张佳　霍艾迪　赛佳关　陈嘉莉　冯逸伟　李英豪

摘要：为了探索地表水和地下水相互作用的动态变化特征，使用温度传感器对渭河西咸新区段的潜流交换过程进行了温度监测试验，采用温度示踪法分析了潜流交换的动态变化机制。结果表明：左岸与右岸试验点的补给关系均为地表水补给地下水；除去降雨和气温影响较大的0.05～0.15 m深度，左岸试验点在0.70～1.00 m深度潜流交换最为剧烈，右岸试验点在0.40～0.70 m深度潜流交换最为剧烈；潜流通量越稳定，其不确定性区间宽度也越稳定；潜流带沉积层温度对气温的波动响应具有垂直方向的空间变异性。

關键词：补给关系；温度示踪；潜流交换；西成新区；渭河

地表水和地下水具有密切的水力联系，可以相互影响和转化。在潜流带，河水可与地下水发生物质与能量的双向迁移与混合。作为活跃的生态群落交错带，潜流带对河流生物体的生命循环、水污染防治、水资源统一管理、干旱与半干旱地区水生以及河岸生态系统、湖岸生态系统的保护等具有非常重要的影响。因地表水与地下水相互连通，具有密切的水力联系，故在地表水污染较严重的地区，地下水的污染也十分严重。陕西省境内沿渭河建设的傍河水源地达30多处，鉴于近年来渭河干流与支流水质污染严重，渭河地表水的污染已对陕西省境内沿河居民的地下水饮用水源及人体健康构成潜在危害。同时，渭河作为西咸新区“一河两带四轴五组团”中的“一河”，其污染防治和水生态治理直接影响着陕西省经济发展的大局。因此，对陕西省渭河西咸新区潜流带的研究不仅可为水资源管理及水污染防治提供依据，而且可为深入研究地表水与地下水的相互作用机理提供理论基础，以及为生态需水量的确定和生态保护提供数据支撑。

1研究区域概况

研究区位于渭河西咸新区段，区内不同地点的年均气温为12.5～14.0℃，多年平均降水量为510.1 mm。渭河在陕西省境内的流域面积为33 548 km2，多年平均径流量为53.8亿m3，多年平均输沙量为1.49亿t。渭河西咸新区段位于关中平原的渭河冲洪积平原亚区，地下水较丰富，地下水径流模数为27.35万～33.07万m3/（km2·a）。

2研究方法

试验中记录温度数据的传感器（iButton）型号为DSl922L-F5，采样时间间隔为10 min，分辨率为0.062 5℃，采样深度分别为0.05、0.15、0.40、0.70、1.00 m。本次试验在渭河左岸及右岸河床各有一个试验点（左、右岸试验点均位于东经108°51′、北纬34°23′）。2015年9月30日至10月3日在渭河左岸测量，10月4-7日在渭河右岸测量。

VFLUX程序适用于饱和多孔介质中的一维垂向流，可自动处理序列原始温度数据，根据温度曲线相位及振幅计算潜流带不同深度处潜流交换的垂直速度，解算热混合率、最优传感器间距等。本文采用VFLUX软件解算试验点的序列原始温度数据，解算过程中所用参数见表1。在解算温度数据前，为了使不同传感器的采样时间一致，需要对温度数据进行重采样及数据过滤；对采样数据进行动态谐波最优化，模拟自动迭代范围的峰值；用实测温度数据拟合动态谐波最优化温度数据，解算潜流通量。计算流程见图1。

3结果与讨论

3.1试验结果分析

自然界的热循环周期为1 a或1 d。地表水补给地下水情况下的热循环周期温度变化大于地下水补给地表水情况下的热循环周期温度变化。地表水补给地下水的河流，地表水经过了地表的加热或冷却，地表水的下渗会引起河床沉积层较大的温度波动；地下水补给地表水的河流，因地下水的温度比较稳定，故补给河流的地下水在流经沉积层时对地表的温度波动可起到一定的缓冲作用，导致该情况下河床沉积层温度相对较稳定（约为热循环周期温度的平均值）。

由图2与图3可知：左岸试验点沉积层0.05、0.15、0.40 m深处沉积层温度随气温波动明显，0.70、1.00 m深处的温度对气温变化的响应不明显；右岸试验点0.05、0.15 m深处的温度随气温波动有较小的波动，0.40、0.70、1.00 m深处的温度基本不随气温波动而波动。由图2可知，渭河左岸0.05 m处的温度接近河水温度，1.00 m深处的温度接近地下水温度，所以可初步判断左岸试验点的补给关系为地表水补给地下水。由图3可知，渭河右岸0.05、1.00 m深处的波动特征与左岸试验点相同深度的波动特征类似，但0.05 m深处的温度明显高于正常河水温度（皂河污水影响），所以无法通过波形对比直接判断右岸试验点的补给关系。

3.2潜流通量解算

由VFLUX软件解算一维扩散方程，可得各试验点不同深度潜流通量随时间的变化。潜流通量为负值，说明该点的渗流方向为垂直河床向上；潜流通量为正值，说明该点的渗流方向为垂直河床向下。

3.2.1左岸试验点潜流通量时空变异性

左岸试验点的潜流通量变化见图4。由图4可知，沉积层深度越大，潜流通量平均值越大，0.70～1.00 m深度潜流通量平均值最大。所以，潜流交换在0.70～1.00 m深度最为活跃，该深度范围内地表水与地下水的连通性最好。

对左岸试验点潜流通量进行统计，结果见表2、表3。由表2可知，0.05-1.00 m深度潜流通量平均值先减小后增大，标准偏差逐步变小。潜流通量最小值出现在0.40-0.70 m深度，最大值出现在0.05-0.15 m深度，0.05-0.15 m深度潜流通量的离散程度最大。由表3可知，在试验期内，0.05-1.00 m深度的渗流方向均为向下。

渭河右岸试验点的潜流通量变化见图5。由图5可知，0.40-0.70 m深度潜流通量平均值最大，所以潜流交换在0.40～0.70 m深度最为活跃，地表水与地下水的连通性最好。对右岸试验点河床不同深度处的潜流通量进行统计，结果见表4、表5。由表4可知，0.05～1.00 m深度潜流通量均值先增大后减小，其标准偏差先增大后减小。潜流通量最小值出现在0.05-0.15 m深度，最大值出现在0.40～0.70 m深度，0.40-0.70 m深度潜流通量的变异性最大。由表5可知，右岸试验点潜流通量的有效数据均为正值，所以该试验点渗流方向向下。其中，0.40-0.70 m潜流通量明显异于其他深度，主要与该深度范围沉积层连通性有关。

3.3潜流通量的不确定性分析

对渭河左岸与右岸试验点河床沉积层0.05～0.15、0.15-0.40、0.40-0.70、0.70-1.00 m深度的垂向潜流通量进行不确定性分析。不确定性区间宽度随时问的变化见图6、图7。

由图4和图6可知，0.05-0.15 m深度不确定性区问随潜流通量的增大而增大：0.15～0.40 m深度不确定性区间随潜流通量的增大而减小；0.40-0.70、0.70-1.00 m深度不确定性区问范围较稳定，基本不随时间发生变化。

由图5和图7可知，0.05-0.15、0.15-0.40 m深度的潜流通量基本不随时间发生变化，所以不确定性区问范围也较稳定；0.40-0.70 m深度的不确定性区间范围随潜流通量的减小而减小；0.70-1.00 m深度不确定性区间范围随潜流通量的减小而增大。

综上，在地表水补给地下水的地段，潜流通量随时间波动较小时，其不确定性区间范围较稳定；潜流通量随时间波动较大时，其不确定性区间范围也较为波动，但具体规律有待于进一步研究。

4结语

渭河西咸新区段河水与地下水的补给关系为地表水补给地下水；河床沉积层深度越大，其沉积层下部温度对地表水温度波动的响应越小：试验点潜流交换时空变异性显著，左岸试验点在沉积层深度为0.05-0.15、0.75-1.00 m时潜流交换比较强烈，右岸试验点在沉积层深度为0.40-0.75 m时潜流交换比较强烈。潜流通量随时间变化较小时，其不确定性区间的宽度较稳定，随时间波动较小。