黄河流域内地表水与地下水转化关系分析

罗新燕

(内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

黄河流域是中华文明重要的发源地之一，在保障区域内生物多样性、联系水系、净化水质及维持生态平衡方面发挥了重要作用[1-3]。随着现代工业发展及上游生态破坏的加剧造成流域内地下水位持续降低，水资源短缺及区域内水循环和水功能受阻。地下水和地表水是水资源不同层次的存储方式，两者之间相互转化对水资源的持续发展有积极促进作用，因此有必要对地表水与地下水的转化条件进行分析，为黄河流域水资源治理提供参考[4-8]。针对地表水与地下水的关系，王化齐等[9]分析了水资源开发与国土环境的关系，提出了地表水补给地下水的方式；陈能汪等[10]利用元素标记法分析了九江流域内地表污染物向地层转化的机制；闫雅妮等[11]利用实验的方法通过分析硝态氮的转移规律研究了地表水与地下水的转化关系。

本文选取黄河内蒙古流域五原县至准格尔旗流速较缓区间为研究对象，通过对该区段的研究能有效对内蒙古境内黄河水与地下水的转化关系作出评估，对区域内黄河水治理具有参考价值。

1 研究区地层岩性

本文选取了黄河内蒙古境内部分区域为研究对象，流域范围始于巴彦淖尔市五原县终于鄂尔多斯市准格尔旗，流域内长度约350 km(图1)。

地层岩性对流域内地下水和地表水的转换有直接影响，在渗透力作用下，流域内水流会从水头高的岩层流入水头低的岩层，因此区域内岩性对水系转换有直接影响。

研究区出露地层自下而上依次如下：

下更新统：分布于第四沉积中下部，距离地表70～120 m，该层厚度在50～80 m之间，该地层主要是透水性较好的灰色及部分灰褐色砂砾石、粗砂，部分区段内黏土含量较大。砾石成分以碳酸盐类火山石及石英为主，大多呈圆砾状，粗砂粒径在3～6 mm之间。

中更新统：分布于地面下10～20 m之间，厚度介于40～80 m之间，主要由灰色、浅灰色、褐色粉细砂、粗砂砂砾石及砂卵石组成，岩层矿物质主要以亲水性较强的蒙脱石伊利石为主，砂卵石以酸性火山岩矿物质为主。

全新统：由地面至深度20 m范围内，主要为黄色、黄褐色冲击层粉质黏土为主，该地层透水性较差，具有较强的亲水能力，是河床冲击形成的软弱地层。

2 样品采集及分析方法

2.1 样品采集

本文采用同位素标定的方法，通过检测标定的同位素元素在流域内的行动轨迹而进一步判别地下水与地表水的流向。该方法广泛用于元素追踪中，利用相同元素的不同特征找到其运动轨迹进一步分析地表水和地下水的转换关系。

为了消除实验过程中的误差，地表水采集前要用目标区域河水对采样容器进行冲洗至少3次，直至玻璃容器内壁出现挂珠为止[12-14]，采样过程中要将容器深入到河水表面一定深度以避免表面含杂质较多的水污染样本，采样完成后要及时对样本密封[15-17]。地下水采集采用管井抽取样品法，采集前先排水10 min，直至抽取的水源清澈肉眼观测无杂物为准。

同位素标定与测试采用质谱法[18]。

2.2 分析方法

本文采用稳定同位素特征分析方法，通过测量样品中同位素比值与标准品间的数学关系[14]，其计算见公式(1)：

(1)

式中：R1/R2为样品和标准品间δ18O/δ16O比率。

为了研究黄河水在地表及地下的空间时间转化关系，本文选取了2019年5月、8月及10月三个节点作为流域内枯水期、丰水期和平水期三个时期的典型代表对流域内水力条件进行了调查取样分析，采样点平面位置见图2，为了便于研究，将采样点按照所在位置进行编号，样品数量见表1。

图2 采点布置Fig.2 The layout map of water sample collection1—剖面 2—地下水样点 3—地表水样点 4—江河 5—研究区边界

表1 样品采集数量Table 1 List of sample quantity

3 结果分析

根据以上计算方法和采样方法，得到了2019年5月枯水期黄河流域内水样δ18O及δD的值域分别为-10.65‰～-12.73‰和-79.32‰～-97.03‰，其沿程变化曲线见图3。由图3可见，随着测点与河源距离增加，δ18O及δD的变化曲线趋于一致，都是随着距离的增加呈现先富集最后扩散降低的趋势。

图3 枯水期δ18O及δD变化曲线

图4为2019年8月丰水期δ18O及δD变化曲线，由图4可见，两者值域分别为-8.37‰～-10.55‰与-69.18‰～-79.35‰，流域内南北两岸呈现一定的差异性，随着距离的增加两者呈现先富集后扩散的趋势。

图4 丰水期δ18O及δD变化曲线Fig.4 δ18O and δD variation curve during wet season period

图5为2019年10月平水期δ18O及δD变化曲线，由图5可见，δ18O及δD的变化范围分别在-11.37‰～-9.65‰与-86.44‰～-76.61‰之间，且随着距离的增加呈现先扩散后富集最后又扩散的态势。

图5 平水期δ18O及δD变化曲线Fig.5 δ18O and δD variation curve during normal water period

按照2019年10月(平水期)测量结果，通过式(1)计算得到地下水和地表水 δD - δ18O 关系曲线(图6)，将地表水和地表水进行回归分析，得到地下水和地表水的回归直线，两条直线的斜率小于大气降水线，说明地下水受蒸发作用影响较小，地表水受蒸发作用影响较大，两者斜率相近表明黄河水的地表和地下部分联系紧密。

图6 δD - δ18O关系曲线Fig.6 δD - δ18O relation curve

图7 剖面离子变化Fig.7 Ion variation in the profile

从以上同位素分析及河流剖面离子分析中可以发现，黄河流域内主要是地表水补给地下水。

4 数值模拟分析

本文利用VB计算机语言建立了黄河水不同条件下地表水与地下水的相互转化数学模型，将渗流边界条件离散化，利用连续函数在区域内不间断的特点用函数曲线模拟不同高度水头[18]，模型计算流程见图8。

按照图8所示的转化流程，首先建立了计算单元，该单元共包含241个单元和152个网格点，将沉陷区域离散为互相联系的小区域，各区域间水力条件通过势函数形成连续变化的整体。

图8 地表水与地下水的相互转化流程Fig.8 Mutual transformation process of surface water and groundwater

图9为丰水期地下水流场，流域内面积6.128 21 km2。由图9可见，研究区域内中间位置处水压较高，压力水头达到19.23 m，随着区域半径的扩大，水压力逐渐降低，压力等势线在中心附近降低缓慢，在模拟区域的边缘，压力等势线降低迅速，直至出现负压区域，其压力水头为-2.15 m，水流由高压向低压方向流动，水流量Qk=0.009 321 m3/d。因此地下水通过压力作用在地层间运动，其压力梯度在水源附近较小在远离水源处较大。

图9 丰水期地下水流场Fig.9 Groundwater flow field in wet season period

通过数值模拟与现场调查结果对比可以发现，数值模拟结果与监测实验结果基本一致，表明数值模拟结果的准确性。

5 结论

黄河流域是我国重要的生态屏障和文明摇篮，研究黄河水在不同条件下地表与地下水力转化对保护黄河生态加强水域治理具有重要意义。本文在分析了黄河流域某区段地层结构基础上采用稳定同位素特征分析方法及剖面法分析了流域内三维渗流方向，最后通过VB计算机语言对流域内进行了离散元数值模拟分析，主要得出了以下结论：

1)随着距离河源距离的增加同位素δ18O及δD沿程含量逐渐降低，通过地表水和地下水两者的回归曲线分析可知，黄河沿岸研究段落中的九原区至清水河段地表水是地下水的主要补给来源。

2)地下水中阳离子Na+含量高于地表水，表明地表水对地下水有补给作用。

3)数值模拟结果表明地表水转化为地下水，流量Qk=0.009 321 m3/d与监测实验结果基本一致，验证了模拟的准确性。