太子河辽阳至小林子段地下水与地表水相互转化研究

赵博

（辽宁江河水利水电新技术设计研究院有限公司，辽宁沈阳110003）

评价地表水—地下水相互转化的常规方法有：直接测量法，在实际应用中获得面尺度上的数据较为困难[1,2]；温度示踪法，依赖地表水和地下水之间温度明显的差异[3]；地下水均衡法、水力梯度算法、数值模拟法等基于达西定律的方法，其数值可在不同的数量级上变化[4，5]；人工示踪、水化学与同位素示踪等基于质量平衡的示踪法，只能得到半定量的结果，难以实现连续的动态监测，在地表水—地下水非单向交换的地段一次数据难以准确描述转化过程[1,6]。由此可见，以上4 种方法都有局限性，在计算时存在诸多不确定性。下文使用基于地表水均衡原理的累积转化量法，研究太子河窝水库下游的山前平原河段的地表水—地下水转化关系。该方法不受同位素、温度等测量数据限制，以日为单位进行累计计算，且所需的日尺度观测数据在地下水观测站较易获得，计算更精确。

1 累积转化量法原理

累积转化量法基于地表水均衡原理，对于某一特定的河段，水量变化量（补拍差）可用上下游的流量差表示，水均衡方程：

式中：Q补，Q排——河段各项补给或排泄量；Q上，Q下——河段上或下游流量。

将补给和排泄量进行细化，可得到普遍情况下的水均衡方程：

式中：Q支——支流流量；Q降——降水对河段水面的补给量；Q蒸——河段水面的蒸发量；Q转——河水与地下水之间的转化量；Q引——外部引水量；Q其他——其他河段水量变化，表示河段的补给相为正值，表示河段的排泄相为负值。

通过计算出每日的转化量，进而求得任意第n天的累积转化量公式：

2 研究区概况

研究区位于辽宁省东部的太子河流域，流域面积13 883 km2，干流河长413.0 km，河流年均径流量37.3×108m3。研究河段位于窝水库下游的太子河山前冲洪积平原，辽阳站与小林子站之间，河段长37.7 km，该河段北侧有支流北沙河汇入。研究河段流量数据采用辽阳站、小林子站的流量控制，北沙河流量由前烟台水文站控制。研究河段内无任何取水工程。河段以南为辽阳灌区，种植水稻，灌溉面积67 km2，灌溉用水主要来自太子河，引水渠首位于辽阳东部的鹅房，在辽阳站上游；河段以北主要为旱田。冲洪积平原地势平坦，含水层为砂砾石，厚40~80 m，渗透系数可达70~400 m/d，地下水交替能力强；地表有2~12 m 黄褐色亚粘土，由东至西逐渐变厚。

所用数据均为2006—2016 年数据，由辽宁省水文局提供。流量数据选用辽阳站、小林子站与前烟台站的日均流量数据控制，降水数据为小林子站日降水数据，蒸发数据为小林子站日蒸发系列数据，采用φ20 cm 蒸发器测量，由人工观测。

3 结果与讨论

3.1 河段年内转化量计算

计算河水水面蒸发量时，需要将φ20 cm 蒸发器所测量的蒸发量（E20）折算成E601 型蒸发器的蒸发量，以近似反映天然大水体蒸发值。折算系数C的选择依据《辽宁省水资源》，如表1 所示。计算河段2016年累积转化量的计算结果如图1所示。

表1 太子河水面蒸发量φ 20 cm—E601 型折算系数表

图1 研究河段2016 年地下水—地表水累积转化曲线降水及上下游径流量

3.2 2016 年河段转化量分析

经过计算分析，2016 年研究河段河水—地下水累积转化量整体呈上升趋势，该河段为地下水对河水补给。但不同时段转化情况不同，呈现典型的阶段性。根据累积转化量的变化趋势可大致将其划分为7 个阶段（图1，表2），其中阶段1，6 与7 变化相对稳定，阶段2—5 变化剧烈。阶段1 为1—4 月，表现为稳定的地下水补给河水，上下游流量稳定，累积转化量变化稳定，该阶段可认为是自然控制型。阶段2 河水流量于4 月29 日陡增（图1），是上游窝水库放水引起。时段为灌溉初期，在阶段上仍表现地下水补给河水，转化率较低，仅为3.6×104m3/d，该阶段可认为水库调蓄与农田灌溉共同作用型。阶段3 上游间隙性放水，河水位呈波动状变化且相比阶段2 显著降低；灌溉强度减小，地下水位呈波状变化并略有上升趋势，该阶段可认为是灌溉作用主要控制型。阶段4 水库放水量增加，减弱了灌溉引起的地下水对河水补给强度，转化率减小为26.9×104m3/d，该阶段为水库调蓄与农田灌溉共同作用型。阶段5 与阶段3 类似，为灌溉作用主要控制型。阶段6 上游水库不再进行大规模放水，停止灌溉。但灌溉影响依然存在，水位仍高于天然状态，该阶段可认为灌溉滞后作用型。阶段7 上下游流量逐渐恢复为阶段1时的流量，灌溉带来的影响基本消失，转化速率为37.6×104m3/d，与阶段1 的转化速率接近，可认为是自然控制型。计算结果见表2。

表2 研究河段河水—地下水转化量计算结果

3.3 河段年际转化量分析

如图2 所示，总体上该河段表现为地下水补给河水，11 年期间总补给量为10.222 亿m3，年均补给量为0.929 亿m3，各年份转化情况不尽相同。从图2 可见，仅2007 年和2015 年的地下水—地表水转化模式与 2016 年相一致，即 1—5 月与 10—12 月地下水缓慢补给河水，6—9 月地下水迅速补给河水。而2009—2014 年表现为另一种转化模式，即1—5 月份与 10—12 月份河水补给地下水，6—9 月份地下水补给河水。这与水库在枯水期的调蓄息息相关，相关研究表明，太子河流域水库建设（特别是芭水库）改变了河流的基流过程，在减少了汛期基流的同时，增加了汛前基流（1—5 月与10—12 月）。这使得枯水期河水流量增加，河水位相应抬升，而地下水水位由于降水量减少而降低，为河水渗漏补给地下水创造了条件。分别计算历年各月的转化量，其箱型图分布如图3 所示，可见在多年的尺度上，每年的1—5 月与10—12 月表现为地下水与河水互相转化，具体转化取决于窝水库的调蓄。6—9 月份基本表现为地下水转化为河水，不论水库如何调蓄，灌溉引起的地下水位抬升总能使地下水转化为河水。

图2 2006—2016 年研究地下水-地表水累积转化曲线与降水关系

图3 2006—2016 年研究河段各月份转化量箱型图

4 结论

1）运用累积转化量法对太子河冲积平原辽阳—小林子河段进行研究，并将其河水—地下水转化关系划分为7 个阶段、4 种类型（自然控制型、水库调蓄与农田灌溉共同作用型、灌溉作用主要控制型、灌溉滞后作用型）。河段天然状态下补给量约为34.5×104m3/d，灌溉引起的补给增量可达（78.0~138.7）×104m3/d，灌溉停止后，其影响可持续时间48 d，补给增量为30.3×104m3/d。

2）辽阳—小林子段在2006—2016 年总体上为地下水补给河水，补给量为10.222 亿m3，年均补给量为0.929 亿m3。由于窝水库在枯水期的调蓄作用，使得各年份的转化关系不尽相同。每年的1—5 月与10—12 月表现为地下水与河水互相转化，具体转化取决于窝水库的调蓄，而6—9月份基本表现为地下水转化为河水。