科技报告材料终结版

中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会作品名称：地表水与地下水相互作用的温度示踪法作品类型： 地学资源类 院 系：环境学院水文与水资源工程团队成员：林晶晶 魏文浩 指导老师：孙 自 永目录一引言2二国内外研究现状2三创新点及假说3四温度示踪原理4五方案设计61研究思路及目标62选择研究区域73研究区概况7（1）地理位置7（2）水文条件8六数据来源8七数据分析81.大气温度、河水温度与地下水温度6月27-7月19日总趋势对比分析82.实测水位数据分析河水与地下水之间的相互作用103.温度示踪法分析河水与地下水的相互作用10a.降雨条件下地下水补给河水阶段（6月27日-7月1日）10b.河水补给地下水阶段（7月2日-7月10日）12c.河水与地下水相互作用交替频繁阶段（7月11-7月14日）12d.无降雨条件下地下水补给河水阶段(7月15日-7月19日)14八结论及研究展望15九参考文献16地表水与地下相互作用的温度示踪法摘要：目前，研究地表水与地下水相互作用较为有效的方法有示踪法和数值模型法。示踪法包括人工示踪法和水化学及环境同位素示踪法，这类方法有成本昂贵、受场地条件限制、易造成污染等缺点；对于数值模型法，目前的模型校正缺少一种便于密集与连续观测的非水力学参数。因此，温度示踪法的提出具有重要的意义。运用温度示踪法原理设计野外实验方案，对黑河中游进行一系列的温度监测，绘制温度曲线，与水位测量数据反映的地表水与地下水补排给关系对比，验证了温度示踪法研究地表水与地下水相互作用的可行性。温度示踪法对地表水与地下水交换量的计算和地下水在空间分布特征的刻画等也有重要意义。关键词：地表水与地下水的相互作用、温度示踪法、数值模型、黑河、水位、热运移一引言地表水与地下水相互作用的研究对于水资源的统一管理、水环境污染的防治、干旱和半干旱区水生及河岸生态系统的保护等十分重要。但由于地下水与地表水相互作用的复杂性，其观测和量化仍然十分困难。目前研究地表水与地下水相互作用较为有效地手段是示踪法和数值模型法。示踪法包括人工示踪法和水化学及环境同位素示踪法，两者的成本都较昂贵，且难以实现连续动态监测，同时，还可能导致环境污染和生态环境的破坏；数值模型法可定量计算地表水与地下水间的交换量，精细刻画两者的相互作用过程及动态变化，但目前的模型校正多用水力学参数，受参数观测密度限制和不同参数间的相关性影响，其结果往往具有较大的不确定性。综上所述，为了更好地观测及精细地研究地表水与地下水的相互作用过程，迫切需要一种成本低、易于操作、能连续监测的天然示踪方法。同时，为了提高地表水与地下水相互作用模型的精度，也需要寻找一种便于密集与连续观测的非水力学参数对其进行校正。因此，尝试用温度示踪法研究地表水与地下水的相互作用具有较为重要的意义。要广泛运用温度示踪法必须首先确定其可行性，这促使我们做了进一步的探索。二国内外研究现状经过翻阅各种文献、期刊等资料，了解到热流动理论在水文地质学发展中占有很重要的地位，但热作为地下水示踪剂的研究却很少。在20世纪初，科学家就意识到热伴随地下水运动，流经沉积物及其他多孔介质； 20世纪中期，国外就有水文地质学家提出用温度来指示地表水与地下水的相互作用，并开始探索其可行性。此后，又有相当一部分水文地质学家进行了相关研究，目前已经具备了一定的理论基础，但由于温度测量操作上的困难，同时缺乏相应的计算条件和程序，因而限制了热作为地下水示踪剂的应用。近十余年来，随着相关技术的发展，温度测量仪器不断改进，其成本也逐步降低，并有多个热运移模拟程序相继开发与发布，从而大大促进了热示踪剂在水文地质学研究中的应用。例如： Bartolino（2003）分析了1996年9月至1998年8月美国新墨西哥州中部Rio Grande河某处河床下15m深度内的水温度变化剖面，并用该温度剖面研究了不同季节河流与地下水的相互补给过程；Conant（2004）则利用详细的监测数据，分析了加拿大安大略Augus地区Pine河某河段周围地下水温度的空间分布和动态变化特征，据此识别出河床中的五种水流运移途径，从而首次详细刻画了地表水与地下水相互作用带中水流的复杂性。然而，我国有关温度示踪法的相关研究很少，已有少量研究主要是利用库水或河水与地下水之前的温度差异来探测堤坝渗漏或基坑渗漏（如：李端有等，2000；陈建生等，2002；董海洲和陈建生，2004）。三创新点及假说运用温度示踪法研究地表水与地下水的相互作用有许多优势：（1） 温度对水流作用的反应强烈且迅速，灵敏度高，测量精度高。（2） 热信号是自然发生的，数据获取稳定，应用范围广。（3） 热传导对沉积物结构的依赖极低，几乎不随沉积物结构的变化而变化。（4） 温度指标可在野外直接测量，监测成本低，可设置大量监测点，实现高密度监测。（5） 温度可以被连续监测。根据国内外对温度示踪法的研究现状，并考虑到温度示踪法具有诸多优势，我们初步提出温度示踪法可以用来研究地表水与地下水的相互作用，并希望能够设计一种方案来验证假说的正确性。四温度示踪原理文中以河水代表地表水进行分析，考虑到可能存在的四种理想化的河床条件，分别代表四种典型水文条件下的河水与地下水相互作用模式。图1和2中的河流是与当地地下水系统存在水力联系的常年性河流。图3和4分别显示的是枯水期及季节性河流补给地下水的情况。热量通过渗透介质在两个质点之间的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导热运移可以用热通量与温度梯度间的线性关系来描述。对流热运移是通过地下水的流动来实现的一种热运移。辐射热传递指物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程。在地表水与地下水相互作用的过程中，热量的传递主要是通过前两种方式来实现的。在下面四幅图中，将用三组曲线表征某时段内河水水位变化（右侧）、河水温度变化（左上）以及地下水的温度变化（左下），以便说明温度示踪法的原理及进行相关推断。stream flow-流量temperature-温度stream Gage-水位测量仪piezometer-测压管（注：测压管内安装温度记录仪）图1 地下水补给河水图1（A组）提供的是地下水补给河水时温度示踪原理图，此时水力梯度是向上的。河水受大气温度、降水等自然因素的影响昼夜温度变化显著，河床下方沉积物中的地下水因为河水振荡对流产生的热传递而呈现与河水相似的温度波动曲线，但是，地下深处向上传导的热在昼夜尺度上相对稳定,对河床沉积物温度波动起到了一定的缓冲作用，使其温度波动与河水温度波动呈负相关关系。stream flow-流量temperature-温度stream Gage-水位测量仪piezometer-测压管（注：测压管内安装温度记录仪）图2 河水补给地下水图2（B组）提供的是河水补给地下时温度示踪原理图，此时水力梯度是向下的。河水下渗将温度信号传递给河床沉积物，向下对流的热量导致河床沉积物温度不再相对稳定，而将发生昼夜波动，且波动规律与河水温度波动规律相似，地下水温度与河水温度呈正相关关系。与地下水补给河水（A组）情况下相比，由于地下水不再补给河水，河水的温度波动不会受到具有较稳定温度地下水对其波动的削弱，此时（河水补给地下水时），河水温度波动振幅要比地下水补给河水时的温度波动振幅大。stream flow-流量temperature-温度stream Gage-水位测量仪 piezometer-测压管（注：测压管内安装温度记录仪） 图3 枯水期 图3（C组）提供的是枯水期热示踪的原理图。由于气候等因素的影响，河床温度有较大的昼夜变化，而干的泥沙（河床沉积物）传递热的能力小于湿的泥沙传递热的能力，因此与河水补给地下水（B组）情况下相比，河床上部自然因素对河床沉积物温度影响的深度范围将缩小，即只对相对更浅层的沉积物的温度有一定影响；同时，河床沉积物的温度波动幅度相对减小。stream flow-流量temperature-温度stream Gage-水位测量仪piezometer-测压管（注：测压管内安装温度记录仪）图4 季节性河流 图4（D组）提供的是季节性河流温度示踪原理图，不同于枯水期河床昼夜变化的温度信号，标志着较短时间内河水迅速补给地下水。季节性水流出现时将迅速向地下补给，其携带的温度信号使河床温度产生剧烈的波动，此时表现为河床沉积物温度曲线突然出现较水流到达前更大幅度的波动，当水流下渗完全之后河床沉积物的温度变化曲线将恢复水流汇入之前的波动幅度。五方案设计1研究思路及目标选取典型的研究区域，在研究区对河水温度、地下水温度大气温度及降雨量进行连续监测，同时，对河水与地下水水位进行连续监测。选择某一时段的监测数据绘制温度曲线和水位曲线研究河水、地下水及大气的温度数据，绘制温度曲线，综合考虑气候等自然因素、结合所绘制的温度曲线、运用热示踪原理分析河水与地下水的补排给关系；另外，根据水位曲线分析出相应时段内河水与地下水的补排给关系。将温度示踪法分析结果与根据水位线确定的结果进行对比，验证假说是否成立。2选择研究区域研究区选在黑河流域河西走廊张掖盆地内的黑河河段，选择研究区平川乡附近的黑河河段作为控制河段，控制河段总长约3km，上游以设有平川水文观测站的平川桥为界。在控制河段内选择两个垂直于河流流向的横断面作为观测剖面。研究区的选择主要基于以下考虑：（1） 黑河中游河段河水与地下水的相互作用极具典型性，不同季节河水与地下水相互转换频繁（聂振龙，2004），且转换量较为客观（Hu et al.，2007）。（2） 研究区位于干旱半干旱地区，降水稀少，绿洲对河水及河岸带地下水具有极强的依赖性，河水与地下水相互作用的生态水文效应显著，相关研究成果对该区生态保护与建设具有重要的应用价值。（3） 受气候条件及河水补给条件的影响（黑河主要受大气降水和冰雪融水的补给），黑河河水昼夜温差、年内温差均较大，且研究区地下水埋深较浅，受河水温度影响较显著，为温度示踪的研究提供了天然实验场所。3研究区概况（1）地理位置研究区位于中国内陆河黑河中游干流（图5），属于河西走廊中段山前绿洲河谷平原（E3910-3940，N9950-10020，海拔1741m）。图5 研究区地理位置图（2）水文条件降水稀少、蒸发强烈，其气候属于大陆性温带干旱气候，气候特征四季分明，春季升温快，夏季炎热而短暂，秋季降温较慢，冬季寒冷而漫长。多年平均降水量116.3mm，约65%的降雨分布在7、8、9月份，只有3%集中在冬季，降雨强度很弱；空气相对湿度46%，气候干燥，蒸发量大，年均蒸发量2390mm，约为降雨量的20倍；年平均气温为7.7，最高达39.1，最低为-27.3，气温日差较大。六数据来源1黑河研究区野外实地监测记录。2河水温度取自河床中部河水温度，地下水温度取自距河岸20m处的1号观测井中埋深1.45m处地下水温度。3温度和水位数据分别由自动温度采集器、自动水位采集器连续记录，记录间隔为15min。4.降雨的相关数据从当地气象局收集。七数据分析1.大气温度、河水温度与地下水温度6月27-7月19日总趋势对比分析降雨图6 研究区大气、河水及地下水温度变化曲线图（6.27-7.19）【分析说明】从图6中总结规律如下：（1） 大气温度在昼夜尺度上不断变化，降雨（降雨数据见表1）使大气平均温度降低。（2） 在6.27-7.19这一时段内大气与河水温度变化趋势保持一致，且两者温度曲线基本服从正弦变化，说明河水温度主要受大气温度控制，在昼夜尺度上变化显著。（3） 河水温度与大气温度在局部时段内波动振幅的相对大小变化有差异，说明在局部时段内河水温度受到了除大气之外的其它因素的干扰。（4） 地下水温度与河水温度在局部时段内呈正相关（例如虚线箭头标识的区间）或者负相关（例如实线箭头标识的区域）。同时，结合规律（2），判断这种变化及相关性可能是在降雨、气候等综合条件下由河水与地下水相互作用所引起的。表1：研究区部分降雨监测数据表日期样品编号降雨起止时间采样时间降雨量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 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.实测水位数据分析河水与地下水之间的相互作用图7 研究区地下水及河水水位变化曲线图（6.27-7.19）【分析说明】图7中，由水位的相对高低可以确定河水与地下水相互作用类型。当河水水位高于地下水水位时，河水补给地下水；当河水水位低于地下水时，地下水补给河水。根据图7，可判断河水与地下水的相互作用类型与时段的大致对应关系，如表2所示。表2：河水与地下水补排给关系与时段粗略对应关系表时间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日水位关系河水低于地下水河水高于地下水相对位置变化频繁河水低于地下水补给关系地下水补给河水河水补给地下水相互作用交替频繁地下水补给河水3.温度示踪法分析河水与地下水的相互作用a.降雨条件下地下水补给河水阶段（6月27日-7月1日） 图8 降雨条件下地下水补给河水时段温度变化曲线图 【分析说明】 从图8中总结规律如下：（1） 河水温度变化与大气温度变化总体趋势一致。前面已经分析出此段时间内有间歇降雨，可以发现，降雨集中时段内昼夜温差变小，进而使得大气及河水温度变化幅度相对减小。但在局部时段，河水温度变化与大气温度变化稍有不同。（2） 地下水温度不随河水温度变化而变化。说明此时河水没有补给地下水。（3） 地下水温度在6月27日到6月30日之间呈略升高趋势，变化不大，变化范围仅为0.6，可能是地下水向上运移所致，但难以确定这一时段内地下水温度对河水温度波动产生了缓冲，可能原因有两方面：降雨（详情见表1）使其昼夜变化幅度减小或地下水补给河水的量较少。（4） 7月1日在研究区无降雨，地下水温度在某一短暂时段内没有发生变化，此后迅速与河水温度呈现负相关关系，因此推测河水与地下水相互作用在很短一段时间内达到了动态平衡，并随继发生了交替，由之前的地下水补给河水转变为了河水补给地下水。温度示踪在这一时段的分析结果与水位数据分析得到的结果一致。b.河水补给地下水阶段（7月2日-7月10日）图9 河水补给地下水时段温度变化曲线图 【分析说明】从图9中，总结规律如下：（1） 降雨在7月4日结束，大气温度开始回升，所以在该时段内总体呈现升高趋势，且气温回升较快，河水温度变化趋势与大气温度一致，但相比气温回稍有滞后。（2） 在该时段内地下水温度不再在某一个值附近相对稳定，其温度变化趋势与河水温度趋势呈现正相关关系。这很可能是河水补给地下水时温度信息在其间传递所致。这与实际情况也是相符合的，多天降雨使河水上涨，水位升高，当河水水位高于地下水就会对地下水产生补给。同样，温度示踪在这一时段的分析结果与水位数据分析结果一致。c.河水与地下水相互作用交替频繁阶段（7月11-7月14日）图10 河水与地下水相互作用交替频繁时段温度变化曲线图 【分析说明】 从图10中，总结规律如下：（1） 大气温度变化趋势服从正弦变化规律，但河水温度变化趋势不再服从简单的正弦变化规律，同时，地下水温度变化与地下水温度变化在局部呈现正相关或负相关，以上变化可能是河水与地下水相互作用频繁交替所引起的。（2） 实线箭头之前时段内，河水温度变化趋势服从正弦变化，地下水温度保持恒定，这说明地下水温度与河水温度几乎没有发生相互作用，即此时段内河水与地下水相互作用达到了动态平衡。（3） 实线箭头与虚线箭头标识的中间时段内，河水温度与地下水温度呈负相关关系，这可能是地下水补给河水所致。（4） 虚线与虚线所标识的中间时段内，河水与地下水温度变化趋势呈正相关关系，这可能是河水补给地下水所致。（5） 第二个虚线箭头之后时段内，河水温度变化趋势又开始服从正弦变化，而地下水温度变化与其不再存在明显的相关性，说明此时段内河水与地下水相互作用又达到了动态平衡。地下水温度仍有微小的增加趋势，可能是前一时段河水补给地下水在该时段内的滞后效应。同样，温度示踪在这一时段地分析结果均与水位数据分析结果一致。d.无降雨条件下地下水补给河水阶段(7月15日-7月19日)图11 无降雨条件下地下水补给河水时段温度变化曲线图 【分析说明】 从图11中，总结规律如下：（1） 河水温度变化趋势与大气温度变化趋势不完全同步，在大气温度趋势线达到第二个波峰时，河水温度趋势线才刚刚达到第一个波谷，这说明在这段时间内河水受到了除大气之外的某种因素的影响，对其波动起到了一个缓冲作用。（2） 在7月15日大约前1/2时段（箭头指示之前时段）内河水与大气温度变化是同步的，同时，结合前一时段中7月14日的温度趋势线，可以看到地下水温度与河水温度没有呈现出相关性，说明在这一相对较短的时段内河水与地下水相互作用处于动态平衡当中。（3） 在短暂的动态平衡之后，河水温度趋势线的变幅较动态平衡时减小，可能是因为地下水向上补给河水对河水温度的波动起到了一个缓冲作用。（4） 地下水温度且地下水温度变化趋势与河水温度变化趋势呈较明显的负相关关系，也进一步说明此时可能是地下水在补给河水。（5） 与降雨条件下的地下水补给河水相比，无降雨条件下地下水对河水温度波动的削弱作用更显著，推断其原因可能是降雨使河水水位与地下水水位相应升高，其水位差较小，相互作用速度相对缓慢且强度较弱，使得地下水补给河水的量小于无降雨条件下的补给量，导致了其波动削弱作用相对不显著；另外，降雨条件下昼夜温差变化小，使得河水温度变幅减小影响了地下水对河水温度波动起到缓冲作用的判断。 同样，温度示踪在这一时段的分析结果和水位数据分析结果是一致的。八结论及研究展望通过以上分析得出以下两点结论：（1） 在黑河选定的研究地点运用温度示踪法分析地表水与地下水的相互作用关系与水位分析法得出的地表水与地下水相互作用关系一致，验证了温度示踪法的可行性。（2） 黑河流域地表水与地下水相互作用交替十分频繁，温度示踪法可以定性反应地表水与地下水相互作用频繁地区的作用过程，可提高研究地表水与地下水相互作用的精度，并且可以在一定程度上定性反应地表水与地下水的交换量。温度示踪法的研究前景及用途：（1） 温度示踪法具有独特的优势，可以为深入研究地表水与地下水相互作用提供方法和示范。（2） 预测水资源开发或气候变化情况下河岸带地下水位的变化，为生态需水量的确定及生态保护提供依据。（3） 将温度示踪法与数值模拟相结合，将在空间点状分布的温度数据耦合到区域尺度上，从而得到较大范围内地表水与地下水相互作用的空间分布特征。（4） 将温度示踪法运用于水-热耦合模型中精确计算地表水与地下水的交换量，为水资源管理提供依据。（5） 将温度示踪法与同位素法相结合详细刻画地表水与地下水相互作用带内小尺度上的水流途径，为水环境污染的防治提供依据。九参考文献1 David A. Stonestrom Jim ConstantzHeat as a Tool for Studying the Movement of Ground Water Near Streams2Mary P. Anderson1 Heat as a Ground Water Tracer3张人权 梁杏等 水文地质学基础4叶守泽 詹道江 工程水文学5陈崇希 林敏 地下水动力学