地表水與地下水聯動關系研究綜述

雷曉輝，劉柏君,2，權 錦，王 浩

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003)

0 引 言

隨著流域經濟的快速發展，水資源更加稀缺，已然成為制約區域發展的瓶頸。特別是我國典型的干旱區流域，生態脆弱，生物多樣性差，對水資源依賴程度高，在人類活動加劇、過度開采地下水的情況下，已經發生了土壤鹽漬化、沙漠擴張、胡楊林死亡等生態問題[1-3]。當前，隨著跨流域調水工程的建設及運行，導致地表水與地下水間的聯動關系越來越頻繁。面對水資源可持續利用的壓力與問題時，為了更加準確、合理地對當地水資源進行統一規劃與管理，學術界認為應該在社會經濟和諧發展、水資源有效利用和保護生態系統完整性的前提下，將地表水與地下水看成一個完整系統來考慮[4-6]。而地表水與地下水作為一個復雜的整體系統，相互存在著緊密的水力聯系和頻繁的交互關系[7]，其聯動作用規律一直是水文學和地質學的研究前沿。此外，氣候變化和人類活動作為流域水文過程最主要的影響因子，對流域水文循環及水資源分配有著顯著的影響。進入20世紀以來，伴隨著工業化進程，溫室氣體大量排放，全球地表氣溫逐年升高，據統計，中國年均氣溫將升高0.5～0.8 ℃，高于同期全球平均值(0.6±0.2 ℃)，其中西北地區升溫明顯。同時，降雨年際波動增強，極端降雨事件頻發，土地利用形式改變，打破了流域地表與地下轉化關系。將地表水與地下水間的聯動關系作為一個完整的系統開展研究，這對完善流域水文循環理論具有重要的科學意義[8-11]。由于地表水和地下水聯動關系研究涉及到的內容比較廣泛，缺乏對相關研究成果的總結，因此，梳理及歸納相關研究內容，提出當前面臨的主要問題與挑戰，對未來開展地表水與地下水研究指明方向。

1 地下水模擬研究

在地下水資源緊張及利用難度較大的地區，需要開采地下水來滿足經濟發展需求。準確模擬地下水資源對于水資源調度有著很大的影響。因此，Darcy[12]于十九世紀中葉就通過多年的實驗，總結出地下水運動研究的理論基礎-達西定律。隨后，Dupuit[13]基于達西定律，將潛水流動狀態概化，提出了只考慮水平分運動速度的計算方程，即地下水穩定流理論至此而始。F.Hanm[14]在1886年將等勢面引入地下水運動的描述中，利用調和方程變換求解，豐富了人類針對地下水運動的數值描述。Boussinisq在1904年用一種非線性拋物線型偏微分方程來描述地下潛水在各個維度的運動和具有不同滲透性的巖層流動，極大地豐富了地下穩定流理論。對于較為復雜的地下水非穩定流態， Theis[15]于1935年為了解決井流問題，首次探究了在均質含水層的井水位降深儲水系數、抽水量、導水系數與抽水時長間的相關關系，從而建立了用于計算非穩定流的泰斯方程。到了20世紀50年代，Jacbo和Hantuoh等[16]人通過建立非均勻介質地下水非穩定井流模型解決了地下水在不同含水層間越流補給的問題。隨著科學技術的發展，偏微分方程可以通過計算機編程得到接近實際的數值解[17]，因此，針對地下水方程的有限差分法(FDM)，有限元法(FEM)，邊界單元法(BEM)和有限分析法(FAM)等數值解法應運而生[18]。目前應用最為廣泛的是有限差分法和有限元法。有限差分法的基本思想是將方程邊界內的區域按一定步長得到有限個離散點，用這些點的集合代替整個范圍，這些點的差商近似等于偏導數，將偏微分方程變為線性方程求解。在19世紀60年代中期，有限差分法憑借其簡明、易操作、計算快、好實現等優勢在計算機平臺上得到了廣泛使用[19-22]。但是，有限差分法受到其離散和網格劃分的制約，在地下水溶質運移、非均質含水層及不規則含水邊界等問題上處理較難[23]。有限元法是我國數學家馮康[24]在1965年創建的，其基本思想是采用插值近似使控制方程通過積分形式在不同意義下得到近似的滿足，把研究區域轉換為有限數目的單元而列出計算格式。在有限元法被用于地下水計算中后得到了長足的發展，比如，Jevendal等人在1968年用有限元法求解了非穩定流問題，Capta等人在1976年用三維等參數有限元法對多層地下水進行了數值模擬[25]。

在近幾十年里，計算機建模是地下水模擬的主流，而 Visual MODFLOW成為了目前國際上最流行且被各國一致認可的三維地下水流和溶質運移模擬評價的可視化模型。該模型是由加拿大Waterloo水文地質公司在原MODFLOW軟件的基礎上應用現代可視化技術開發研制的，界面可操作性強、簡化的二維地質建模過程及有限差分法的鑲入等特點都使其在國內外得到了廣泛應用[26-30]。比如，Facchi[31]在波河平原將包氣帶模型與MODFLOW相耦合，更好得模擬了灌溉用水對于地下水的影響。Saghravani和Seyed Reza等[32]在馬來西亞大學工程試驗區，人工控制施肥，利用Visual MODFLOW模擬了磷在地下潛水中的運動，得到了施肥過程與地下水中磷元素運移的相關關系。Mondal和Singh等[33]將Visual MODFLOW和MODPATH相結合，模擬了Kodaganar流域上游的地下水函數層溶質的運移過程，預測了20年后的污染物濃度。Juan等人[34]通過Visual MODFLOW對杰克遜涵洞(Jackson Hole)的沖積含水層進行了地下水數值模擬，并通過地下水均衡項對比分析校準了該模型。Baharuddin等人[35]同樣利用Visual MODFLOW對邊坡水滲流過程進行了模擬。我國的武強等[36]首次對Visual MODFLOW的特點進行了詳細的梳理，并在開灤東歡坨礦進行了涌水模擬，取得了較好的效果。2002年，束龍倉等[37]通過該模型，計算了普拉特河(Platte River)與周邊地下水的水量交換，得到了地下水補排差異。賈金生等[38]建立了栗城縣地下水數值模型，計算了農業開采量變化下的地下水水位變化過程，得到了華北平原地下水的動態規律。干旱灌區由于地下水的過度開采，出現了土壤鹽漬化等問題，需要展開大量的研究。尹大凱等[39]采用建立了寧夏銀北灌區三維模型，探究了該區域地下水對灌區渠道引水和機井抽水的響應機制。吳吉春和陸樂[40]在2011年根據地下水模擬不確定的來源，量化了地下水概念模型的不確定性，證明了模型結構的偏差是造成不確定性增加的重要因素。此外，陸垂裕等[41]利用MODCYCLE模型探究了半干旱地區-通遼市平原區的地下水補給規律，為半干旱區地下水資源評價提供了一種可靠的方法。粟曉玲等[42]通過構建水資源時空優化模型與地下水數值模擬模型的耦合模型，獲得了針對渠井灌區地下水位控制的不同水文年地表-地下水優化配置方案。同樣，魏光輝等[43]在新疆希尼爾水庫周邊區域建立了基于自記憶方程的地下水埋深預測模型，結果證明該模型模擬地下水效果較好。因此，可以看出，地下水模擬研究取得了良好的發展，這也為區域地下水資源管理提供了有力的理論支撐。

2 環境同位素在地表-地下水轉換的應用研究

20世紀50年代末國際上出現了“Isotope Hydrology”這個術語，繼而國內外學者開始把同位素技術應用于水文學及水資源專業領域中，通過研究水體本身以及水中某些溶解鹽類同位素組成來獲取常規方法不易得到的來源性或轉化關系等信息[44-46]。陳建生與汪集旸[47]認為同位素技術在解決當前全球所面臨的水資源短缺及水環境惡化等問題上具有獨到之處。由于土壤滲透性變化較大，很難依據水體的實際遷移情況來揭示其中的水位差異。不同來源的水分有著不同的氫氧同位素組成，未發生同位素交換的地下水，其同位素組成一般與補給水相同，而交換作用使得地下水的同位素組成發生變化，因此可以通過分析同位素含量的差別探究地表水與地下水之間的聯動關系。目前的研究中，環境同位素廣泛存在于自然界的各種水體如地表水、地下水及降雨等水循環過程中，在地表水與地下水的聯動關系研究中，主要使用的是穩定同位素氧-18(18O)、氘(D)、碳-14(14C)及放射性同位素氚(T)等[48]。

在干旱半干旱的地區，河水受到強烈蒸發進而造成同位素富集，因此必定與研究區降水中同位素含量存在差異，Mccarthy等[49]利用這種差異性，研究了俄勒岡州波特蘭附近哥倫比亞河河水與地下水之間的水力補集關系。Mathieu等[50]研究分析了中非地區地下水和土壤水中的同位素含量，結果表明，土壤水同位素含量因強烈蒸發作用而富集，地下水中則不存在這種富集，進而分析認為降雨通過非飽和帶中大孔隙和快速滲流路徑補給地下水，幾乎沒有與富集同位素的土壤水發生混合。Maloszewski等[51]研究了萊茵河流域內人工湖對地下水的補給關系。Brown等[52]研究了新西蘭平原區某條河流側向滲漏對地下水補給的重要性。Payne等[53]分析研究了墨西卡利河谷中的大氣降水、河水與淺層地下水的氘同位素，結果表明淺層地下水主要受降水和河水的補給，并分別計算出降水和河水補給地下水所占的比例。同樣，Yurtsever等[54]依靠18O和T的同位素追蹤結果，分析研究了卡塔爾西南部深部承壓含水層中鹽水對潛水含水層的越流補給，并通過18O和Cl-相關關系可知，該區域的潛水補給來源是由來自深部承壓水、海水和當地降水的混合補給。Katz等[56]運用同位素追蹤技術和水化學方法研究覆蓋型巖溶地區地下水與地表水的相互關系[55]。Krabbenhoft等根據同位素質量守恒法，粗略估算出了湖水與地下水之間的交換量。

在國內，很多學者也利用同位素對地表水與地下水間的聯動關系展開研究。張應華等[57]根據西北干旱區河水和地表水中穩定同位素的差異性，通過對黑河中游盆地不同河段河水和地下水取樣并進行18O同位素檢測可知，黑河中游干旱灌溉密集區的地下水補給河水量增加了50%以上，說明該區域地下水增補河水能力增強明顯。王杰等[58]運動D、18O、T等同位素對新疆瑪納斯河流域三水轉換關系進行研究，從結果可知，流域水循環在山區到沙漠間存在著四段轉化關系，即第一段：降水在山區轉化為地表水和地下水；第二段：地下水在山間洼地轉化為地表水；第三段：地表水在沖洪積扇區轉化為地下水；第四段：地表水在平原區和沙漠區轉化為地下水并最終蒸發為大氣水量。特別地，劉丹和劉世青[59]在1997年運用環境同位素法得出了塔里木河下游淺層地下水直接來源于塔里木河河水的結論。同時，錢云平等[60]基于環境同位素法對黑河流域地表水和地下水的形成及轉換規律開展了研究，根據同位素分析結果可知，額濟納盆地地下水補給具有多源性，黑河水是盆地地下水的主要補給來源，盆地綠洲依存于地下水量，因此，流域修建水利工程需要進行詳細的生態影響評價。此外，李健等[61]通過研究確定了格爾木河流域山區河水非當年降水量補給，地下水、冰川融雪及降雨依次才是河水的主要補給來源，而平原區的地下水主要來源于河水出山后的入滲補給。朱譜成等[62]通過那陵格勒河沖洪積扇區的同位素特征，揭示了該區域內地表地下水間的轉化關系。

3 地表水與地下水調控研究

根據調查，世界范圍內約40%的糧食作物靠地下水灌溉，特別是一些干旱地區，地下水源成為支撐經濟社會發展的主要基礎，所以，實現地表水與地下水的聯合調控對于區域生態保護具有重要意義。1920年，Meinzer等就基于水循環原理提出了“地下水安全開采量”這個概念，到了1956年，Kazamann等[63]也基于水平衡方程提出了“動態儲蓄量”的概念。隨后，Hyun等[64]利用GIS和概率模型制作了地下水潛力圖，為科學地評估地下水量提供了行之有效的方法。 Khan等[65]通過水文模型與經濟模型的耦合構建了地下水動態規劃管理模型，用以模擬灌溉地下水取用情況和動態評估地下水可開采量。但隨著計算機技術的高速發展，國外學者開始嘗試將數值模擬與數學優化方法相結合為地表水及地下水的調控提供模型支持。Wattenbarger等[66]建立了地下水-地表水聯合調控模型，利用響應矩陣法，實現了區域多水源的綜合管理目標。到了20世紀90年代，在水資源利用的經濟效益最大化的基礎上，保護生態環境成為了研究熱點之一。Markstrom等[67]通過構建多水源-多水質的水資源管理模型，解決了較短時間尺度下水資源調配存在的供需不協調、水質不達標、用水效率低等問題。同樣，Wong等[68]通過研究地下水、地表水與外調水間的聯合調配，分析了水資源利用和保護的關系，提出了防治地下水水質惡化的具體措施。

國內關于地表水與地下水調配的研究陸續開始于20世紀80年代。陳雨孫等[69]在1987年構建了沖積扇地地下水優化開采模型，平衡了該區域水位、需水量與抽水量間的關系。謝新民[70]在1994年基于規范加權目標協調法建立多水源綜合管理模型，探究出行之有效的地下水與地表水聯合調配方案。馬福昌等[71]將GIS技術應用到地下水管理中，提高了地下水利用率，同時設計了組件式地下水資源管理信息系統。在2013年，孫才志等[72]將不同情景下的地下水生態水位作為約束條件帶入到地下水管理模型中，建立了基于生態約束的地下水關系模型，實現了在增加開采量的同時保證地下水漏斗逐漸恢復的生態要求。同時，程衛國[73]通過克里格代替模型在滿足精度要求的基礎上，解決了地下水調度方法計算負荷大、時間長等問題。胡立堂[74]在2016年將GRACE衛星數據引入到區域地下水儲蓄動態評價中，通過GRACE繁衍數據對地下水模型參數進行識別，提高了模型精度，為地表水與地下水調配提供了更為科學有效的方法。

4 地下水位變化關聯因素及水位控制研究

影響地下水位變化的因素有很多，如降水量、蒸發量、河流水位、水庫庫容、跨流域調水量、灌溉水量等。如何評估地下水位變化的關聯因素及程度，是研究主要關注的問題。楊國強等[75]對地下水脅迫進行了研究，結果表明地下水的開采會誘發地質環境因子及生態環境的變化。張建[76]友探討了通過人工地下水回灌對地下水超采區進行補給的問題，用以修復超采區誘發的不利影響。Riccardo等[77]通過對影響地下水位變化的各因素進行互相關分析，得到地下水位與影響因素的相關程度，并且通過靈敏度分析，得出各輸入變量對地下水位變化的影響程度。王蕊等[78]基于水文非線性理論的分布式時變增益模型(DTVGM)和以交替方向隱式差分法(ADI)求解的地下水模型(GWM)相耦合，建立了一種分布式的地表水地下水耦合模型，發現南水北調工程的實施將大大緩解受水區特別是城市地區的地下水壓力。調水后，平原區潛水位普遍抬升，流域地下水開采量明顯減少，地下水蓄量、潛水蒸發明顯增加，且春、秋季增加較。

對于地下水控制的研究在1993年已經開始，前蘇聯學者波勒諾夫就提出了“地下水臨界深度”的概念。自此，許多專家學者就圍繞地下水水位控制展開了大量的研究。1992年，Prathapar等[79]通過建立半干旱區潛水含水層的灌溉虧缺影響模型，對土壤鹽漬化、地下水位埋深與蒸騰三者之間的關系進行研究。2000年，Rli[80]利用模型設立了與土壤含鹽量和地下水電子傳導率相關的一系列地下水位的適宜埋深。2005年，Benyamini等[81]發現，半承壓含水層中存在一個水位埋深的臨界值使得區域生態能夠得到有效保護。此外，國內學者張惠昌[82]在1992年提出了“地下水生態平衡埋深”的概念，白永輝、謝新民等學者均對地下水位控制展開研究，特別是謝新民[83,84]結合我國干旱區半干旱區用水情況提出了不用開采類型下的地下水紅線、黃線及藍線水位的劃分，極大地豐富了我國對于地下水位控制的研究內容。

5 展 望

地表水和地下水作為水循環過程中重要的兩個角色，摸清二者間的聯動關系，實現地表水和地下水聯合調度，可以有效緩解水資源開發利用對區域生態環境的影響，并以此調整不合理的工業、農業、生活用水結構，逐步實現地下水采補健康循環和調水受水區生態平衡，最終達到人、水和自然的可持續發展。目前的研究主要集中在地下水與地表水模型耦合、同位素劃分水源、地下水位有效控制等方面，但水資源短缺仍是限制社會經濟發展的瓶頸，國家通過建設調水工程來解決水資源分布不均的問題，因此，調水工程對于調出區與調入區生態環境、地下水位、地表徑流的影響越發凸顯。而對于涉及調水工程的干旱區域地下水與地表水聯動關系研究甚少，如格爾木河位于西北內陸地區，生態環境脆弱，水資源具有多次重復轉化和利用的特點，過度開發水資源，不僅影響下游綠洲面積及蓋度，而且對于鹽湖的可持續開發有重要影響。開展調入區地表-地下水轉換機制、水文及生態對調水及其控制過程的響應關系、基于流域生態適應性的工程水量調度方案研究，成為了未來研究的重要方向之一，可以為統籌協調本地水和外調水、地表水和地下水、濕地及尾閭鹽湖面積、鹽湖濃度等地區水資源綜合管理決策提供有力的支撐。