程大偉,詹紅兵,李 潔,鄧婧芫

(1. 長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054;2. 長安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;3. Department of Geology and Geophysics,Texas A&M University,College Station,TX 77843-3115,USA)

河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)是系統(tǒng)內(nèi)滲流形式(飽和流、非飽和流)、滲流通量、壓力狀態(tài)和含水量分布的綜合反映[1],影響諸多水文地球化學(xué)與生物過程[2 -3]。深刻認(rèn)識河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征,厘清系統(tǒng)內(nèi)水分遷移的基本規(guī)律,對水資源開發(fā)與管理、河流系統(tǒng)生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、河岸管理等工作具有重要意義[4-6]。

河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化是復(fù)雜的水文過程,其基本模式取決于河水位與地下水位的相對高程。在得水河流-地下水系統(tǒng)中,地下水以飽和滲流的方式排泄至河水；在失水河流-地下水系統(tǒng)中,受地下水位與河水位相對高程影響,其滲流方式表現(xiàn)為飽和流、飽和-非飽和流或完全非飽和流[7 -8]。依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)滲流特征的變化,學(xué)者們將系統(tǒng)內(nèi)水力連通演化狀態(tài)劃分為連通狀態(tài)、過渡狀態(tài)和脫節(jié)狀態(tài)[1,3,7 -10]。Osman和Bruen[11]利用數(shù)值模擬方法研究了河水與地下水之間穩(wěn)態(tài)水量交換特征。Fox和Durnford[8]探討了河床下非飽和流的發(fā)展及飽和流和非飽和流發(fā)生條件與流態(tài)特征。Brunner等[3]系統(tǒng)地總結(jié)了前人的研究成果,依據(jù)河床滲漏通量隨時(shí)間演化特征定義了河流-地下水系統(tǒng)連通狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)，盡管該標(biāo)準(zhǔn)的建立為判別河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)提供了可量化標(biāo)準(zhǔn),但對系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的機(jī)理分析不足,對系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)指標(biāo)(孔隙壓力、含水量和滲流通量)和滲流方式剖析不夠深入,未深刻揭示零通量區(qū)、非飽和滲流區(qū)對標(biāo)定水力連通狀態(tài)的作用。

受沉積作用和地質(zhì)構(gòu)造作用的影響,天然河床下沉積物常呈現(xiàn)出非均質(zhì)特性。Osman和Bruen[11]、Fox和Durnford[8]、Brunner等[3]學(xué)者對堵塞河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征開展相關(guān)研究。從本質(zhì)上講,堵塞層是河床沉積物非均質(zhì)性的一種特殊形式。天然河道下沉積物的非均質(zhì)性表現(xiàn)形式多樣,且可能隨時(shí)間和季節(jié)而變化。為了簡化研究,通常將非均質(zhì)沉積物概化為分層結(jié)構(gòu)。Wang等[10]在研究沉積物非均質(zhì)性(分層結(jié)構(gòu))對河流-地下水系統(tǒng)演化的影響中,基于傍河抽水條件,分析沉積物的展布形式、走向和空間位置對初始連通的河流-地下水系統(tǒng)演化過程的影響。傍河抽水條件的實(shí)質(zhì)是迫使地下水位下降,在其激勵(lì)下河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)滲流方式由飽和滲流演化至非飽和滲流[1,8,10],但是無法實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)變量變化的全面描述,使得系統(tǒng)內(nèi)可能存在的零通量區(qū)及其演化過程難以被捕獲。對于枯水期斷流的失水河流,河流與地下水之間形成非飽和帶，當(dāng)枯水期持續(xù)時(shí)間足夠長,系統(tǒng)達(dá)到靜水平衡狀態(tài)，以該狀態(tài)作為河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化的初始狀態(tài)。當(dāng)豐水期來臨后,在河水位的作用下系統(tǒng)內(nèi)滲流方式將由非飽和滲流向飽和-非飽和滲流轉(zhuǎn)變,最終演化至飽和滲流;系統(tǒng)內(nèi)狀態(tài)變量的演化也將由包含零通量區(qū)向包含非飽和滲流區(qū)(壓力水頭<進(jìn)氣值)轉(zhuǎn)變,最后演化至僅有飽和滲流區(qū)(壓力水頭>進(jìn)氣值)。因而,非均質(zhì)河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化研究應(yīng)以季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對象以構(gòu)建完備的理論框架。

鑒于此,本文擬以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對象,開展非均質(zhì)沉積物河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征研究,解析系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn),剖析分層界面處系統(tǒng)演化過程的變異機(jī)制,劃分系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的變異類型,完善水力連通狀態(tài)演化的理論框架,通過數(shù)值模擬方法,對所構(gòu)建的理論框架進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 理論框架

1.1 分層界面處河流-地下水系統(tǒng)演化過程的變異機(jī)制

在重力和毛細(xì)力共同作用下,自河流滲漏到河床下懸掛飽水帶內(nèi)的水將持續(xù)向懸掛飽水帶及濕潤鋒滲流,推動(dòng)懸掛飽水帶鋒面和濕潤鋒面擴(kuò)展。當(dāng)河道較直且河床及其下沉積物的性質(zhì)沿河道方向變化不大、且分層結(jié)構(gòu)的沉積物內(nèi)分層界面近似水平展布時(shí),潤濕鋒的水平擴(kuò)展對河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)的影響是次要的,可以忽略。在此條件下,可將三維河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)問題的研究簡化為一維問題(只涉及垂直流動(dòng)),如圖1所示。圖1中z為豎直方向,d0為河水位,θ為含水量,θs為飽和含水量,θ初始為初始含水量,h為壓力水頭,ha上為分層界面上方土層的進(jìn)氣值水頭,ha下為分層界面下方土層的進(jìn)氣值水頭。

圖1 非均質(zhì)沉積物河流-地下水系統(tǒng)滲流過程示意Fig.1 Seepage process of stream-groundwater system in heterogeneous sediments

對于具有均質(zhì)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng),若假定枯水期河道無水,河流與地下水之間形成了非飽和帶。當(dāng)枯水期持續(xù)時(shí)間足夠長,并且在枯水期末,系統(tǒng)達(dá)到靜水平衡狀態(tài)；在豐水期,河道水位驟升至某一河水位值并維持不變。以枯水期末為研究的起始時(shí)間,則系統(tǒng)的初始狀態(tài)為靜水平衡狀態(tài)。在上述假定條件下,豐水期時(shí)河流-地下水系統(tǒng)狀態(tài)演化依次為脫節(jié)狀態(tài)、過渡狀態(tài)及連通狀態(tài)。其中,零通量區(qū)消失是脫節(jié)狀態(tài)向過渡狀態(tài)演化的臨界條件;非飽和帶消失是過渡狀態(tài)向連通狀態(tài)演化的臨界條件,如圖2所示(圖中ZRha0為區(qū)域進(jìn)氣值面的初始深度)。該標(biāo)準(zhǔn)是對2條隨時(shí)間演化的界限曲線(濕潤鋒曲線和懸掛飽水帶前鋒曲線)的概括:前者標(biāo)定了在某一特定時(shí)刻沉積物內(nèi)含水量剖面維持初始含水量區(qū)間的上限位置和剖面上非飽和滲流區(qū)間的下限位置;后者標(biāo)定了該時(shí)刻下沉積物剖面上維持非飽和滲流區(qū)間的上限位置和懸掛飽水帶內(nèi)飽和滲流區(qū)間的下限位置,如圖2(a)中t1時(shí)刻的含水量剖面所示,其中t為時(shí)間。

圖2 沉積物非均質(zhì)性對河流-地下水系統(tǒng)演化影響示意Fig.2 Schematic diagram of the influence of sediment heterogeneity on the evolution of stream-groundwater system

濕潤鋒是總水頭梯度為零或非零的分界面。對于滿足上述假定條件的分層結(jié)構(gòu)沉積物季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng),分層界面附近的濕潤鋒豎直向下發(fā)展的速度取決于界面兩側(cè)沉積物的滲透能力。當(dāng)界面上方沉積物的滲透能力弱于界面下方時(shí),濕潤鋒在界面下方的沉積物內(nèi)發(fā)展速度加快,濕潤鋒曲線呈陡坎型；當(dāng)界面以上沉積物的滲透能力強(qiáng)于界面下方時(shí),濕潤鋒在界面下方的沉積物內(nèi)發(fā)展速度變緩,呈緩坡型。這種特征使得濕潤鋒曲線在界面處表現(xiàn)出陡坎或緩坡的變異,如圖2所示。與均質(zhì)沉積物[12]相比,在非均質(zhì)沉積物內(nèi)懸掛飽水帶前鋒曲線演化也將呈現(xiàn)明顯的變異。Cheng等[12]將飽水帶定義為含水量為飽和含水量的區(qū)間,即壓力水頭大于進(jìn)氣值水頭的區(qū)間。受分層界面兩側(cè)土層的進(jìn)氣值和滲透能力控制,懸掛飽水帶前鋒曲線在分層界面處的變異表現(xiàn)為:若界面上方的土層進(jìn)氣值(負(fù)值)小于下方土層,只有當(dāng)界面下方的土層內(nèi)孔隙水壓力達(dá)到該土層進(jìn)氣值時(shí)才會(huì)在其內(nèi)形成向下發(fā)展的飽水帶,即在分層界面以下形成向下發(fā)展的飽水帶，該特征將導(dǎo)致界面下側(cè)土層內(nèi)飽水帶出現(xiàn)時(shí)間遲于界面上側(cè),使懸掛飽水帶前鋒曲線在界面處呈現(xiàn)出后移的特點(diǎn),如圖2(a)飽和帶前鋒曲線所示;反之,在界面下方土層內(nèi)可能會(huì)先形成向下發(fā)展的飽水帶，向下發(fā)展的飽水帶會(huì)使得界面下方土層內(nèi)飽水帶的出現(xiàn)時(shí)間早于界面上方,導(dǎo)致懸掛飽水帶前鋒曲線在界面處呈現(xiàn)出前突的特點(diǎn),如圖2(b)中飽和帶前鋒曲線和圖2(c)中臺階Ⅱ下側(cè)的飽和帶前鋒曲線所示;進(jìn)一步地,當(dāng)界面處孔隙壓力發(fā)展到界面上方土層的進(jìn)氣值時(shí),會(huì)在界面上方的土層內(nèi)形成向上發(fā)展的飽水帶,此時(shí)的飽水帶同時(shí)向上下2個(gè)方向發(fā)展,如圖2(c)中臺階Ⅱ兩側(cè)的飽和帶前鋒曲線所示。

1.2 水力連通狀態(tài)演化變異類型

沉積物非均質(zhì)性對具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的河流-地下水系統(tǒng)演化特征的影響可采用濕潤鋒曲線和飽水帶前鋒曲線演化變異特征進(jìn)行描述。沉積物的非均質(zhì)性主要表現(xiàn)在構(gòu)成沉積物的巖土體顆粒粒徑和排列狀態(tài)的差異。通過對不同巖性的巖土體統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值與構(gòu)成巖土體的顆粒粒徑以及顆粒的排列狀態(tài)相關(guān),表現(xiàn)為如下特征:顆粒粗且松散的巖土體滲透能力較強(qiáng)且進(jìn)氣值(負(fù)值)較大,顆粒細(xì)且密實(shí)的巖土體滲透能力弱且進(jìn)氣值(負(fù)值)小[13]。按照構(gòu)成巖土體的顆粒粒徑大小及松散程度(為便于分類,此處采用松散程度表示，松散程度越高,密實(shí)度越低)不同對非均質(zhì)沉積物內(nèi)土層進(jìn)行排序組合,可歸納為自上而下逐層增大、逐層減小和無序排列3種類型。對應(yīng)于上述3種土層排列類型,濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異組合類型為:陡坎型濕潤鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型;緩坡型濕潤鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型；陡坎-緩坡交替型濕潤鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。

以下將對上述3種濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線組合類型的物理過程做進(jìn)一步介紹。為簡化討論,采用1.1節(jié)假定的河流-地下水系統(tǒng)。沉積物內(nèi)分層界面水平展布,同一層內(nèi)為均質(zhì)巖土體，沉積物由3種不同顆粒粒徑和松散程度的巖土體構(gòu)成(分別為細(xì)顆粒、中顆粒與粗顆粒)，沉積物的下邊界為隔水邊界。區(qū)域進(jìn)氣值面之下稱為區(qū)域飽和帶,包括傳統(tǒng)的潛水和潛水面之上至區(qū)域進(jìn)氣值面之間的飽和帶[12]。

1.2.1 陡坎型濕潤鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型

對于沉積物內(nèi)的顆粒粒徑和松散程度向下逐層增大的情形,巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值通常表現(xiàn)為自上而下逐層增大,系統(tǒng)內(nèi)濕潤鋒曲線表示為陡坎型,飽和帶前鋒曲線常呈后移型,如圖2(a)所示。對于滿足上述假定的河流-地下水系統(tǒng),當(dāng)河道來水后,河水經(jīng)由河床下滲,首先在上層土層內(nèi)形成懸掛飽水帶及其周邊的增濕區(qū)；隨著時(shí)間推移,懸掛飽水帶及其周邊的增濕區(qū)持續(xù)擴(kuò)展,之后增濕區(qū)率先穿過分層界面進(jìn)入中間土層。由于中間土層的滲透能力大于上層土層,在分層界面附近中間土層內(nèi)濕潤鋒曲線發(fā)展速度加快,形成圖2(a)中陡坎Ⅰ，當(dāng)濕潤鋒進(jìn)入中間土層后,界面附近孔隙水壓力會(huì)隨時(shí)間推移而增大。由于中間土層進(jìn)氣值比上層土層大,上層土層先達(dá)到飽和,即界面處孔隙壓力達(dá)到上層土進(jìn)氣值,界面附近的中間土層尚未飽和，此時(shí),懸掛飽水帶在界面處將暫時(shí)停止向下擴(kuò)展，飽和帶前鋒曲線出現(xiàn)臺階,如圖2(a)中臺階Ⅰ所示。在重力和毛細(xì)力共同作用下,補(bǔ)給至上層土層的河水會(huì)持續(xù)向下滲流并經(jīng)過分層界面補(bǔ)給至中間土層,使得界面處及其下側(cè)中間土層內(nèi)孔隙水壓力逐漸升高。當(dāng)界面處的孔隙水壓力達(dá)到中間土層的進(jìn)氣值時(shí),飽和帶前鋒曲線的臺階Ⅰ結(jié)束,轉(zhuǎn)為向下發(fā)展,在中間土層內(nèi)形成后移的飽和帶前鋒曲線。隨著時(shí)間的繼續(xù)推移,增濕區(qū)還將向下層土層擴(kuò)展，當(dāng)濕潤鋒曲線進(jìn)入下層土層后,由于下層土層的滲透能力比中間土層大,在分層界面處濕潤鋒曲線的發(fā)展速度變快,形成圖2(a)中陡坎Ⅱ。濕潤鋒進(jìn)入下層土層后,使分層界面附近的中間土層和下層土層內(nèi)孔隙水壓力增大，由于下層土層的進(jìn)氣值比中間土層的大,懸掛飽水帶在中間土層與下層土層界面處暫時(shí)停止擴(kuò)張,形成如圖2(a)中所示的臺階Ⅱ。若下層土層內(nèi)區(qū)域飽和帶埋深較淺,自界面向下層土層補(bǔ)給的水分會(huì)快速補(bǔ)給至區(qū)域飽和帶,使得區(qū)域飽和帶的飽和帶前鋒向上發(fā)展；若在區(qū)域飽和帶前鋒到達(dá)中間土層與下層土層界面之前,增濕區(qū)的擴(kuò)展而導(dǎo)致的界面處孔隙水壓力增加未達(dá)到下層土層的進(jìn)氣值,則在下層土層內(nèi)不會(huì)形成向下發(fā)展的飽水帶和向下發(fā)展的飽和帶前鋒,如圖2(a)中臺階Ⅱ下側(cè)飽和帶前鋒曲線所示。

該情形下,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài)，當(dāng)臺階Ⅱ結(jié)束時(shí)系統(tǒng)將由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

1.2.2 緩坡型濕潤鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型

對于沉積物內(nèi)的顆粒粒徑和松散程度逐層減小的情形,巖土體的滲透能力和進(jìn)氣值通常表現(xiàn)為自上而下逐層減小。根據(jù)1.1節(jié)濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異特征,采用與1.2.1節(jié)相似的分析思路,可知系統(tǒng)內(nèi)濕潤鋒曲線表示為緩坡型,飽和帶前鋒曲線表現(xiàn)為前突型,如圖2(b)所示。

該情形下,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài)。當(dāng)臺階Ⅱ結(jié)束時(shí)間早于下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面的時(shí)間,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài);反之,只有當(dāng)臺階Ⅱ結(jié)束時(shí),系統(tǒng)才由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

1.2.3 交替型濕潤鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型

在天然沉積物內(nèi),沉積物內(nèi)顆粒粒徑及松散程度自上而下更多地呈現(xiàn)出無序性,具體的排列形式具有多樣性。根據(jù)1.1節(jié)濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線的變異特征,當(dāng)具有不同顆粒粒徑和松散程度的土層無序排列時(shí),濕潤鋒曲線變異類型可能是陡坎型、緩坡型或交替型;飽和帶前鋒曲線變異類型可能是后移型、前突型或交替型。為便于描述,本節(jié)僅以上層土層的顆粒粒徑及松散程度為中等、中間土層為最粗和下層土層為最小為例進(jìn)行說明。相應(yīng)土層的滲透能力和進(jìn)氣值自上而下為中、大、小3個(gè)等級。采用與1.2.1節(jié)相似的分析思路,可得系統(tǒng)內(nèi)濕潤鋒曲線表現(xiàn)為陡坎型,飽和帶前鋒曲線表現(xiàn)為交替型,如圖2(c)所示。

該情形下,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài)。當(dāng)臺階Ⅰ結(jié)束時(shí)間早于下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面的時(shí)間,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面時(shí),系統(tǒng)將由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài);反之,當(dāng)臺階Ⅰ結(jié)束時(shí),系統(tǒng)將由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

2 材料與方法

為驗(yàn)證本文所構(gòu)建的理論框架,采用HydroGeoSphere(HGS)中一維定水頭模型模擬具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)滲流過程。在HGS模型中,河床下沉積物的總厚度設(shè)置為200 cm；基準(zhǔn)面設(shè)置在河床,系統(tǒng)初始條件設(shè)置為枯水季末期的靜水平衡狀態(tài),初始時(shí)刻剖面上總水頭為-200 cm；在豐水期,河水位設(shè)置為150 cm并保持不變；河床下沉積物包含3層土層,對應(yīng)的土樣分別為淤泥、砂質(zhì)黏土和砂土,各土樣物理參數(shù)[1]見表1；沉積物的底板為隔水底板。

表1 土層厚度及土樣物理參數(shù)

Brooks-Corey模型[14]被用于定義土水特征曲線和相對滲透系數(shù)(kr),如式(1)和式(2)所示:

(1)

kr=Se(2/λ+lp+2)

(2)

式中:ha為進(jìn)氣值水頭,cm;h為壓力水頭,cm;lp為孔隙連通參數(shù),取值為2;Se為有效飽和度,cm3/cm3。3種土樣構(gòu)成的土層排列組合類型共有6種,組合方案如表2所示。

表2 河床下沉積物內(nèi)土層排列組合方案

3 結(jié)果與討論

圖3示出了6種組合方案下具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過程。圖中虛線為濕潤鋒曲線,不同顏色區(qū)塊對應(yīng)不同的飽和度區(qū)間,不同顏色區(qū)塊的界線為飽和度等值線,飽和度為1的等值線是飽和帶前鋒曲線。

圖3(a)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下依次減小。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(上層土層與中間土層界面,-100 cm)和下界面處(中間土層與下層土層界面,-160 cm)發(fā)展速度均有所變緩,表現(xiàn)為緩坡型濕潤鋒曲線;飽和帶前鋒曲線在上界面處(-100 cm)和下界面處(-160 cm)表現(xiàn)為前突的特點(diǎn),并形成了2個(gè)較短的臺階,持續(xù)時(shí)間均約0.05 h。演化類型表現(xiàn)為緩坡型濕潤鋒曲線與前突型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的0.84 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的0.86 h,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3 6種組合方案下季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)演化過程模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of the evolution process of the seasonally losing stream-groundwater system under the six combination schemes

圖3(b)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最大,中層最小,下層中等。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(-100 cm)表現(xiàn)為陡坎,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為緩坡;飽和帶前鋒曲線在上界面處(-100 cm)表現(xiàn)為前突,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為后移，臺階持續(xù)時(shí)間分別為0.05 h和0.14 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎-緩坡交替型濕潤鋒曲線與前突-后移交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的1.47 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的1.72 h,下層土層內(nèi)飽和帶前鋒抵達(dá)區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(c)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層中等,中層最大,下層最小。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(-60 cm)和下界面處(-160 cm)均表現(xiàn)為陡坎。在下界面處(-160 cm)濕潤鋒曲線發(fā)展加快的原因在于:雖然中間土層的飽和滲透系數(shù)大于下層土層的飽和滲透系數(shù),但是下層土層的飽和度卻遠(yuǎn)高于中間土層,二者綜合作用的結(jié)果使得界面處下層土層滲透能力更強(qiáng)。飽和帶前鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為后移，在下界面處(-160 cm)表現(xiàn)為前突，臺階持續(xù)時(shí)間分別為3.30 h和0.12 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的3.39 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的3.98 h,自中間土層和下層土層界面處向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與上層土層和中間土層的界面處飽和帶前鋒臺階相交,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(d)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層中等,中層最小,下層最大。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為緩坡,在下界面處(-100 cm)表現(xiàn)為陡坎；飽和帶前鋒曲線在上界面處(-60 cm)表現(xiàn)為前突,在下界面處(-100 cm)表現(xiàn)為后移，臺階持續(xù)時(shí)間分別為0.01 h和7.52 h。演化類型表現(xiàn)為緩坡-陡坎交替型濕潤鋒曲線與前突-后移交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的5.8 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的9.39 h,自區(qū)域飽和帶向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與中間土層和下層土層的界面處飽和帶前鋒臺階相交,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(e)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最小,中層中等,下層最大。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-100 cm)均表現(xiàn)為陡坎；飽和帶前鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-100 cm)均表現(xiàn)為后移,臺階持續(xù)時(shí)間分別為0.42 h和 7.25 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的8.34 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的11.9 h,自區(qū)域飽和帶向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與中間土層和下層土層的界面處飽和帶前鋒臺階相交,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

圖3(f)中沉積物內(nèi)各土層的飽和滲透系數(shù)和進(jìn)氣值自上而下為上層最小,中層最大,下層中等。由圖可見,濕潤鋒曲線在上界面處(-40 cm)和下界面處(-140 cm)均表現(xiàn)為陡坎。在下界面處(-140 cm)濕潤鋒曲線發(fā)展加快的原因在于:雖然中間土層的飽和滲透系數(shù)大于下層土層的飽和滲透系數(shù),但是下層土層的飽和度卻高于中間土層,二者綜合作用的結(jié)果使得界面處下層土層滲透能力增強(qiáng)。飽和帶前鋒曲線在上界面處(-40 cm)表現(xiàn)為后移,在下界面處(-140 cm)表現(xiàn)為前突，臺階持續(xù)時(shí)間分別為10.61 h和0.81 h。演化類型表現(xiàn)為陡坎型濕潤鋒曲線與后移-前突交替型飽和帶前鋒曲線組合型。在滲流開始后的8.03 h,濕潤鋒曲線發(fā)展至區(qū)域進(jìn)氣值面,系統(tǒng)脫節(jié)狀態(tài)演化為過渡狀態(tài);在滲流開始后的11.73 h,自中間土層和下層土層界面處向上發(fā)展的飽和帶前鋒曲線與上層土層和中間土層的界面處飽和帶前鋒臺階相交,系統(tǒng)由過渡狀態(tài)演化為連通狀態(tài)。

4 討 論

本文以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對象,著重探討了豐水季來臨后,在河水位維持不變的條件下,系統(tǒng)內(nèi)沉積物巖性差異對水力連通狀態(tài)演化過程變異的影響機(jī)制,總結(jié)了水力連通狀態(tài)演化的變異類型。然而,河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過程是復(fù)雜的水文過程，河流幾何形態(tài)、河床沉積物巖性特征、含水層水力特征、河流水動(dòng)力條件[15-18]等諸多因素都會(huì)影響到河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過程和水力連通狀態(tài)的演化。同時(shí),系統(tǒng)內(nèi)水分遷移過程和水力連通狀態(tài)的變化又將影響系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移與能量傳輸,進(jìn)而對系統(tǒng)內(nèi)生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生影響。

(1) 本文試圖構(gòu)建具有分層沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化特征的理論框架,在研究中采用了理想化的模型,即河道是順直的,河道及河道兩側(cè)地形、地貌、河床沉積物和下伏沉積物巖性和水力特征等沿河道中線是對稱的,豐水季河水位不隨時(shí)間變化。然而,上述水文與地質(zhì)因素的變化都將對系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過程的研究方法和變異特征產(chǎn)生影響。若河道是彎曲的,河道及河道兩側(cè)地形、地貌沿河道中線是非對稱的,相應(yīng)幾何模型和物理模型宜概化為三維模型以研究來自上游和側(cè)向補(bǔ)給對系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化過程及其變異的影響;若僅河床沉積物和下伏沉積物的巖性和水力特性沿河道中線是非對稱的,相應(yīng)幾何模型和物理模型宜概化為二維模型以研究水分的側(cè)向遷移對系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過程及其變異的影響;若考慮到河水位隨時(shí)間的變動(dòng),抑或河水位與地下水水位相對高程隨時(shí)間的變化,則要考察系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的演化速率和演化方向等與時(shí)間相關(guān)的特征。

(2) 河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)的變化將對系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移和能量傳輸過程產(chǎn)生影響,尤其是依賴于水動(dòng)力條件的物質(zhì)遷移和能量傳輸過程，典型的如系統(tǒng)處于脫節(jié)狀態(tài)。在該狀態(tài)下,河水與地下水之間存在零通量區(qū),這意味著系統(tǒng)內(nèi)河水與地下水之間不存在依賴于水力驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)或能量交換。研究河水-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)的空間格局和時(shí)間演化特征,對于深刻理解系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)遷移和能量傳輸具有重要意義。

(3) 河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)生物地球化學(xué)過程是復(fù)雜的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和能量傳輸交換過程。河水-地下水交互作用帶是活躍的生態(tài)群落交錯(cuò)區(qū),對河流生態(tài)區(qū)健康起著關(guān)鍵的生態(tài)小生境的作用[17]。河流-地下水系統(tǒng)內(nèi)水力連通性控制著系統(tǒng)內(nèi)水動(dòng)力條件驅(qū)動(dòng)下的物質(zhì)遷移和能量傳輸過程,對控制系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)群落和生態(tài)分布具有重要作用。研究系統(tǒng)內(nèi)河流-地下水系統(tǒng)連通狀態(tài)演化過程及變異特征,對于揭示河水-地下水交互作用過程的生態(tài)效應(yīng)具有重要的參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文以具有分層結(jié)構(gòu)沉積物的季節(jié)性失水河流-地下水系統(tǒng)為研究對象,構(gòu)建了系統(tǒng)內(nèi)水力連通狀態(tài)演化的理論框架,并采用數(shù)值模擬方法,對所構(gòu)建的理論進(jìn)行檢驗(yàn)。主要結(jié)論如下:

(1) 沉積物的非均質(zhì)性對河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過程影響的物理機(jī)制是土層內(nèi)巖性差異造成的土層間滲透能力和毛細(xì)力作用(具體表現(xiàn)為進(jìn)氣值)的差異。前者影響系統(tǒng)內(nèi)增濕區(qū)的發(fā)展過程(或零通量區(qū)的消失過程),后者影響系統(tǒng)內(nèi)飽和滲流區(qū)的發(fā)展過程和發(fā)展模式。

(2) 河流-地下水系統(tǒng)的連通狀態(tài)劃分標(biāo)準(zhǔn)建立在濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過程的基礎(chǔ)之上。通過分析濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過程和演化模式能夠有效提取河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化的信息。根據(jù)濕潤鋒曲線和飽和帶前鋒曲線演化過程和演化模式的差異,本文建議將分層沉積物的河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化類型劃分為陡坎型濕潤鋒曲線與后移型飽和帶前鋒曲線組合型、緩坡型濕潤鋒曲線和前突型飽和帶前鋒曲線組合型及交替型濕潤鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型。

(3) 通過模擬6種具有不同土層排列組合形式的沉積物所組成的河流-地下水系統(tǒng)水力連通狀態(tài)演化過程發(fā)現(xiàn)，受分層沉積物內(nèi)巖性排列組合差異的影響,交替型濕潤鋒曲線與交替型飽和帶前鋒曲線組合型表現(xiàn)出更為具體且多樣的形式；巖土體非飽和狀態(tài)下滲透能力是導(dǎo)致分層界面處濕潤鋒曲線變異類型變化的重要因素之一；受沉積物非均質(zhì)性的影響(具體而言是進(jìn)氣值),飽和帶前鋒曲線演化模式呈現(xiàn)出多樣性,飽和帶前鋒曲線閉合點(diǎn)的空間位置既可能在區(qū)域飽和帶進(jìn)氣值面處,也可能在分層界面處。