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中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会作品名称：地表水与地下水相互作用的温度示踪法作品类型：地学资源类院系：环境学院水文与水资源工程团队成员：林晶晶魏文浩指导老师：孙自永中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会1/16目录一．引言.........................................................................................................................2二．国内外研究现状......................................................................................................2三．创新点及假说..........................................................................................................3四．温度示踪原理..........................................................................................................4五．方案设计.................................................................................................................61．研究思路及目标.....................................................................................................62．选择研究区域........................................................................................................73．研究区概况............................................................................................................7（1）地理位置.................................................................................................................7（2）水文条件.................................................................................................................8六．数据来源.................................................................................................................8七．数据分析.................................................................................................................81.大气温度、河水温度与地下水温度6月27-7月19日总趋势对比分析...................82.实测水位数据分析河水与地下水之间的相互作用..................................................103.温度示踪法分析河水与地下水的相互作用.............................................................10a.降雨条件下地下水补给河水阶段（6月27日-7月1日）.....................................10b.河水补给地下水阶段（7月2日-7月10日）.........................................................12c.河水与地下水相互作用交替频繁阶段（7月11-7月14日）................................12d.无降雨条件下地下水补给河水阶段(7月15日-7月19日)....................................14八．结论及研究展望....................................................................................................15九．参考文献...............................................................................................................16中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会2/16地表水与地下相互作用的温度示踪法摘要：目前，研究地表水与地下水相互作用较为有效的方法有示踪法和数值模型法。示踪法包括人工示踪法和水化学及环境同位素示踪法，这类方法有成本昂贵、受场地条件限制、易造成污染等缺点；对于数值模型法，目前的模型校正缺少一种便于密集与连续观测的非水力学参数。因此，温度示踪法的提出具有重要的意义。运用温度示踪法原理设计野外实验方案，对黑河中游进行一系列的温度监测，绘制温度曲线，与水位测量数据反映的地表水与地下水补排给关系对比，验证了温度示踪法研究地表水与地下水相互作用的可行性。温度示踪法对地表水与地下水交换量的计算和地下水在空间分布特征的刻画等也有重要意义。关键词：地表水与地下水的相互作用、温度示踪法、数值模型、黑河、水位、热运移一．引言地表水与地下水相互作用的研究对于水资源的统一管理、水环境污染的防治、干旱和半干旱区水生及河岸生态系统的保护等十分重要。但由于地下水与地表水相互作用的复杂性，其观测和量化仍然十分困难。目前研究地表水与地下水相互作用较为有效地手段是示踪法和数值模型法。示踪法包括人工示踪法和水化学及环境同位素示踪法，两者的成本都较昂贵，且难以实现连续动态监测，同时，还可能导致环境污染和生态环境的破坏；数值模型法可定量计算地表水与地下水间的交换量，精细刻画两者的相互作用过程及动态变化，但目前的模型校正多用水力学参数，受参数观测密度限制和不同参数间的相关性影响，其结果往往具有较大的不确定性。综上所述，为了更好地观测及精细地研究地表水与地下水的相互作用过程，迫切需要一种成本低、易于操作、能连续监测的天然示踪方法。同时，为了提高地表水与地下水相互作用模型的精度，也需要寻找一种便于密集与连续观测的非水力学参数对其进行校正。因此，尝试用温度示踪法研究地表水与地下水的相互作用具有较为重要的意义。要广泛运用温度示踪法必须首先确定其可行性，这促使我们做了进一步的探索。二．国内外研究现状经过翻阅各种文献、期刊等资料，了解到热流动理论在水文地质学发展中占有很重要的中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会3/16地位，但热作为地下水示踪剂的研究却很少。在20世纪初，科学家就意识到热伴随地下水运动，流经沉积物及其他多孔介质；20世纪中期，国外就有水文地质学家提出用温度来指示地表水与地下水的相互作用，并开始探索其可行性。此后，又有相当一部分水文地质学家进行了相关研究，目前已经具备了一定的理论基础，但由于温度测量操作上的困难，同时缺乏相应的计算条件和程序，因而限制了热作为地下水示踪剂的应用。近十余年来，随着相关技术的发展，温度测量仪器不断改进，其成本也逐步降低，并有多个热运移模拟程序相继开发与发布，从而大大促进了热示踪剂在水文地质学研究中的应用。例如：Bartolino（2003）分析了1996年9月至1998年8月美国新墨西哥州中部RioGrande河某处河床下15m深度内的水温度变化剖面，并用该温度剖面研究了不同季节河流与地下水的相互补给过程；Conant（2004）则利用详细的监测数据，分析了加拿大安大略Augus地区Pine河某河段周围地下水温度的空间分布和动态变化特征，据此识别出河床中的五种水流运移途径，从而首次详细刻画了地表水与地下水相互作用带中水流的复杂性。然而，我国有关温度示踪法的相关研究很少，已有少量研究主要是利用库水或河水与地下水之前的温度差异来探测堤坝渗漏或基坑渗漏（如：李端有等，2000；陈建生等，2002；董海洲和陈建生，2004）。三．创新点及假说运用温度示踪法研究地表水与地下水的相互作用有许多优势：（1）温度对水流作用的反应强烈且迅速，灵敏度高，测量精度高。（2）热信号是自然发生的，数据获取稳定，应用范围广。（3）热传导对沉积物结构的依赖极低，几乎不随沉积物结构的变化而变化。（4）温度指标可在野外直接测量，监测成本低，可设置大量监测点，实现高密度监测。（5）温度可以被连续监测。根据国内外对温度示踪法的研究现状，并考虑到温度示踪法具有诸多优势，我们初步提出温度示踪法可以用来研究地表水与地下水的相互作用，并希望能够设计一种方案来验证假说的正确性。中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会4/16四．温度示踪原理文中以河水代表地表水进行分析，考虑到可能存在的四种理想化的河床条件，分别代表四种典型水文条件下的河水与地下水相互作用模式。图1和2中的河流是与当地地下水系统存在水力联系的常年性河流。图3和4分别显示的是枯水期及季节性河流补给地下水的情况。热量通过渗透介质在两个质点之间的传递包括三种方式：传导、对流和辐射。传导热运移可以用热通量与温度梯度间的线性关系来描述。对流热运移是通过地下水的流动来实现的一种热运移。辐射热传递指物体间相互发射辐射能和吸收辐射能的传热过程。在地表水与地下水相互作用的过程中，热量的传递主要是通过前两种方式来实现的。在下面四幅图中，将用三组曲线表征某时段内河水水位变化（右侧）、河水温度变化（左上）以及地下水的温度变化（左下），以便说明温度示踪法的原理及进行相关推断。streamflow----流量temperature----温度streamGage----水位测量仪piezometer----测压管（注：测压管内安装温度记录仪）图1地下水补给河水图1（A组）提供的是地下水补给河水时温度示踪原理图，此时水力梯度是向上的。河水受大气温度、降水等自然因素的影响昼夜温度变化显著，河床下方沉积物中的地下水因为河水振荡对流产生的热传递而呈现与河水相似的温度波动曲线，但是，地下深处向上传导的热在昼夜尺度上相对稳定,对河床沉积物温度波动起到了一定的缓冲作用，使其温度波动与河水温度波动呈负相关关系。中国地质大学（武汉）第二十二届科技论文报告会5/16streamflow----流量temperature----温度streamGage----水位测量仪piezometer---测压管（注：测压管内安装温度记录仪）图2河水补给地下水图2（B组）提供的是河水补给地下时温度示踪原理图，此时水力梯度是向下的。河水下渗将温度信号传递给河床沉积物，向下对流的热量导致河床沉积物温度不再相对稳定，而将发生昼夜波动，且波动规律与河水温度波动规律相似，地下水温度与河水温度呈正相关关系。与地下水补给河水（A组）情况下相比，由于地下水不再补给河水，河水的温度波动不会受到具有较稳定温度地下水对其波动的削弱，此时（河水补给地下水时），河水温度波动振幅要比地下水补给河水时的温度波动振幅大。streamflow----流量temperatur