（环境工程专业论文）河流与地下水关系演化的实验研究.pdf

河流与地下水关系演化的实验研究 摘要 在自然界中，河水与地下水之间存在着密切的水力联系，二者之间不仅发生水量交 换，而且存在溶质和污染物的迁移。随着人类大规模地开采傍河水源地的地下水，河流 对地下水系统的影响更为显著，二者之间的相互作用机理也更为复杂。因此，河流与地 下水关系成为当前学术界研究的热点和前沿问题。傍河取水是我国北方城市一种常用的 供水模式。傍河水源地以其水量稳定、水质洁净等优点在我国大部分地区的供水中普遍 采用。由于以往人们对河流补给地下水的机理研究较为薄弱，导致评价傍河水源地可开 采资源量与实际不符，评价的可靠性较低。因此，正确认识河流与地下水之间的演化关 系，对傍河水源地水资源评价有十分重要的意义。本文在国家自然基金项目河流与 地下水关系演化的动力学机制与数值仿真模拟( 4 0 4 7 2 1 3 1 ) 的资助下，以研究河流与地 下水关系演化的动力学过程为目标，应用室内砂槽实验模拟河流与地下水关系演化的动 力学过程；探讨河流与地下水关系演化的影响因素。主要研究内容如下： ( 1 ) 实验室模拟了河流与地下水关系演化的动力学过程 实验模拟了河水位与地下水位由具有统一的浸润曲线向二者“脱节 的演化过程及 其渗流特征。 ( 2 ) 探讨了河流与地下水关系演化的影响因素 通过实对验结果的分析，探讨了河流与地下水关系演化的影响因素，如河水位、排 泄水位、河床介质的渗透性、含水层介质的均质与非均质性、河水深等。 ( 3 ) 分析得出了河水位与地下水位脱节后河床下悬挂饱水带厚度等于河流水层厚度 的结论。 以上研究成果为河流与地下水关系演化的研究提供了一定的科学依据，为进行数值 仿真模拟奠定了基础，对傍河水源地水资源开发利用有着重要的借鉴作用。 关键词：河流，地下水，演化，实验研究 e x p e r i m e n ts t u d yo n e v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i p b e t ar i v e ra n dg r o u n d w a t e r b e t w e e n a t e r a b s t r a c t t h e r ei sc l o s e l yh y d r a u l i cc o n n e c t i o nb e t w e e nr i v e ra n dg r o u n d w a t e ri nt h en a t u r e t h e r ea r en o to n l yi nw a t e re x c h a n g e ，b u ta l s os o l u t ea n dp o l l u t i o nm i g r a t i o nb e t w e e nt h e m a sh u m a nl a r g e s c a l ee x p l o i t a t i o no fw a t e ri nw e l lf i e l dn e a r b yar i v e r , t h er i v e ri sm o r e r e m a r k a b l et og r o u n d w a t e rs y s t e m si n f l u e n c e ，a n dt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h e m i sm o r ec o m p l i c a t e d t h e r e f o r e ，r i v e ra n dg r o u n d w a t e rr e l a t i o n sb e c o m eah o ta c a d e m i c r e s e a r c ha n dc u r i n g e d g ei s s u e s i nn o r t h e mc h i n a ，g e t t i n gw a t e ri nw e l lf i e l dn e a r b yar i v e r i sac o m m o nw a yt oe x t r a c tg r o u n d w a t e rf r o ma q u i f e r r i v e rs i d ew e l lf i e l d ，d u et o i t s a d v a n t a g e si nw a t e rq u a n t i t ya n dq u a l i t y , i sw i d e l yu s e df o rw a t e rs u p p l yi nm o s tr e g i o n si n o u rc o u n t r y a sp e o p l ei nt h ep a s to nt h er i v e r sg r o u n d w a t e rs u p p l ym e c h a n i s mo fr e l a t i v e l y w e a k ，r e s u l t si ne v a l u a t i o no fw a t e r i nw e l lf i e l dn e a r b yaf i v e rt ot h ee x p l o i t a t i o no fr e s o u r c e s m a yb ei n c o n s i s t e n tw i t ht h e a c t u a la m o u n t ，a n dt h el o w e rt h er e l i a b i l i t yo fa s s e s s m e n t t h e r e f o r e ，ac o r r e c tu n d e r s t a n d i n go ft h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n d g r o u n d w a t e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ow a t e r r e s o u r c e sa s s e s s m e n ti nw e l lf i e l dn e a r b yar i v e r w i t ht h es u p p o r to fc h i n e s en a t i o n a ln a t u r a lf o u n d a t i o n ，w h i c hi sr e l a t e dt ot h ed y n a m i c s m e c h a n i s ma n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e t w e e nr i v e ra n dg r o u n d w a t e r , t h i sp a p e rs t u d i e s t h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n dg r o u n d w a t e rd y n a m i c sp r o c e s s ，a p p l i e st h e i n d o o rs a n dt r a pt e s t t os i m u l a t et h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n dg r o u n d - w a t e rd y n a m i c sp r o c e s s ，a n dd i s c u s s e st h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n d g r o u n d w a t e ri n f l u e n c i n gf a c t o r s t h er e s u l t ss h o wa sf o l l o w s ： ( 1 ) s i m u l a t et h ed y n a m i cp r o c e s s o ft h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n d g r o u n d w a t e ri nt h el a b o r a t o r y s i m u l a t et h ed y n a m i cm e c h a n i s mo fe v o l u t i o nb e t w e e nt h er i v e ra n dg r o u n d w a t e rf r o m t h es a m ed r a w d o w nc u r v et ot h ed i r e c t i o no fd i s ju n c t i o na n di t sf l o wc h a r a c t e r i s t i c s ( 2 ) d i s c u s so nt h ei m p a c tf a c t o r so f t h ee v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr i v e ra n d g r o u n d w a t e r i t i st h r o u g ha n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t st od i s c u s so nt h ei m p a c tf a c t o r so ft h e e v o l u t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i v e ra n dg r o u n d w a t e r , s u c ha sr i v e rl e v e l ，t h ew a t e r l e v e lo fg r o u n d w a t e r , t h er i v e rb e dm e d i u mp e r m e a b i l i t y , t h ea q u i f e rm e d i u mh e t e r o g e n e i t y a n d h e t e r o g e n e i t y , t h er i v e rd e p t h ，a n ds oo n ( 3 ) d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tw h e nt h er i v e rl e v e ld i s jo i n t sw i t ht h eg r o u n d w a t e rl e v e l ， t h e r ei sah a n g i n gs a t u r a t e dz o n eb e l o wt h er i v e r b e d ，a n dt h et h i c k n e s so fi ti sa p p r o x i m a t e l y e q u a lt ot h er i v e rd e p t h t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d ec e r t a i ns c i e n t i f i cb a s i st ot h er e s e a r c hw h i c he v o l v e d f o rt h er e l a t i o n sb e t w e e nr i v e ra n dg r o u n d w a t e r , l a yt h ef o u n d a t i o nf o r t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n db r i n gi np r o f i t st ow a t e rr e s o u r c e se x p l o i t a t i o ni nw e l lf i e l dn e a r b yar i v e r k e yw o r d s ：r i v e r g r o u n d w a t e r , e v o l u t i o n ，e x p e r i m e n ts t u d y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储虢建卅 冲r 即日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 耐年n 多矿日 耐年r 月枷e t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义 河流与地下水的相互作用是自然界中普遍存在的一种自然现象，也是陆地水文循环 的一个重要组成部分【l 】。河流地下水是一个有着密切水力联系和频繁转化的系统。 河流与地下水关系是当前学术界研究的热点和前沿问题，如联合国教科文组织实施的第 六阶段的国际水文计划( m p ) ( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 的研究目标是水的相互作用：来自风险和 社会挑战的体系，将地表水与地下水的相互作用作为主要研究方向。联合国环境规划 ( u n d p ) 、联合国教科文组织( u n e s c o ) 、美国地质调查局( u s g s ) 等组织和机构长 期以来也致力于地表水和地下水相互作用定量化和特征研究中。我国针对傍河水源地地 下水可采资源评价、区域水循环条件以及地表水与地下水联合开发等问题，自2 0 世纪 8 0 年代以来原地矿部、科技部等设立专题对河流入渗机理、河川基流量变化、河水 地下水关系等开展相关研究【2 。7 1 。 傍河布井开采地下水是我国北方城镇、工矿企业集中供水的一种常用模式。自2 0 世纪5 0 年代以来，由于受到大规模水利工程建设、傍河开采以及自然因素的影响，河 流、地下水之间的关系趋于复杂，水循环条件发生了较大的变化。如傍河水源地由于河 流流量衰减或随着地下水开采量的增加，均可使河流与地下水关系由具有统一浸润曲线 演化为地下水位与河水位“脱节”状态；在某些悬河段受河流流量削减和流速变缓等影 响，往往在固有河床上逐渐堆积了相对细粒堆积物，这种堆积物是慢流速作用下形成的， 介质致密，阻滞了河流对地下水的补给，亦可导致河流与地下水位“脱节。除了上述 因素导致河流与地下水位“脱节”外，在地下水位埋深较大或河床下介质为非均质的情 况下，也常发生河流与地下水位“脱节”现象。河流与地下水位一旦“脱节 ，河床下 将出现非饱和带。若河床下非饱和带中存在相对致密层，将会出现河床下悬挂饱水带一 一非饱和带上层滞水相对隔水层非饱和带饱水带的水流状态，此时河 流的影响并不是一个与河流宽度相适应的垂直影响区，其影响范围远大于河流本身的宽 度，河床下相对致密层越多，水流状态越复杂，甚至会出现多层上层滞水现象，必将对 河流沿岸地下水资源的形成及水质和生态环境的演化产生重要影响【7 】。 现行的基于饱和流模拟河流与地下水相互作用的模型大多都做了如下假定： ( 1 ) 把河流做为第一类边界条件( d i r i c h l e tb o u n d a r y ) 或第二类边界条件( n e u m a r m b o u n d a r y ) ； 第一章绪论 ( 2 ) 从河流到潜水面水份的交换是瞬时的【8 】； ( 3 ) 河流的渗漏量等于潜水面补给量； ( 4 ) 当河水位与地下水位“脱节”后，在构建模型时，忽略了河床下悬挂饱水带 以及河床下悬挂饱水带与地下水位之间存在的非饱和带。 理论和实际证明：在非完整切割的河流傍抽水，随着抽水强度的增大或河流流量的 减小或河床渗透性能的减小等，都可引起河流与地下水之间由具有统一浸润曲线向“脱 节”的方向演化。r e i d 和d r e i s s ( 1 9 9 0 ) 、李俊亭和王文科等( 1 9 9 5 ，1 9 9 7 ，2 0 0 7 ) 指出地 下水与河水“脱节”后，在河水与地下水之间形成了一个包气带，其中的水流是水 气掺混的非饱和流【5 引。r u s h t o n ( 1 9 9 9 ) 指出：一旦河流与地下水“脱节”，利用现有解 析解计算的因傍河抽水引起的河流削减量偏大【9 1 。王文科、李俊亭等( 1 9 9 7 ，2 0 0 7 ) 指出： 基于饱和流模型对于非完整切割的河流，若将河流作为第一类定水头边界条件，其评价 的河流沿岸地下水可采资源量偏大；若将河流作为第二类流量边界条件，对于河水位与 地下水位“脱节的情况，把河流对地下水的渗漏补给量瞬时叠加到潜水面之上与实际 不符。综上可见，基于饱和流模型不能够准确地刻画在非完整切割的河流傍抽水时，河 流与地下水之间由具有统一浸润曲线向“脱节 的方向演化的动力学过程。特别是当河 水位与地下水位“脱节”后，基于饱和流的模型忽视河床下悬挂饱水带以及河床下悬挂 饱水带与区域地下水之间的非饱和带，把河流对地下水的渗漏补给量瞬时叠加到潜水面 之上是与实际不符，评价的河流沿岸地下水可采资源量可靠性低。其主要原因是河流与 地下水之间相互作用极为复杂，人们对相互转化机理的研究相对薄弱，建立的模型仿真 性较低【。 因此，本文在国家自然科学基金项目河流与地下水关系演化的动力学机制与数 值仿真模拟( 4 0 4 7 2 1 3 1 ) 的支持下，以探讨河流与地下水关系演化的动力学过程为目标， 开展河流与地下水演化过程中地下水的渗流特征及其影响因素分析研究。通过专门加工 的河流含水层模拟装置，在实验室采用物理方法模拟非完整切割河流傍抽水( 或排 水) 条件下，河流与地下水关系演化的动力学过程，揭示演化的机理，为建立河流与地 下水关系演化的数学模型奠定基础。实验中所考虑的因素有：河水位、河床形状、河床 导水性能、河床下一定部位存在弱透水层或透镜体、排水水位等因素对河流与地下水关 系演化的影响。研究过程中总结出的理论、方法，对傍河水源地水资源开发利用有着重 要的借鉴作用。 长安大学硕士学位论文 1 2 国内外研究文献综述与存在问题 1 2 1 河流与地下水相互作用的研究方法综述 ( 1 ) 野外实验和室内实验方法地下水与河水的相互作用可以通过野外实验和室 内实验法研究。b e l a n g e r tv 和rb w a l k e r ( 1 9 9 0 ) ，s i l l i m a n ，se 和d fb o o t h ( 1 9 9 3 ) 在 野外通过流量仪直接测定河水与地下水的转化量，使用压力仪测定水位的变化，应用地 下水与河水的温度数据来分析河水对地下水的补给范围，确定河水向地下水补给的渗透 速度和渗漏量【协1 1 】。仵彦卿，慕富强等( 2 0 0 0 ) 通过测定含水层的电导率，分析地下岩 层和地质构造，进而分析河水与地下水的转化途径【1 2 】。郭东屏等( 1 9 9 3 ) 进行连续介质 电模拟实验，在单井、多井抽水的情况下，研究越河渗流现象，但由于电模型的不灵活 性，未涉及到河流宽度、河流的不完整性及河底渗透性对越河渗流的影响问题【1 3 】。王文 科、李俊亭( 1 9 9 1 ) 在研究西宁市塔尔水源地的管理模型时指出：河流在平枯水期以垂 直淋滤方式补给地下水；丰水期河流与地下水具有统一浸润曲线，河流以侧向径流方式 补给地下水【l4 1 。李俊亭、王文科( 1 9 9 4 ) 根据野外及室内的实验资料指出：即使河床下 没有明显的隔水层，在一定的条件下，地下水位和河流也会“脱节，河流对地下水的 补给能力绝不是无限的，而且根据室内的模拟实验给出了计算表征河流对地下水补给能 力的河流临界入渗速度【l5 1 。刘国东、李俊亭( 1 9 9 7 ) 通过室内模拟实验模型构建了一个 剖面二维饱和非饱和流的数值模型，研究了具有“脱节”现象的傍河含水层中地下 水流的运动规律，初步获得了河流切割深度、河流宽度、河水深度、含水层条件以及开 采井到河岸的距离对河流与地下水“脱节的影响规律。在研究河流与地下水关系演化 方面是一次突破，为建立具有“脱节”现象的傍河水源地地下水资源评价方法提供了研 究方向【1 7 】。王文科、李俊亭等( 2 0 0 4 ) 在分析黄河流域河流与地下水相互关系后指出： 在黄河流域河流与地下水之间存在八种转化模式，其水动力特征存在着明显的差异，转 化关系极其复杂，各种转化关系随着河流流量的削减( 增加) 、地下水开采量的增加或 减小、水利工程兴建以及河流堵塞等因素影响都会发生变化，或加剧或削减或向相反方 向演化【5 】。王文科、李俊亭等( 2 0 0 7 ) 通过室内渗流实验发现，在非完整切割河流旁抽 水，随着抽水降深的增大，河流与地下水之间将由具有统一浸润曲线向“脱节”的方向 演化【7 】o 此外，近年来许多学者正在研究的应用河床下部和沿岸局部地带河水与地下水交错 带中的微生物和有机物来区分地下水与河水，是一种较为有效的方法。河流与地下水相 互转化的界面处有着重要的生态功能，是河水与地下水系统之间生物和物理化学元素双 第一章绪论 向交换的生态过渡区，具有特定的功能。由此引起了许多学者，如g i b c r t ( 1 9 9 0 ) 、 m e y e r ( 1 9 9 7 ) 、w i n t e r ( 1 9 9 8 ) 、w r o b l i c k y 和c a m p a n a ( 1 9 9 8 ) 、w o e s s n e r ( 2 0 0 0 ) 等，对河水 与地下水界面处生态功能的讨论与研究2 2 2 6 1 。河水与地下水界面处生态功能的讨论与研 究已成为河水与地下水关系演化领域中研究的热点问题之一，相比之下，我国在该方面 研究尚属空白。 ( 2 ) 动态资料分析法应用地下水和河水的水文动态资料，了解地下水与河水的 水位、流量、水温和化学成份随时间的变化规律，初步分析两者的转化关系。h e i j gj ( 1 9 8 9 ) 根据河流上下游流量资料，求得河段与地下水的补排量，然后结合流量过程线进行对照 分析，发现河水水位与河水渗透速度成线性相判2 7 1 。s p a l d i n g 和k h a l e e l ( 1 9 9 1 ) 在分析水 文数据的基础上，用数值模拟法进行计算，结果相差2 0 - 4 5 ，原因在于没有考虑河 流部分切割含水层以及河底弱透水层的影响【2 8 】。 ( 3 ) 基流切割法通过流量过程线切割基流，确定地下水向河水排泄量，该方法有 逐日平均流量过程线切割法和枯季径流法。日平均流量过程线切割法，计算精度相对较 高，但要求有较长系列的日流量资料。枯季径流法主要以年内枯季几个月径流量的平均 值，换算成年径流量，即为地下水对河水的补给量。基流切割法一直广泛使用，随着计 算机技术的发展，该方法在精度和计算速度上也有长足的进展【2 9 1 。 ( 4 ) 水化学方法河水与地下水的关系表现为水质的不同，因此，水化学方法在 研究两者相互关系方面应用广泛，p a y n e br ( 1 9 8 8 ) 通过分析河水与地下水中的成份，进 行定性判别两者的转化关系【3 0 1 。吴耀国，王超等( 2 0 0 2 ) 根据保守性离子的示踪作用， 用质量守恒定律可大致判断地下水中河水的比例1 3 1 1 。m a t h i e ur t 和b a r i a c ( 1 9 9 6 ) 用河水 与地下水中的同位素数据，可以分析不同含水层与河水的水力联系、地下水的补给来源、 各种来源水的比例、以及随地点和季节变化的迁移转化规律【3 2 】。顾慰祖，陆家驹等( 2 0 0 2 ) 在乌兰布和沙漠北部，测得了地下水和周围可能有补给关系的其他水点的1 8 0 、氚和1 4 c 含量，识别出两类承压水的各3 个补给源和潜水的三个补给源，并估算了各补给源的组 成和变幅【3 3 j 。 综上所述，地下水和河水相互作用的研究方法有很多种，但是对二者相互作用的研 究一般需要通过抽水实验，测定渗透系数、水力坡度等水文地质参数，在对实际水文条 件进行概化的基础上，选择适宜的方法求解【3 4 1 。 长安大学硕士学位论文 1 2 2 河流与地下水相互作用数学模拟的研究概况 自2 0 世纪4 0 年代以来，有许多数学模型用来分析河水对地下水的影响，主要体现 在解析模型和数值模型两方面。 ( 1 ) 解析模型目前主要存在3 种解析模型。假定河流完全切割含水层以及与 含水层有密切的水力联系，t h e i s ( 1 9 4 1 ) 首先提出了傍河取水对河流与含水层水位影响的 解析模型【3 5 】；后来g o v i n d a r a j urs ( 1 9 9 4 ) 对该模型进行了修正，使其有了长足的发展【3 6 j ； 假定河流完全切割含水层以及与含水层有密切的水力联系基础上，河流与含水层之 间存在隔水边界的情况，虽然更结合实际的水文地质条件，但在现实过程中仍很少应用 【3 7 】；假定河流部分切割含水层的情况。随着河流含水层相互研究的深入以及许多野 外实验的开展，证明了如果不考虑河流部分切割含水层、河流与含水层水力联系较弱的 情况，计算的河水渗漏量将偏大。在前苏联，稳态河流含水层模型研究也很多，该 模型体现了河流部分切割含水层的情况，并且用于冲湖积平原傍河水源地的设计【3 8 舶】。 随着研究的深入，一些学者又考虑了河床底部存在弱透水层的情况。以h u n t ( 1 9 9 9 ) 为代 表，他假定河流渗漏量同河水与含水层的水位差成线性关系，用解析法求解，不仅包括 了前人得到的解析解，而且得到了含水层中任一点的水位降低量，同野外实测数据吻合 较好【4 1 1 。c h r i s t e n s e n ( 2 0 0 0 ) 对h u n t 模型的敏感性和不确定性进行了分析，指出如果能准 确测量含水层和河水的水位，该模型应用较广【4 2 1 。在前人工作的基础上，v i t a l y a z l o t n i k ( 1 9 9 9 ) 、j a m e s j 和b u t l e r ( 2 0 0 1 ) 研究了河流宽度、河床底部沉积层厚度和渗透系数 的影响，提出了解析模型4 3 训l 。 ( 2 ) 数值模型在用解析解分析的同时，许多学者采用数值模拟方法进行地下水 与河水关系的研究，讨论了非完整河流、非完整井、含水层各向异性、不规则河床等相 对复杂的情况，进行了详细的模拟。目前，m o d f l o w 、g m s 、f e f l o w 等软件可以 用来分析地下水与河水相互作用，其中美国地质地质调查局开发的m o d f l o w ，是三维 有限差模拟软件，以其可视化程度高、交互性强、前后处理功能优越，国外运用非常广 泛。 s o p h o c l e o u sma 等( 1 9 9 5 ) 在分析解析法求解的准确性和进行水资源管理的可靠性 的基础上，利用m o d f l o w 软件，在美国堪萨斯州冲湖积平原区，考虑了复杂的水文地 质条件，包括含水层各向异性、河流部分切割含水层、河流与含水层部分水力联系等， 评价了增加限制条件的重要性，对各种限制条件逐一同g l o v e r 的解析解进行了比较，认 为渗透系数、贮水系数、河水水位变化对计算河水与地下水的转化量误差较小，精度要 第一章绪论 求较低。当假定水力联系较弱时，考虑河床底部弱透水层时，解析解与数值解相差甚远， 弱透水层的透水性越差，含水层渗透系数越大，解析解与实际相差越大。在考虑水平各 向异性时，解析解估算较低，考虑垂向各项异性时，解析解估算偏大。总的看来，河床 沉积层透水性、河床切割含水层程度、含水层各向异性是最重要的影响因素【4 5 1 。 c h e l ax u n h o n g 和y i ny a n f e n g 等( 2 0 0 1 ) 利用三维数学模型，考虑了部分切割含水层， 河流宽度、沉积层厚度和渗透系数等因素的影响，分析了季节性的地下水开采而导致的 河流减少量，包括基流量减少和径流量减少两部分。河流基流量的减少是由于傍河开采 截取了地下水向河流排泄的基流量；径流量减少是河流补给了地下水。这两种情况都是 由于傍河开采造成的，但基流量的减少对河流流量的减少影响更大，并且持续时间较长， 径流量的减少持续时间较短，影响也相对较小【4 6 1 。而t h e i s 、g l o v e r 、j e n k i n s 等人的解析 解是把河流减少量做为一个整体，将河流渗漏减少量分成两部分来研究，对于水质污染 较重河流，判定地下水中污染物来源的成份和比例意义重大 4 7 - - 4 8 】。 相对于国外来讲，国内地下水与河水数学模型的研究相对较少。钱会，郑西来等 ( 1 9 9 9 ) 以非完整河旁完整井列抽水的理想化实际模型为基础，建立起该模型的三维稳 定渗流数学模型，采用有限差分法求解了各种不同情况下此模型的数值解。认为在非完 整河旁抽取地下水会产生越河渗流问题，河流的宽度、河流的完整性以及河底弱透水层 的渗透性都会对越河渗流问题产生重要的影响，对这类问题的求解应采用三维渗流数学 模型【4 9 】。对于同时考虑地表水地下水的耦合模型，我国的研究只是个别的，探讨性 的【5 0 】。李致家，谢悦波等( 1 9 9 8 ) 从河道水流一维非稳定流( 扩展的圣维南方程组) 有 限差分的迭代方程和地下水的有限元数值方法出发，通过河道四周地下水流与河道水流 的交换流量把两个模型数值计算的矩阵方程从理论上耦合起剩5 1 】。蒋业放，张兴有等 ( 19 9 9 ) 运用动态水量交换机制，将河水模型和二维地下水模型进行耦合，分别用欧拉 法和三角网格差分法来求解【5 2 1 。崔亚莉，邵景力等( 2 0 0 1 ) 通过建立地下水模拟模型( 地 下水流动模型、地下水概念模型、地下水数学模型) 研究了玛纳斯河流域地表水与地下 水转化关系【5 3 】。王文科、李俊亭等( 1 9 9 7 ，2 0 0 7 ) 指出：基于饱和流模型对于非完整切 割的河流，若将河流作为第一类定水头边界条件，其评价的河流沿岸地下水可采资源量 偏大：若将河流作为第二类流量边界条件，对于河水位与地下水位“脱节”的情况，把 河流对地下水的渗漏补给量瞬时叠加到潜水面之上与实际不符【7 】。 1 2 3 存在的问题 目前国内外研究存在的问题是： 长安大学硕十学位论文 ( 1 ) 河水位与地下水位由具有统一浸润曲线向二者“脱节 演化的动力学机制尚不 清楚。 ( 2 ) 还没有一个完善的数学模型能描述河流与地下水关系的演化过程。既然河流与 地下水位关系的演化是一个由河流与地下水具有统一浸润曲面向不具有统一浸润曲面 的转化过程，因此采用饱和非饱和流理论研究河流与地下水关系的演化应该是很自 然的事。但这一理论的应用仍有许多问题尚待研究： 关于模型的上边界问题； 如何利用有限的野外和室内数据获得模型所需参数； 数学模型缺乏有效的数值模拟算法。 1 3 研究内容、方法、技术路线及创新点 1 3 1 研究内容 本文的研究内容如下： ( 1 ) 河流与地下水关系演化的动力学过程及其渗流特征研究。 ( 2 ) 河水位与地下水位由具有统一浸润曲线演化为“脱节”的过程中河床下地下水 渗流特征研究；探讨河水位、排泄水位、河床介质等因素对河流与地下水关系演化的影 响作用。 1 3 2 研究方法 1 、利用压力变送器和时域反射仪在室内测定砂样的负压一含水率关系曲线，即水 分特征曲线，进而拟合计算出砂样的水动力参数( k ( o ) 、c ( e ) 等) 。 2 、利用室内大型渗流槽模拟河水位与地下水位由具有统一浸润曲线至“脱节 演 化过程以及渗流特征，探讨河水位、排泄水位等对二者关系演化的影响作用。 1 3 3 技术路线 本研究采用野外调查、室内实验与理论分析相结合，开展河流与地下水关系演化的 研究。其技术路线如图1 1 所示： 第一章绪论 图1 1 研究技术路线图 1 3 4 论文的创新点 1 、在室内模拟了河水位与地下水位由具有统一浸润曲线至“脱节 的演化过程及 其特征。 2 、探讨了河水位、排泄水位、河床介质等因素对河流与地下水关系演化的影响作 用，为建立河流一地下水数值仿真模型奠定了基础。 长安大学硕士学位论文 第二章河流与地下水的转化关系及其特征 2 1 河流与地下水转化关系 2 1 1 、河流与地下水转化关系及渗流特征 根据影响河流与地下水的转化关系的因素，将河流与地下水转化关系归纳为以下五 种类型【7 1 。 1 、河流完整切割含水层( 图2 1 ) 。此类型多发生在河流上游山区或含水层厚度较 小的地段。由于河流完整地切割了含水层，河流两侧的含水层相互独立( 湿周a b c 为 等水头线) 。河流一侧地下水位的变化不会扰动另一侧地下水位，但河流水位升降将直 接影响两侧地下水的补、排泄量。 么冬 i 级 、 厂以冬乃仑 o 。- - - 。j 一 豆i 。c 入 1 7 、 、 、 、 初始潜水面 、 ， 、 ， 、 ， 立 b 图2 1 河流完整切割含水层 2 、河流非完整切割含水层( 图2 2 ) 。河流两侧含水层为统一体，河流一侧地下水 位的变化将会影响彼岸的地下水运动状态，浸润面至隔水底板的铅直线上水头不等，且 不等于河水位。河流与地下水补、排关系决定于河水位与地下水位相对高程。河流 地下水系统在近河地段具有三维渗流特征。 图2 2 河流非完整切割含水层 9 第二章河流与地下水的转化关系及其特征 3 、河流非完整切割含水层( 图2 3 ) ，河床下存在悬挂饱和带，此时形成河流 悬挂饱和带非饱和带饱和带水流系统。河流渗漏量与河流水深、湿周有关，而 与含水层的水位无关。这种情况常出现于山前洪积扇顶部、或含水层导水能力远大于河 床的垂向渗透能力、或由于河床淤塞、或由于傍河开采量较大而河流径流量较小、河床 垂直渗透能力差的地段。对于常年性河流，河床下出现非饱和带反映了河流对地下水的 补给已接近极限。只有当河流水深增大和河流宽度增加时，河流对地下水的补给才会显 著增加。 撕怖 一、潜水面 ，7 、 一吕一一乡j 导 图2 3 河流处于悬挂状态 4 、河流非完整切割，部分河床处于悬挂状态( 图2 4 ) ，在含水层中形成楔形非饱 和带。河流对地下水的补给，在河床下部分地段是以非饱和流形式，部分地段是饱和流 形式。此类型系第二种类型向第三种类型过渡的一种中间状态，多数情况下被忽略。这 种状态常出现在傍河水源地或较宽河流地段，如河流的一些傍河水源地就存在这种类 型。 图2 4 河流处于半悬挂状态 5 、河流非完整切割，河床下为饱和状态，一侧地下水补给河流，另一侧地下水处 1 0 长安大学硕上学位论文 于滞留状态，这种补排关系主要受控于地质构造( 图2 5 ) 。如在黄河流域晋陕峡谷的天 桥泉域，地下水自北东方向沿单斜蓄水构造补给河流，在含水层单斜一侧，补给区，径 流区和排泄区处于滞留状态，水质较差。近河地段地下水呈三维流状态。 图2 5 河流非完整切割含水层其下为承压水流 2 1 2 、河流与地下水关系演化的影响因素 河流与地下水的关系演化主要受自然因素和人为因素两方面的影响【5 4 1 。自然因素主 要包括地形、水文地质、气候等三方面，直接影响地下水流的动态、河水位的高低、两 者的交换方向和强度；人为因素是由于引水筑渠、傍河取水、废水排放、农业灌溉等， 改变了地下水流场，污染了水质，导致两者相互转化关系发生变化【7 , 5 5 】。 1 、地质地貌因素 地质地貌因素控制河流与地下水关系的基本格局。自然情况下，河流上游基岩山区， 地形起伏大，河谷深切，河流排泄地下水，河流两岸地下水处于相对独立状态；河流中 上游河流非完整切割含水层，河流一般补给地下水或随丰枯水期河流与地下水关系处于 交替变化之中；河流下游地区地形平坦，河谷开阔，除地上悬河外，一般是地下水补给 河流。 对于大尺度的地下水与河水的相互作用应考虑地形特点的影响。一般情况，在河流 坡降较大、扭曲度较小、河水较宽较深、切割含水层较少时，以水平流为主；反之。以 垂向流为主；当流域坡度和河流坡降基本一致或者河流坡降可以忽略不计时，发生混合 流。 2 、水文地质因素 主要有河水与地下水水位、含水层介质的均质和非均质、各向同性各向异性、河床 沉积层透水性、河流对含水层的切割深度等。 由于地下水与河水的水位差，形成的地下水流并非按区域均匀分布，在接近河流处 第二章河流与地下水的转化关系及其特征 水流量最大，随后距河流越远，水流量呈指数式下降【5 6 】。河床的非均质性也影响着河流 与地下水的补给模式。王文科等通过实验证明：河床下非均质性尤其存在粗细相间的多 期沉积韵律时，当在岸边抽水时容易诱发河流与地下水“脱节现象，并使河床下水流状 态变得极为复杂，将会出现河水河床下悬挂饱水带非饱和带上层滞水 相对隔水层非饱和带饱水带一个十分复杂的河流地下水系统。河流对地下 水补给影响带并不是与河流宽度相一致的垂直影响区，影响宽度大于河流本身的宽度。 河床下地层层数越多，相互间渗透性能差异性越大，水流情况越复杂，甚至会出现多层 上层滞水现象。王文科等在渭河岸边原位试验证实：既便是只有5 c m 的相对致密层就可 引起上述水流状态【7 j 。 3 、物理化学和生物因素 由于河流的日流量和季流量在不断变化，加之人类向河中排放污染物，河水水质不 稳定，河床上无机和有机悬浮固体、碳酸盐的沉淀、铁锰离子的氢氧化物渗入与累积以 及生物作用等，都会在河床内部或上部形成堵塞层，引起河流入渗速率减小，促使河床 下非饱和流的形成。h e e g e r ( 1 9 8 7 ) 对河床的调查表明，造成砾石河床孔隙堵塞的物质9 0 以上是无机物，t g r i s c h e k 通过实验发现，d o c 、c o d 、h o x 大约5 0 衰减发生在河床最 上面的几分米之内【5 7 1 。 4 、水文因素 降水对河流与地下水的有较大的影响。一般认为，在降水较多时，地表径流逐渐增 加，提高了较低处河流的水位，河水补给地下水；在降水较少时，基流是河流对下水的 主要排泄量。在干旱季节，河流流量的削溅引起河床湿周变小、水深变浅等，河流入渗 补给量减小，将会加剧河流与地下水向“脱节 演化的速度；相反，洪水期间，河流流 量剧增，河流的输送能力加强，河床受到侵蚀，河床上的淤积层或堵塞层被冲毁、部分移 动或被替代，河流的入渗速率增大，有利于地下水位回升，甚至出现河水位与地下水位 “脱节”向河水位与地下水位具有统一浸润曲线的方向演化。 河流季节性变化同样影响着水质的补排关系。枯水季节，不仅河水流量减少或者干 涸，而且也降低了对河水对污染物的稀释和净化功能，随着地下水开采量的增加，不断 向纵深度发展。 5 、人类活动 人类活动对河流与地下水的影响体现在引水筑渠、傍河取水、废水排放、农业灌溉 等方面。傍河抽水实际上是诱导河水入渗，显然抽水量大小对河流与地下水关系的演化 起到决定性的作用，河水位与地下水位之间的水力坡度随着抽水量的增大而增大，一旦 1 2 长安大学硕士学位论文 抽水速率大于河流入渗速率时，将在河床下面出现非饱和带。与此同时，人类在上游大量 引水和截流将会极大地影响下游河流与地下水关系，并加剧演化的进程。 综上所述，河流地下水系统是一个非常复杂的系统，受多种因素作用，各种因 素之间又相互影响，需要综合考虑。 2 2 河流与地下水转化模式及其特征 受特定的地形、地貌、地质构造、岩性变化及水文和人类活动等条件的制约，河水 与地下水转化关系极为复杂，许多科学问题仍待解决。 根据影响河流与地下水转化关系的主要因素，将河水与地下水转化模式概化为以下 几种类型【5 】： 模式1 ：常年有水河流完全切割整个含水层。这种情况由于河流的分割，河流两侧 含水层是相互独立的，河床下铅直线为一等水头线，当河流一侧的地下水受开采或其他 因素发生变化时，不会对另一侧地下水的运动受到影响。但河流水位升降直接影响到河 流对地下水的排泄或补给量。因此，在模拟这种情况地下水运动时可将河流概化为水头 边界按二维( 或三维) 流模型进行模拟。黄河流域共和盆地以及上游深大峡谷两岸地下 水运动可以概化为这种模式。 模式2 ：含水层厚度较大，河流为非完全切割整个含水层，且河水位与地下水位不 发生“脱节。这种情况下河床底部至隔水底板的铅直线不是等水头线，水头不等于河 水位。当河一侧地下水受人工长期开采或其他因素发生变化时，将会影响彼岸地下水的 运动，此时河流对地下水的补给和排泄一般不遵循平面二维渗流理论，在模拟评价地下 水与河水转化关系时将两侧作为一个统一的地下水流系统，按三维流建模，这时可将河 流湿周概化为水头边界或二类边界处理。黄河在流经山间盆地以及桃花峪以下河段大多 数属于这种情况。 模式3 ：河水位与地下水位“脱节”，河流以淋滤式渗漏补给地下水。这种情况下， 河床底部处于非饱和状态，其中的水流是水气掺混的非饱和流动，形成河流河 床下悬挂饱水带非饱和带饱水带的河流地下水系统。在评价河水与地下水 转化关系时，应建立河水三维非饱和与饱和流耦合模型进行评价。河水位与地下水 位“脱节”情况多发生在傍河水源地以及山间盆地，如湟水流域= i l ) i i 河的塔尔河段与西 j l i 河的哆吧