学、生态水文学中有着重要的科学价值，在水资源管理、地下水污染与防治及生态保护与建设等领域有着广泛的应用前景。

温度示踪法的数据获取成本低且适宜连续监测，可对地表水与地下水相互作用过程进行精细刻画；在进行地表水与地下水相互作用的水－热耦合模拟时，温度数据可进一步校正模型，降低其不确定性，以提高交换量的计算精度。本研究选取了黑河中游张掖临泽地区为研究地点，通过对该地黑河河水与地下水的水位、温度以及河床下不同深度处沉积物温度随时间变化的监测，分析了河水与地下水相互转换关系其及随时间的变化特点。研究结果表明：2011年6月至9月试验场地河水和地下水相互转换大的趋势上存在6次，在河水补给地下水或地下水补给河水的不同作用阶段，日温度包裹面会随不同的水流方向下移或上移，且整个月温度包裹曲线也清晰地反应出河水与地下水相互作用的不同过程。建立了研究区二维水热耦合数值模型，并利用水位和温度数据对模型进行了校正。利用校正后的模型计算了河水与地下水交换量随时间的变化、地下水垂向流速的时空变化特征及地下水流动途径随时间的变化特征。模型结果表明河水与地下水的交换量在0.02 m3/h 至0.04 m3/h 之间变化；水流速和流动途径也随着时间发生变化。. 河水与地下水相互作用带中水化学和同位素特征可以指示水分补给来源、含水层与河水的水力联系等，水化学与同位素示踪结果可与温度示踪结果进行对比验证。水化学数据和同位素数据都证明，距河岸20m处的地下水和河床下地下水明显受到了河水混合作用的影响。该地区河水和地下水δD、δ18O变化范围分别是-40~-65‰和-5~-10‰，样品点都落在大气降水线附近，说明大气降水是该地区地下水的主要来源。河水与地下水样品点混在一起，表明河水与作用带中水的混合作用。. 为了便于在河床下安装温度探头，多将其安装在长滤网监测井的不同深度处。但由于河床下垂向水流引起的混合作用，温度探头监测到的特定深度处的温度不能代表实际情况下的温度。为探讨该效应对温度示踪结果产生的影响，本项目开展了用砂槽模型来模拟野外情况下的水流及温度变化的室内实验，利用获取的水位及温度数据进行了定性及定量分析。结果显示如果将井中的垂向水流截断，监测井本身并不对水流场及温度监测结果造成成影响。但如果井管是贯穿的，井中水流的垂向运动导致温度示踪结果与实际情况发生偏差，计算流速比实际流速大83.72%，因此，在垂向水流占主导时井中流的影响不可忽略。建议野外研究中截断井中垂向水流通道以避免井中流的影响。