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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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（
7、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
8、。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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
