地表水與地下水相互作用對不同特征濕地的影響

劉興峰

(新疆白楊河流域管理局，烏魯木齊 830000)

0 引 言

濕地控制著地表水的流動情況，一直受到極大的關注。減少地表徑流峰值和改善地表徑流水質的能力是濕地的最佳管理實踐方法。研究人員開發復雜的濕地模型，以便能夠充分模擬濕地動態和濕地營養物質的運輸。此外，地表水與地下水的相互作用在濕地中發揮著重要作用，這些過程顯著影響濕地水文和溶質運移的動態。因此，將地表水與地下水相互作用的影響納入濕地模型，并了解其對具有不同特征的濕地的影響。

已經有專業學者研究了解濕地和地下水之間相互作用的機制[1]。如姜瑞雪等詳細討論了地下水與溪流、湖泊和濕地之間的相互作用，討論地形、地質結構、地下水位和氣候對地下水與溪流、湖泊和濕地相互之間的作用[2]。杜堯研究討論了濕地中地表水與地下水相互作用對濕地功能的重要性[3]。楊國華等試圖通過使用具有流入和存儲的一維傳輸模型(OTIS)來量化中央大沼澤地水源保護區的補給和排放[4]。鄧建明為MODFLOW開發了一個計算機軟件包，以模擬濕地與含水層的相互作用[5]。還有的學者調查了一個已建立的河岸濕地系統的水文，并觀察到水從濕地滲漏到地下環境，該環境具有當地地下水流動系統的特征。如田詩陽等開發一個數值模型來模擬地下水濕地相互作用和污染物遷移，并將模型應用于濕地[6]。張翔通過測量溪流域河岸濕地的溪流和地下水中的氮，研究了溪流和濕地的相互作用[7]。

這些研究是通過將地表水與地下水相互作用納入濕地模型，更好地理解非線性濕地動力學的例子。本文通過調查不同濕地特征的地表水與地下水相互作用對濕地水文的影響，使用WETSAND 模型分析不同濕地參數值即坡度、植被密度、橫向和縱向導水率下的表層水深變化。

1 濕地溶質運移動力學

WETSAND模型有兩個主要組成部分：濕地水量和濕地水質。濕地水量分量利用擴散波理論分析濕地場地的坡面流。來自高地地區的地面流通過濕地區域流入溪流，形成橫向流入。該模型考慮了降雨、側向流入和地下水排放作為水源；作為匯水區的滲透、蒸發和地下水補給，在不穩定降雨期間，入滲由修正版的格林安普特方法計算，蒸散由索恩斯韋特方法計算。地表水與地下水相互作用由地下水補給排泄項考慮，并使用達西定律計算。城市化地區產生的上游地表徑流通過美國環保局雨水管理模型(SWMM5) 進行模擬，并作為河流的流入邊界條件納入濕地模型。擴散波公式用于計算水深變化，公式如下:

(1)

然后，通過冪律分布計算濕地區域的流量。該冪律分布考慮了植被密度對濕地流量的影響，公式如下:

Q=KWy3S0

(2)

其中：Q為以L3/T為單位的流量；W為濕地寬度，L；K為反映植被密度的系數，L-1T-1。

濕地水質部分利用維平流擴散反應方程分析濕地區域總磷和總氮或氮循環各化合物(有機氮、銨態氮和硝態氮)的濃度。通過水量分量計算的速度被用作水質分量中的輸入。利用SWMM5計算城市區域產生的氮和磷濃度，并作為濕地上游點的邊界條件。通過將地下水補給與排放引起的質量項納入平流擴散反應方程，考慮了地表水地下水的相互作用，磷和氮濃度的公式如下:

(3)

(4)

2 研究內容

2.1 研究地點

研究地點位于新疆白楊河流域的一個濕地系統，最近在沙溪流域進行了恢復。濕地溪流恢復項目旨在通過重塑河道輪廓和提高水位，將沙溪的退化部分轉化為2×104m2的濕地。超過579 m的沙溪已經通過關閉部分原始河床和打開一個有更多彎曲的新河床而得到恢復，以增強洪泛區的水流并幫助清除營養物和沉積物。除此之外，還有一個人工大壩，在上游形成了額外的濕地。后面的人工湖大壩的表面水位將高于平均海平面89.92 m。調查人員一直在測量位于整個濕地的20口采樣井的地下水位，以及濕地沙溪支流D的水質數據。地下水位測量每兩周進行一次，主要營養物(氮、磷和陽離子)的水質測量每月在濕地和湖泊以及所有支流進行。

2.2 模型應用

為了將WETSAND模型應用于該場地，濕地場地被離散為6個高地(U)、10個濕地(W)部分和6個溪流(S)部分，見圖1。

圖1 地形圖

上游地表徑流通過節點N329和N335流入濕地區域。分析是在不同的濕地部分和根據在這些部分觀察到的不同地下水位選擇的。利用WETSAND和建模中收集的數據對濕地進行建模。在本文中，WETSAND模型被用于預測不同濕地特征的地表水與地下水相互作用的影響，即植被、陸域坡度、恢復濕地的橫向和縱向水力傳導度。

3 濕地水深變化

3.1 坡度的影響

本節介紹了在濕地第四部分獲得的結果，主要觀察地下水補給。濕地第八部分也獲得了類似的結果，主要觀察地下水排放。結果表明，地表水與地下水相互作用的影響通常對濕地動態起著重要作用，因此在模擬濕地水文和溶質運移時應予以考慮。

圖2(a)和圖2(b)顯示了坡度S0=0.001和S0=0.000 1的濕地四段(W4)的水深變化。圖2表明，相互作用對水深的影響隨著地形坡度的減小而減小。考慮相互作用影響的水深計算值與不考慮相互作用影響的水深計算值之間的差異，高坡濕地段大于緩坡濕地段。

圖2 濕地四段水深變化(不同坡度)

在圖3(a)和圖3(b)中，分別繪制了垂直水力傳導系數Kz=0.001 m/h和Kz=0.002 m/h時濕地第四段的水深變化。由圖3可知，對于不同的垂直水力傳導度，考慮相互作用效應計算的水深和不考慮相互作用效應計算的水深之間的差異并不顯著。因此，在確定地表水與地下水相互作用對水深的影響時，垂直水力傳導度并不發揮主要作用。

圖3 濕地四段水深變化(不同垂直水力傳導系數)

3.2 對不同植被特征濕地的影響

本節研究了地表水與地下水相互作用對不同植被特征濕地的影響。在圖4(a)和圖4(b)中，分別繪制了K=0.1×107m-1/h和K=0.5×107m-1/h時濕地第四部分(W4)的水深變化。大K值代表低植被密度，而小K值代表高植被密度。從圖4中可以看出，隨著濕地植被密度的增加，地表水與地下水相互作用對濕地水深的影響會減小。

圖4 濕地四段水深變化(不同植被密度)

3.3 對導水率的影響

本節研究了各向異性比為1時橫向導水率的作用。圖5(a)和圖5(b)顯示了濕地第四部分(W4)的水深變化，橫向和垂直水力傳導值分別為Kx=Kz= 0.001 m/h和Kx=Kz=0.002 m/h。結果表明，隨著橫向和縱向導水率的增加，相互作用對水深變化的影響增大。由于從前面的分析中確定垂直導水率不會顯著改變對水深的相互作用效應，因此橫向導水率的增加會導致對水深的相互作用效應增加。

圖5 濕地四段水深變化(不同導水率)

4 結 論

本文研究了地表水與地下水相互作用對濕地水文的影響。針對不同的濕地特征，如植被、地形坡度以及橫向和縱向水力傳導，分析了地表和地下相之間的水交換對地表水深度的影響。通過使用WETSAND模型進行模擬，該模型具有水量和水質模塊，并結合了地表水與地下水的相互作用。該研究結果為修復沙溪流域濕地遺址提供了科學依據。據觀察，效果在植被密度低或地勢坡度大的濕地以及地表水與地下水的相互作用非常顯著。濕地土壤的橫向傳導性對于確定相互作用對地表水的影響也很重要，但垂直導水率的作用可以忽略不計。由于地表水與地下水相互作用的影響，水深的變化會導致水流速度的變化，從而影響濃度方程中的平流項。因此，在植被密度低或地勢坡度高的濕地，地表水與地下水相互作用的影響也起著重要作用。