地表水与地下水相互作用研究进展

曾丽

摘要：指出地表水与地下水密切相关，地表水与地下水的相互作用模式和转化规律是水文学和水文地质学的关键问题之一。本文收集整理了最新数据，总结了地表水与地下水相互作用的研究方法，提出了地表水与地下水耦合模型修正的重点，即获取非模型本身的信息。测定地表水和地下水之间的接口和改善地表水的准确性，通过地下水耦合模型，分别研究未来的两个方面，并提出一种可行的解决方案：提高效率的实时数据观察和反馈，同步调度实体模型建立，实时可视化界面的优化仿真模型；结合不同研究尺度的实际情况，结合多个模型，提高了耦合模型的耦合程度和精度。

关键词：地表水；地下水；相互作用；耦合模型；交互界面

1前言

地表水和地下水是相互关联的水文连续体，存在于山地岩层、河流系统、沿海地区和岩溶地区。这是计算水文循环和收入的一个重要因素。由于地表水和地下水的交换，热量和物质的数量维持着河流生态系统的基本功能，对流域水资源的管理和保护、流域的水污染防治和生态健康具有重要意义。在水质方面，这一过程影响水化学成分的分布和演化。在水量方面，地下水是部分流域特别是部分干旱地区水文循环和水资源转化的主导因素和主导因素。在降雨少的地区，河床渗流占供水的很大比例，地下水含水层在旱季以底流的形式排入河流，保证了河流的流动，维持了生态系统。随着人类社会和经济活动的发展，许多河流水利工程的建设和运营的地下水开发和改进灌溉运河系统管网系统、空间和时间分布的流域水资源、水资源供给和需求之间的矛盾，合理分配水资源发挥巨大作用，干扰地表水和地下水系统在同一时间，灌溉用水和地下水的开采改变了地下水循环的表面，导致河流径流量的下降和生态退化等问题。

2地表水-地下水循环转化规律及其影响因素

2.1地表水与地下水循环形式

地表水与地下水相互作用的核心是地表水和地下水循环。准确认识地表水和地下水循环的机理和过程，是支持流域水资源综合利用和保护的基本条件。地表地下水循环与水资源管理及其定量研究密切相关。20世纪90年代，水文地质学家开始更加重视河流附近地表地下水的交换研究。一般来说，高地形区是地下水补给区，低地形区是地下水排泄区。地表水和地下水补给机制过程涉及多个因素，多维空间可变性和水力特性，结合不同情况，有许多复杂的水文过程，本质上是通过地表水和地下水的渗透流量，与降水、表面水河基流、泄漏（如湖泊、河流、渠道等）水循环。其中地表水和地下水的转化包括湖泊、河流和地下水、地下水和湿地/滨海含水层系统的演化、泉水流量等形式，以及人类活动引起的地表水和地下水的转化系统演化。

2.2自然影响因子

在河流含水层系统的研究中，对流域地质、河流特征、水文条件等自然水循环影响因素的综合分析，一直是地表水和地下水循环系统驱动的一个热点，改变了地表水和地下水的变化。

2.2.1流域地质地貌：对于地下水含水层而言

从宏观的角度来看，河流和地下水盆地地质因素控制之间的关系的相互关系和演化的基本模式，如深谷许多天然河流的上游河中间的不完整的切割含水层和低的谷平原，它显示了明显的河流演化的差异，如含水层系统的演化过程。

2.2.2河床特征

在河-含水层系统中，河床特征主要是指与河床岩性有关的物理参数。在河流范围内，地表水和地下水流经下游河床的“底流区”是复杂的，维持着底栖动物、微生物、物理化学、水文等复杂的过程。一些学者对地下水渗流和污染物运移的影响进行了定量研究。地下水的排放强度影响着河床物质、水交换和区域的过渡带，也影响地表水水文径流。

2.2.3水文机制

河流径流和地下水位的变化将直接改变含水层河流与排水的关系。例如，河流与地下水位之间的季节变化关系不仅会影响水力梯度的大小，有时甚至会影响水交换的方向，导致地下水循环与置换的复杂演化。

2.3人类活动的影响

然而在干旱和半干旱盆地，水资源短缺，人类活动对水资源系统的影响更为明显，导致一些盆地地表水和地下水的交换能力下降，改变了水文循环。在社会经济发展中，人类通过开发利用水资源来干扰地表地下水循环的自然状态，从而改变了河流与含水层之间的关系和流域之间的关系。例如，河流改道将减少径流和补充地下水。根据地下水灌溉面积的不同，地下水开采、河道渗流和渗流过程间接地改变了地表水和地下水的运动，一些渠道的渗流场已成为地下水主要的补给形式。特别是在一些干旱地区，人类活动引起的土地利用和渠道渗漏的变化对地下水地表的时空分布有很大的影响。

3主要研究方法

为了改善河流径流，保持地下水位，对地表水和地下水循环的水文过程演化进行合理的模拟分析和管理是十分重要的。

3.1直接水测量

利用含水含水层渗流仪和河床界面比例尺可确定地下水的渗漏和排泄情况。然而，平均的河床渗漏需要大量的观测点数据，测量数据也需要一个点尺度。大规模数据的收集比较困难，实际应用研究相对较少。

3.2间接实验方法

地表水和地下水的汇率是用热力学或同位素化学方法计算的。由于地下水的水温相对恒定，河流的水温一般具有季节变化规律，因此可以通过相关的温度观测和热力学方法对水的交换过程进行建模和计算。

3.3水平衡方法

将水平衡法分为多断面水流观测法、河流径流分割法和物质跟踪法，确定地表水与地下水之间的水交换关系。河流的净流入或流出是通过观察不同区域的多条河流而决定的。

4主要模拟技术

4.1分析方法

在数值模型出现之前，由于计算能力的限制，河流与含水层之间的水转换更依赖于地下水来计算相关的运动分析模型，包括一个和两个二维Boussinesq方程。该方法主要用于均匀各向同性地下水的拉普拉斯变换或退化观测自由地表边界条件下的地下水位。根据河流和含水层的类型（河流切割、水力连接等），含水层的分析模型分为三类。

4.2数值模型方法

随着计算机操作能力的提高，数值模型已成为研究流域大规模地表地下水环流的重要方法。与分析方法相比，该方法处理复杂、现实的水文地质条件更为迅速，具有更多的优点和广泛的应用。地表地下水循环综合数值模型已广泛应用于流域水循环研究和水资源分析评价。

5结束语

研究人类活动与地表地下水环流强盆地、地表地下水环流和水资源调度管理需要更长的时间尺度综合模拟。更多的研究集中在自然因素的影响人类通过不同方式的仿真分析水资源开发利用的水资源调度，地下水开采和水资源调度管理，需要研究表面水的循环利用，地下水系统的演变和人类活动的相互影响等，以及不同元素在河里，含水层的影响定量评价方法。

参考文献：

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