引言

流域地表水与地下水转化关系的时空变化规律是水文地质和水资源管理领域的重要研究课题。地表水和地下水作为地球水循环的两个主要组成部分,在流域水文循环和水资源管理中起着关键的作用。研究地表水与地下水之间的转化关系及其时空变化规律,对于科学合理地管理和保护水资源、预测洪涝和干旱、维护地下水供给等具有重要意义。

地表水与地下水之间的转化关系是复杂的,受到多种因素的影响。首先,地表水和地下水之间存在着强烈的相互作用。地表水通过河流、湖泊和湿地等渗漏进入地下水层,而地下水也可能通过渗出或泉水形式补给地表水系统这种水体的相互转化与水文地质条件密切相关,包括岩性、裂隙、孔隙度和渗透性等。其次,季节性水位变化对地表水与地下水转化关系具有重要影响。在丰水期,河流水位上涨,地表水补给地下水的过程可能增加,而在枯水期,地下水补给河流的作用相对增强。这种时空变化的规律决定了地下水和地表水之间的转化情况。此外,土壤水含量和植被的影响也对地表水和地下水的相互转化过程起到重要调节作用。随着社会经济的快速发展和人类活动的增加,流域的水资源面临着日益严重的压力。

因此本文以某地为研究背景,分别枯水期和丰水期采取24个地下水的样本和18个河流样本,进行水化学特征和同位素特征分析,并讨论了河水与地下水之间的转化关系受到水化学和水文地质条件的影响。

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工程概况

研究区位于我国西南部,总面积约2573km²。该地区地质或地貌复杂,以典型的四季模式为特征,年气温为11.4℃。雨季的年平均降雨量约为814.6mm,持续时间为6-9月，夏季出现大暴雨。

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材料与方法

分别在枯水期和丰水期采取24个地下水的样本和18个河流样本,并将采取的样本置于恒温箱内保存,使用称重测量法计算溶解性总固体(TDS),阳离子采用火焰发射光谱法和火焰原子吸收分光光度法测定,阴离子采用离子色谱法和滴定法测定。

由质量守恒定律可知,地表水与地下水之间的混合转化比例为: 

式中:δm为混合水体中的同位素含量,无量纲;δ1为A水体中的同位素含量,无量纲;δ2为B水体中的同位素含量，无量纲;f为A水体占混合水体的体积比例,无量纲,则公式(1)可化简为:

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结果与讨论

3.1水化学特征

根据对河水在不同时期的离子浓度检测发现,河水中的阳离子主要包含Na+、Ca²+、K+和Mg2+四种,其含量关系为: Na+最多，Mg2+次之,Ca²+和K+含量最低;阴离子主要包含SO42-、Cl-和 HCO3-三种,其含量关系为:SO42-最多,Cl-次之,HCO3-含量最低。在自然水循环中,地下水与河水之间存在复杂的相互作用。地下水通过渗流进入河流,补给河水的水量,而河水也可能通过渗流进入地下水层,与地下水进行交互。这种交互作用促使地下水和河水中的离子组成保持一致,因此,流域内地下水和河水的离子组成总体上保持一致,但在细微的水文地质条件和固体环境的影响下,个别离子的浓度可能存在差异。

图1显示了地下水与地表水在不同时期TDS沿流程的变化情况,其中TDS代表溶解性总固体。由图可知,相较于地下水,地表水的TDS更大;在枯水期无论是在上中下游,干流地表水的TDS均大于干流地下水,在上游甜水河地下水的TDS沿流程递增,而甜水河地下水的TDS基本不变。枯水期是地区降水量较少的时期,地表径流减少,导致地下水补给减少。此时,地下水中的溶解物质浓度相对较高,TDS 值随之增大。然而,当降水量更进一步减少时,补给源也相应减少,地下水中的溶解物质浓度可能会减小,从而导致TDS值下降。另外,丰水期的高流速和水量会增加河水携带沉积物的能力。这些沉积物可能富含非溶解性的固体颗粒,如泥沙、矿物质等。当这些颗粒物携带进河流时,它们可以起到稀释河水中的溶解物质的作用,从而导致TDS值的下降。

3.2同位素特征

图2显示了地下水与地表水在不同时期δD与δ18O的变化关系。由图可知,在枯水期δD和δ18O值均发生了贫化。枯水期通常伴随着气候干燥和高温的条件,这些条件促使水体发生蒸发作用。在蒸发过程中,水中的重同位素(δD)和稳定氧同位素(如氧-18,标记为δ18O)会更容易蒸发而相对富集于液相中,导致水体中的δD和δ18O值相对较低,即贫化。在枯水期,地下水补给减少,导致地下水水位下降。这可能使得地下水通过排泄作用排出到河流,而地下水通常具有较低的δD和 δ18O值。当这部分低同位素水在枯水期排放到河流中时,河水中的δD和δ18O值也会出现贫化现象。另外,在丰水期,降雨量增加并导致更多的径流进入河流。这些径流通常具有较高的δD和δ18O值，因为它们主要来自降雨，而降雨水的同位素含量相对较高。而在枯水期,河流的径流减少,而地下水和蒸发作用的影响增加,导致河水中δD和δ18O值贫化。枯水期通常伴随着地下水补给的减少,而更多地受到来自蒸发和蒸腾作用的影响。这些过程导致了水体中可蒸发水分子的相对富集,进一步导致δD和δ18O值贫化。

据调查在枯水期银川大气降水的方程为δD=7.22δ18O+5.5,枯水期地下水方程为δD=5.73δ18O-14.49,枯水期地表水方程为δD=4.81δ18O-23.87;在丰水期地下水方程为δD=4.69δ18O-21.77,丰水期地表水方程为δD=3.90δ18O-29.08。枯水期拟合斜率分别为5.73和4.81,小于大气降水。同位素拟合曲线的斜率表示水体中同位素随时间变化的速率。较小的斜率意味着水体中同位素的变化速率较慢,即同位素在水体中的分馏程度较小。河水和地下水的同位素拟合曲线斜率小于大气降水曲线斜率,表示水体中的同位素(例如同位素δD和氧同位素δ18O)在水循环过程中发生了一定程度的分馏作用。由于河水和地下水中的同位素分馏较小,导致其同位素拟合曲线的斜率相对较小。而大气降水由于参与了更多的蒸发和降水过程,分馏程度更高,因此其同位素拟合曲线斜率较大。丰水期的拟合斜率均小于对应枯水期拟合斜率,表明干流河水和地下水无转化关系，且由上游至下游的蒸发效果逐渐减弱。

3.3讨论

河水与地下水之间的转化关系受到水化学和水文地质条件的影响。以下是一些在这方面的常见情况和因素:

(1)地下水补给河水:地下水可以通过渗透、地下径流或泉水等途径补给河流。这种补给通常发生在河流河床以下的饱水层或含水层中,水文地质条件如岩性、裂隙、孔隙度等将决定地下水与河水之间的转移速度和水质特性。

(2)河水渗漏至地下水:部分河水可以通过渗漏进入地下水层,在与地下水混合后形成含河水的混合地下水。这种过程通常发生在河岸、河床下方的含水层中,地质条件如土层渗透性、河岸渗漏等将影响河水对地下水的渗漏程度和混合比例。

(3)季节性相互影响:在季节性水文循环中,河水与地下水之间的转化关系可能因水位差异而发生变化。在丰水期，河水水位上涨,可能导致河水渗漏至地下水层增多,而在枯水期,地下水补给河水的作用相对增强。

(4)地下水与河水的化学反应:河水和地下水可能具有不同的水化学特性,由岩石溶解、离子交换作用、沉降等过程所影响。河水与地下水之间的接触和混合会导致一系列的化学反应,如溶解、沉淀、酸碱中和等,从而改变水体的化学组成和质量。

图3 显示了地下水与地表水在不同时期18O的变化。由图可知,在枯水期银川平原的δ18O为-10.04%o,表明枯水期河水受蒸发作用导致同位素的富集,而地下水重同位素呈波动变化趋势,表明河水和地下水之间的水力联系微弱。而在丰水期上游地下水的δ18O最低值为-8.4‰，最高值-7.6‰,上游地下水的差值较大,证明上游河水同位素的富集主要由蒸发分馏影响。

结 语

本研究将对某地水流的上中下游的地表水和地下水进行取样调查,研究TDS含量和同位素变化影响,揭示河水与地下水之间的转化关系与水化学和水文地质条件的关系,得出主要结论如下:

(1)地下水通过渗流进入河流,补给河水的水量,而河水也可能通过渗流进入地下水层,与地下水进行交互,这种交互作用促使地下水和河水中的离子组成保持一致。

(2)在空间上,地下水径流分区的形成直接反映了不同水文地质条件下地下水运动和补给的差异。上游地下水主要来自上游地区的雨水入渗和山区水源,而中游地下水则受到更多地表水直接输入的影响。这些不同的补给源可以使得地下水离子组成在空间上表现出明显的分区特征。

(3)在枯水期δD和δ18O值均发生了贫化。枯水期通常伴随着气候干燥和高温的条件,这些条件促使水体发生蒸发作用。