地表水与地下水相互作用对不同特征湿地的影响

刘兴峰

(新疆白杨河流域管理局，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

湿地控制着地表水的流动情况，一直受到极大的关注。减少地表径流峰值和改善地表径流水质的能力是湿地的最佳管理实践方法。研究人员开发复杂的湿地模型，以便能够充分模拟湿地动态和湿地营养物质的运输。此外，地表水与地下水的相互作用在湿地中发挥着重要作用，这些过程显著影响湿地水文和溶质运移的动态。因此，将地表水与地下水相互作用的影响纳入湿地模型，并了解其对具有不同特征的湿地的影响。

已经有专业学者研究了解湿地和地下水之间相互作用的机制[1]。如姜瑞雪等详细讨论了地下水与溪流、湖泊和湿地之间的相互作用，讨论地形、地质结构、地下水位和气候对地下水与溪流、湖泊和湿地相互之间的作用[2]。杜尧研究讨论了湿地中地表水与地下水相互作用对湿地功能的重要性[3]。杨国华等试图通过使用具有流入和存储的一维传输模型(OTIS)来量化中央大沼泽地水源保护区的补给和排放[4]。邓建明为MODFLOW开发了一个计算机软件包，以模拟湿地与含水层的相互作用[5]。还有的学者调查了一个已建立的河岸湿地系统的水文，并观察到水从湿地渗漏到地下环境，该环境具有当地地下水流动系统的特征。如田诗阳等开发一个数值模型来模拟地下水湿地相互作用和污染物迁移，并将模型应用于湿地[6]。张翔通过测量溪流域河岸湿地的溪流和地下水中的氮，研究了溪流和湿地的相互作用[7]。

这些研究是通过将地表水与地下水相互作用纳入湿地模型，更好地理解非线性湿地动力学的例子。本文通过调查不同湿地特征的地表水与地下水相互作用对湿地水文的影响，使用WETSAND 模型分析不同湿地参数值即坡度、植被密度、横向和纵向导水率下的表层水深变化。

1 湿地溶质运移动力学

WETSAND模型有两个主要组成部分：湿地水量和湿地水质。湿地水量分量利用扩散波理论分析湿地场地的坡面流。来自高地地区的地面流通过湿地区域流入溪流，形成横向流入。该模型考虑了降雨、侧向流入和地下水排放作为水源；作为汇水区的渗透、蒸发和地下水补给，在不稳定降雨期间，入渗由修正版的格林安普特方法计算，蒸散由索恩斯韦特方法计算。地表水与地下水相互作用由地下水补给排泄项考虑，并使用达西定律计算。城市化地区产生的上游地表径流通过美国环保局雨水管理模型(SWMM5) 进行模拟，并作为河流的流入边界条件纳入湿地模型。扩散波公式用于计算水深变化，公式如下:

(1)

然后，通过幂律分布计算湿地区域的流量。该幂律分布考虑了植被密度对湿地流量的影响，公式如下:

Q=KWy3S0

(2)

其中：Q为以L3/T为单位的流量；W为湿地宽度，L；K为反映植被密度的系数，L-1T-1。

湿地水质部分利用维平流扩散反应方程分析湿地区域总磷和总氮或氮循环各化合物(有机氮、铵态氮和硝态氮)的浓度。通过水量分量计算的速度被用作水质分量中的输入。利用SWMM5计算城市区域产生的氮和磷浓度，并作为湿地上游点的边界条件。通过将地下水补给与排放引起的质量项纳入平流扩散反应方程，考虑了地表水地下水的相互作用，磷和氮浓度的公式如下:

(3)

(4)

2 研究内容

2.1 研究地点

研究地点位于新疆白杨河流域的一个湿地系统，最近在沙溪流域进行了恢复。湿地溪流恢复项目旨在通过重塑河道轮廓和提高水位，将沙溪的退化部分转化为2×104m2的湿地。超过579 m的沙溪已经通过关闭部分原始河床和打开一个有更多弯曲的新河床而得到恢复，以增强洪泛区的水流并帮助清除营养物和沉积物。除此之外，还有一个人工大坝，在上游形成了额外的湿地。后面的人工湖大坝的表面水位将高于平均海平面89.92 m。调查人员一直在测量位于整个湿地的20口采样井的地下水位，以及湿地沙溪支流D的水质数据。地下水位测量每两周进行一次，主要营养物(氮、磷和阳离子)的水质测量每月在湿地和湖泊以及所有支流进行。

2.2 模型应用

为了将WETSAND模型应用于该场地，湿地场地被离散为6个高地(U)、10个湿地(W)部分和6个溪流(S)部分，见图1。

图1 地形图

上游地表径流通过节点N329和N335流入湿地区域。分析是在不同的湿地部分和根据在这些部分观察到的不同地下水位选择的。利用WETSAND和建模中收集的数据对湿地进行建模。在本文中，WETSAND模型被用于预测不同湿地特征的地表水与地下水相互作用的影响，即植被、陆域坡度、恢复湿地的横向和纵向水力传导度。

3 湿地水深变化

3.1 坡度的影响

本节介绍了在湿地第四部分获得的结果，主要观察地下水补给。湿地第八部分也获得了类似的结果，主要观察地下水排放。结果表明，地表水与地下水相互作用的影响通常对湿地动态起着重要作用，因此在模拟湿地水文和溶质运移时应予以考虑。

图2(a)和图2(b)显示了坡度S0=0.001和S0=0.000 1的湿地四段(W4)的水深变化。图2表明，相互作用对水深的影响随着地形坡度的减小而减小。考虑相互作用影响的水深计算值与不考虑相互作用影响的水深计算值之间的差异，高坡湿地段大于缓坡湿地段。

图2 湿地四段水深变化(不同坡度)

在图3(a)和图3(b)中，分别绘制了垂直水力传导系数Kz=0.001 m/h和Kz=0.002 m/h时湿地第四段的水深变化。由图3可知，对于不同的垂直水力传导度，考虑相互作用效应计算的水深和不考虑相互作用效应计算的水深之间的差异并不显著。因此，在确定地表水与地下水相互作用对水深的影响时，垂直水力传导度并不发挥主要作用。

图3 湿地四段水深变化(不同垂直水力传导系数)

3.2 对不同植被特征湿地的影响

本节研究了地表水与地下水相互作用对不同植被特征湿地的影响。在图4(a)和图4(b)中，分别绘制了K=0.1×107m-1/h和K=0.5×107m-1/h时湿地第四部分(W4)的水深变化。大K值代表低植被密度，而小K值代表高植被密度。从图4中可以看出，随着湿地植被密度的增加，地表水与地下水相互作用对湿地水深的影响会减小。

图4 湿地四段水深变化(不同植被密度)

3.3 对导水率的影响

本节研究了各向异性比为1时横向导水率的作用。图5(a)和图5(b)显示了湿地第四部分(W4)的水深变化，横向和垂直水力传导值分别为Kx=Kz= 0.001 m/h和Kx=Kz=0.002 m/h。结果表明，随着横向和纵向导水率的增加，相互作用对水深变化的影响增大。由于从前面的分析中确定垂直导水率不会显著改变对水深的相互作用效应，因此横向导水率的增加会导致对水深的相互作用效应增加。

图5 湿地四段水深变化(不同导水率)

4 结 论

本文研究了地表水与地下水相互作用对湿地水文的影响。针对不同的湿地特征，如植被、地形坡度以及横向和纵向水力传导，分析了地表和地下相之间的水交换对地表水深度的影响。通过使用WETSAND模型进行模拟，该模型具有水量和水质模块，并结合了地表水与地下水的相互作用。该研究结果为修复沙溪流域湿地遗址提供了科学依据。据观察，效果在植被密度低或地势坡度大的湿地以及地表水与地下水的相互作用非常显著。湿地土壤的横向传导性对于确定相互作用对地表水的影响也很重要，但垂直导水率的作用可以忽略不计。由于地表水与地下水相互作用的影响，水深的变化会导致水流速度的变化，从而影响浓度方程中的平流项。因此，在植被密度低或地势坡度高的湿地，地表水与地下水相互作用的影响也起着重要作用。