基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用：以黑河上游流域为例.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3张淑勋,孙自永,潘艳喜,等.基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):9 5-1 0 6.Z h a n g S h u x u n,S u n Z i y o n g,P a n Y a n x i,e t a l.U s i n g t e m p e r a t u r e t o t r a c e r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s i n a l p i n e r e g i o n s:A c a s e s t u d y i n t h e u p p e r r e a c h e s o f t h e H e i h e R i v e rJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):9 5-1 0 6.基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:基金项目:中科院A类先导战略计划(X D A 2 0 1 0 0 1 0 3)作者简介:张淑勋(1 9 9 5),男,工程师,主要从事水工环调查评价、勘查设计等方面的工作。E-m a i l:1 3 0 9 8 9 6 6 3 4q q.c o m通信作者:孙自永(1 9 7 8),男,教授,博士生导师,主要从事生态水文学、寒区水文学等领域的教学和科研工作。E-m a i l:z i y o n g.s u n c u g.e d u.c n E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.以黑河上游流域为例张淑勋1 a,2,孙自永1 a,1 b,潘艳喜1 a,李 鑫1 a,潘 钊1 a(1.中国地质大学(武汉)a.环境学院;b.长江流域环境水科学湖北省重点实验室,武汉 4 3 0 0 7 8;2.湖北省地质局水文地质工程地质大队,湖北 荆州 4 3 4 0 0 0)摘 要:高寒地区是世界众多大型河流的源区,了解区内河水与地下水的相互作用对流域水资源科学管理具有重要意义。因广泛发育多年冻土,高寒地区河床底部局部融区的形成和动态变化控制着河水与地下水的转换,导致两者间水力关系的复杂性和特殊性。受观测条件限制,目前高寒地区河水与地下水相互作用的研究极少,少量已有研究也多采用同位素和水化学示踪方法,成本高且精度低。采用观测成本更低但精度与密度更高的温度信号作为示踪剂,以量化河水和地下水之间的交换;利用垂向一维瞬态热运移解析模型,定量计算不同深度处河水与地下水的交换流速;利用分布式测温光纤系统的观测结果,分析河水与地下水相互作用的时空动态变化特征。研究结果表明:高寒地区河水与地下水的交换存在强烈的时空差异,季节与气候的转换对河水与地下水的交换量起着控制作用,甚至能够改变河水与地下水的交换方向,河水与地下水的交换量随着冻土活动层加深而增加。温度示踪方法适用于高寒冻土区河水与地下水相互作用研究,2种温度示踪方法的联合使用可有效提高研究精度与准确性,为缺乏基础水文地质数据的高寒地区提供一种可行的研究思路。关键词:高寒地区;河水与地下水相互作用;温度示踪;分布式测温光纤;多年冻土;融区;黑河2 0 2 2-0 2-1 5收稿;2 0 2 2-0 9-0 6修回;2 0 2 2-0 9-1 3接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 0 9 5-1 2d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 2 0 0 5 4 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):U s i n g t e m p e r a t u r e t o t r a c e r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s i n a l p i n e r e g i o n s:A c a s e s t u d y i n t h e u p p e r r e a c h e s o f t h e H e i h e R i v e rZ h a n g S h u x u n1 a,2,S u n Z i y o n g1 a,1 b,P a n Y a n x i1 a,L i X i n1 a,P a n Z h a o1 a(1 a.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s;1 b.H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f Y a n g t z e R i v e r B a s i n E n v i r-o n m e n t a l A q u a t i c S c i e n c e,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a;2.H y d r o g e o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G e o l o g y I n s t i t u t e o f H u b e i G e o l o g i c a l B u r e a u,J i n z h o u H u b e i 4 3 4 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e a l p i n e r e g i o n i s t h e s o u r c e a r e a o f m a n y l a r g e r i v e r s g l o b a l l y,a n d u n d e r s t a n d i n g r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s i n t h e r e g i o n i s c r i t i c a l t o t h e s c i e n t i f i c m a n a g e m e n t o f w a t e r s h e d w a t e r r e-s o u r c e s.D u e t o t h e w i d e s p r e a d o c c u r r e n c e o f p e r m a f r o s t,t h e d i s t r i b u t i o n a n d d y n a m i c s o f r i v e r b e d t a l i k s p l a y a v i t a l r o l e i n c o n t r o l l i n g r i v e r-g r o u n d w a t e r e x c h a n g e i n a l p i n e r e g i o n s,l e a d i n g t o t h e c o m p l e x,u-h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 n i q u e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e m.H o w e v e r,t h e r e h a v e b e e n f e w i n v e s t i g a-t i o n s o n r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s i n a l p i n e r e g i o n s d u e t o t h e h a r s h f i e l d c o n d i t i o n s,a n d t h e s e a v a i l a-b l e s t u d i e s h a v e d o m i n a n t l y u s e d i s o t o p e a n d h y d r o c h e m i c a l t r a c i n g m e t h o d s,w h i c h a r e e x p e n s i v e a n d n o t a c c u r a t e.M e t h o d sI n t h i s s t u d y,t h e l o w-c o s t a n d a c c u r a t e t e m p e r a t u r e s i g n a l w a s u s e d a s a t r a c e r t o q u a n t i f y t h e e x c h a n g e b e t w e e n r i v e r a n d g r o u n d w a t e r.A v e r t i c a l 1 D t r a n s i e n t h e a t t r a n s p o r t a n a l y t i c a l m o d e l w a s u s e d t o q u a n t i f y r i v e r-g r o u n d w a t e r e x c h a n g e r a t e s a t d i f f e r e n t d e p t h s.T h e s p a t i o t e m p o r a l v a r i-a t i o n s i n r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s w e r e a n a l y z e d u s i n g t h e t e m p e r a t u r e d a t a m e a s u r e d b y a d i s t r i b u-t e d o p t i c a l f i b r e s e n s i n g s y s t e m.R e s u l t sR e s u l t s s h o w a s u b s t a n t i a l s p a t i o t e m p o r a l v a r i a t i o n i n t h e e x-c h a n g e b e t w e e n r i v e r a n d g r o u n d w a t e r i n a l p i n e r e g i o n s.S e a s o n a n d c l i m a t e c a n c o n t r o l t h e e x c h a n g e r a t e b e t w e e n r i v e r a n d g r o u n d w a t e r,a n d e v e n t h e d i r e c t i o n o f e x c h a n g e.I t i s a l s o f o u n d t h a t t h e e x c h a n g e r a t e o f r i v e r a n d g r o u n d w a t e r i n c r e a s e s w i t h t h e d e p t h o f t h e a c t i v e l a y e r.C o n c l u s i o nT h e s t u d y i n d i c a t e s t h a t t h e t e m p e r a t u r e t r a c i n g m e t h o d i s s u i t a b l e f o r s t u d y i n g r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n s i n a l p i n e a r e a s d o m-i n a t e d b y p e r m a f r o s t.F u r t h e r m o r e,t h e c o m b i n a t i o n o f t w o t e m p e r a t u r e t r a c i n g m e t h o d s c a n e f f e c t i v e l y i m p r o v e t h e a c c u r a c y a n d p r o v i d e a f e a s i b l e r e s e a r c h f r a m e w o r k f o r a l p i n e r e g i o n s w h e r e h y d r o g e o l o g i c a l d a t a a r e s c a r c e.K e y w o r d s:a l p i n e r e g i o n;r i v e r-g r o u n d w a t e r i n t e r a c t i o n;t e m p e r a t u r e t r a c i n g;d i s t r i b u t e d t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t o p t i c a l f i b e r;p e r m a f r o s t;t a l i k;H e i h e R i v e rR e c e i v e d:2 0 2 2-0 2-1 5;R e v i s e d:2 0 2 2-0 9-0 6;A c c e p t e d:2 0 2 2-0 9-1 3 在过去的几十年中,受全球气候变化影响,高寒地区冻土水文过程经历了前所未有的改变,引起国内外学者广泛关注1-3。作为诸多大型河流的发源地,高寒地区对水资源的评价及管理具有重要意义,上游河流流量对下游河流的水质、水量及地下水储量起着决定性作用4。高寒地区对气候变化响应强烈,多年冻土消融和退化可能会导致地表与地下水水文关系和结构发生改变,尤其是与水热过程相关的河水与地下水的相互作用5-6。因此,了解由冻土消融引起的河水与地下水相互作用变化对预测高海拔地区河流水文效应的气候响应及其水资源管理具有重要意义7。高寒地区广泛分布冰川和冻土,冻土层的冻融循环使冻土层厚度及空间分布改变,多年冻土区水流路径的深度会发生改变,导致冻土层水-热储存运移规律发生变化,从而控制地表径流、地下水流动和河水与地下水的交换过程,使地下水在不同含水层间及地下与地表间发生频繁转化6。高山冻土区地下水补给、径流和排泄过程的复杂性使河水与地下水相互作用具有较强的时空差异,预测气候变化对冻土区水文过程的影响存在一定的挑战性。目前多采用同位素与水化学示踪方法定性或半定量研究冻土区河水与地下水交换关系8-9,但河水与地下水相互作用定量研究的重要作用不可忽视。温度作为天然示踪剂可指示地下水水流过程及地下水与其他水体的交换过程。温度对水流变化的响应快速而强烈,且温度数据获取成本较低,可实现大范围、高密度连续监测1 0。近年来,随着测量传感器技术的发展,测量精度与稳定性不断提高,利用温度数据能够精细刻画河水与地下水的相互转换过程1 1。2 0世纪6 0年代,S t a l l m a m1 2提出利用地下水温度反演饱和多孔介质中垂向流速和流向,并通过待定系数法获得一维瞬态非等温热运移方程的解析解。H a t c h等1 3、K e e r y等1 4基于S t a l l m a n提出的热运移模型解析解,建立了利用温度时序数据的振幅衰减和相位滞后计算地下水垂向渗透流速的解析方程,并开发出适用于计算饱和多孔介质中稳定一维垂向流速的程序V F L UX。M c C a l l u m等1 5、L u c e等1 6提出振幅相位组合法,通过温度时序数据计算沉积物热扩散系数,用以检验流速计算结果的准确性。在后续研究中,逐渐衍生出数值法模型,解析法和数值法各自的优缺点都比较明显,解析法对于量化长时段的河流垂向潜流通量具有显著优势,能够很好地对河水与地下水的交换进行有效的解析和评价;而要获得更加准确、适合复杂水文地质环境的量化数据,则构建数值模型更为合适,数值法比解析法的优势更加突出,能够解决二维或者更为复杂的问题1 7。河水与地下水交换过程通常存在明显的时空异质性,一维解析模型适用于单点的河水与地下水交换流速计算1 8,难以实现河水与地下水相互作用的时空动态变化监测。为突破“逐点监测”的空间限制,S e l k e r等1 9将分布式光纤测温系统应用到水文学领域,实现区域内河水与地下水相互作用的时空动态监测。G a o等2 0在青藏高原北部利用分布式光纤测温技术监测河水温度的动态变化,分析河水与地下水的交互关系。然而,由于多年69 第4期张淑勋等:基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例 冻土通常分布在交通不便的高海拔寒区或极地亚极地偏远区,开展水文地质监测与野外试验工作较为困难,导致冻土区地下水水流过程的直接调查和监测成本昂贵,相关研究工作极少2 1。目前,温度示踪方法多应用于平原区,在高寒地区开展此类研究较少,其适用性与研究精度还有待进一步研究。黑河是我国仅次于塔里木河的第二大内陆河,黑河上游是整 个黑河流 域主要 的 产 流 区 和 集 水区2 2。近年来,为满足黑河中下游农业生产的需求,对黑河原有地下含水层的开采力度加大,引发了一系列生态环境问题2 3。通过黑河上游河水与地下水的相互作用研究能够揭示气候变化和人类活动影响下的冻土区水文水资源变化过程,为区域水资源量评估及地下水资源开发利用提供一定的理论依据,对维持黑河中下游河流生态环境的稳定性具有重要意义。笔者拟以黑河上游某河段为研究区,利用温度传感器和分布式测温光纤获得河床沉积物及河水温度数据,通过定量计算河水与地下水交换流速,分析研究区河水与地下水相互作用的时空差异及其影响机制。1 研究区概况黑河流域发源于青藏高原北部祁连山区,横穿青海、甘肃和内蒙三省,流经河西走廊和阿拉善高原大漠,止于居延海,全长约8 2 1 k m,为流域内1 3 0万人口提供了生活、农业和经济用水2 4。黑河上游位于青海省祁连县内,最低海拔约为2 8 0 0 m,最高海拔约为4 8 0 0 m,流域内年平均气温26,年均降雨量为2 5 05 0 0 mm2 5。黑河上游流域整体呈西高东低,由西向东连续分布多年冻土和季节性冻土,以海拔3 5 0 0 m为界线。区内多年冻土对地下水的形成、运移和分布起着决定作用,多年冻土区地下水以动态稳定的冻结层下水和水量较大但动态不稳定的冻结层上水为主要形式,透水性的强弱主要取决于冻土的消融深度;而季节性冻土区多为山前冲洪积平原和浅山带地形,富水性较强,地下水以潜水形式赋存于第四系松散岩类空隙-裂隙中,透水性较好。选取黑河上游多年冻土区与季节性冻土区河段(监测点A至监测点B)为研究对象(图1),分别对松散岩类冻结层上水和松散岩类孔隙潜水的动态变化开展监测实验。其中河段A位于多年冻土区,为季节性河流,冬季断流,夏季复流;河段B位于季节性冻土区,全年有水,冬季出流位置向下游推移。选择的监测河段河水与地下水在不同季节相互转换频繁,其转换关系极具典型性,且受气候条件及河水补给来源的影响(主要为大气降雨、冰雪融水汇入和地下水),河水昼夜温差大,而地下水水温变化相对较小,为利用温度示踪研究河水地下水转换提供了理想场所。图1 研究区地理位置图F i g.1 L o c a t i o n o f t h e s t u d y a r e s79h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 2 研究方法2.1数据获取选择多年冻土区和季节性冻土区内河水流速平缓的河段布设温度监测点A和B(图1),于河床沉积物以下0,2 0,4 0,6 0 c m共4个深度布设温度传感器,分别监测2 0 1 9年5月1 0日至2 0 1 9年5月2 4日、2 0 1 9年6月1日至2 0 1 9年6月1 0日、2 0 1 9年7月2 0日至2 0 1 9年7月3 0日共3个时期的河床温度变化。本研究使用的温度传感器型号为H o b o-UA-6 4,分辨率为0.1,精度为0.4 7,监测频率为2 h/次。本研究利用分布式测温光纤于2 0 1 9年8月1 3日至2 0 1 9年8月1 6日、2 0 1 9年8月2 6日至2 0 1 9年8月2 8日分别对多年冻土区河段(A)和季节性冻土区河段(B)进行河水温度的动态监测。光纤布设方案为:将2根5 0 0 m长度的测温光纤沿河道平行铺设于河床表面与河水表面,每隔1 5 m使用钢筋固定测温光纤,并在2根钢筋之间利用浮球使光纤悬浮于河水表面下约2 c m,测温光纤两端各留1 5 m暴露在空气中监测环境温度变化以及进行光纤温度 校 正。本 研 究 使 用 的 分 布 式 光 纤 测 温 系 统(HNG S-4 1 0,湖南光晟),空间分辨率1 m,温度精度为1,工作温度范围为-1 05 0,采样间隔为5 m i n。2.2数据分析方法2.2.1 一维瞬态热运移解析模型温度实测资料表明,浅部地质体中的水温在水动力条件、气温等因素的影响下呈现出类正弦曲线的周期性变化规律,且随着深度的增加,温度波动逐渐衰减,这种衰减特征与地下水活动密切相关。部分学者1 3-1 4提出利用地下水温度对地表水温度周期性波动的热响应来分析河水与地下水转换的动态变化过程,同时建立了使用温度时序数据计算垂向河水与地下水交换流速的解析方程。一维瞬态热运移解析模型建立在以下几个假设条件上:在以河床表面作为上边界的半无限空间内,河床沉积物为各向同性多孔介质,且只存在一维垂向稳定流动的水流,沉积物没有明显的地温梯度,热力学性质不随温度发生变化。一维瞬态热运移解析方程为1 3-1 4,2 6:Tt=ke2TZ2-qCwCTZ(1)式中:T为温度(),随时间t(s)和深度Z(m)变化;q为垂向流速(m/s);C为饱和沉积物体积热容(Jm-3-1);Cw为 水 的 体 积 热 容(Jm-3-1);ke为饱和多孔介质有效扩散系数(m2/s),ke定义为:ke=(0C)+|Vf|(2)式中:0为基准导热系数(Wm-1K-1);为热弥散系数(m);Vf在数值上与q相等。H a t c h等1 3使用温度振幅比或相位滞后求解得到的流速解析解为:q=CCw2kezl nAr+v22 (3)|q|=CCw-24 kePz 2(4)式中:q为垂向流速(m/s);Ar为深部测点传感器温度振幅与浅部传感器温度振幅之比;为深部测点相位滞后值;z为传感器间距(m);v为温度的传递速度(m/s)(与流速成正比);t为温度信号传播时间差(s);P为温度信号波动周期;定义为:=v4+8 keP 2(5)K e e r y等1 4使用温度振幅比或相位滞后求解得到的流速解析解为:(H3l nAr)q3Ar-(5H2l n2Ar4 z2)q2Ar+(2Hl n3Arz3)q Ar+(C0P)2-l n4Arz4=0(6)|q|=(CzCw)2-4 0Pz Cw2(7)式中:H=Cw0;其余参数定义同上。H a t c h等1 3与K e e r y等1 4解析解的不同之处在于前者考虑热弥散系数对流速的影响,而后者忽略热弥散系数的影响。如果取=0,则H a t c h等1 3与K e e r y 等1 4流速解析解结果一致。通过振幅比法求得的流速具有方向特征,q为正值代表流速向下,q为负值代表流速向上,但通过相位滞后法求得的流速只能判断流速大小,无法判断流向2 7。在非稳定流中,H a t c h振幅法具有较高的准确性2 8,而高寒地区河流的流速稳定性较差,因此,本研究使用H a t c h振幅法计算河水与地下水的交换流速。结合野外调查结果和G o r d o n等2 7研究资料,确定本研究使用的热力学参数值(表1)。表1所列计算参数中的孔隙度0.2 8是砂砾石层的典型取值。参照溶质运移研究中的弥散度经验值,通常情况下,小尺度松散多孔介质的热弥散度值约为0.0 0 10.1 0 0 m,研究区河床沉积物为卵石和砂砾相间分布,根据实际情况确定热弥散度取最大89 第4期张淑勋等:基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例 值0.0 0 1 m。介质的体积热容和导热系数参照文献2 9确定,水的热物理性质参照相关手册3 0给出常温条件下的经验值。表1 H a t c h振幅法使用的热力学参数值 2 7T a b l e 1 T h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r v a l u e s u s e d i n t h e H a t c h a m p l i t u d e m e t h o d参数符号单位取值孔隙度n无量纲0.2 8基准导热系数0Js-1m-1-11.3 0热弥散度m0.0 0 1沉积物体积热容CJm-3-12.0 91 06水体积热容CwJm-3-14.1 81 06一维瞬态热运移模型通过V F L UX 23 1实现,V F L UX 2是一组用M a t l a b计算语言编写的函数,在M a t l a b中对原始温度序列数据进行格式化后运行计算得出河床沉积物不同深度处河水与地下水的交换流速与交换方向。其运行步骤简介如下:对温度时序数据进行格式化,使数据具有相同的采样频率和采样时间;输 入 运 行 代 码:d a t a_s t r u c t=v f l u x f o r m a t(t i m e,t e m p,d e p t h)其中:d a t a_s t r u c t为格式化的数据集,t i m e为数据采集时间数列,t e m p为温度数据矩阵,d e p t h为每个传感器深度位置的行向量(m),每列代表一个传感器。d a t a_s t r u c t=v f l u x(d a t a_s t r u c t,r f a c t o r,w i n-d o w s,P f,n,b e t a,K c a l,C s c a l,C w c a l)其中:r f a c t o r为重采样的正因字数(取值为1,不进行重采样),w i n d o w s为传感器间距取值范围,P f为计算时间周期,n为河床沉积物孔隙度;b e t a()为 热 弥 散 系 数,K c a l为 导 热 系 数(典 型 值0.0 0 4 5),C s c a l为河床沉积物体积热容,C w c a l为水体积热容。提取温度振幅和相位信息,提取方程为:Ai,t=ai,t2+bi,t2(8)i,t=t a n-1(ai,tbi,t)(9)式中:Ai,t和i,t分别为t时刻谐波i的振幅和相位信息。输出流速计算运行结果。2.2.2 分布式光纤测温最早的分布式光纤温度传感方法是2 0世纪8 0年代初由英格兰南安普顿大学开发的、以光时域反射技 术(o p t i c a l t i m e-d o m a i n r e f l e c t o m e t e r,简 称OT D R)为依托的源自通讯电缆测试的温度监测技术3 2。S e l k e r等3 3首次将该技术应用到水文地质学领域,利用地表水-地下水温度混合模型定量分析河水与地下水的相互转化关系,通过研究区内“高温异常”或“低温异常”揭示地下水排放点的空间分布特征与时间变化规律。地表水-地下水温度混合模型的假设条件为:一个测温周期(2 4 h)内无降雨事件或其他地表水体补给河流,地下水排放强度不变,在该状态下温度异常区上游的河床表面温度、温度异常区下游的河床表面温度及地下水温度保持稳定。地表水-地下水温度混合模型方程为2 6:QiTi+Qg wTg w=QoTo(1 0)Qi+Qg w=Qo(1 1)式中:Q为流量(L/s),Qi,Qo,Qg w分别代表温度异常区上游流量、温度异常区下游流量和地下水排放量;T为温度(),Ti,To,Tg w分别代表温度异常区上游河床表面平均温度、温度异常区下游河床表面平均温度和地下水温度。由式(1 0)、(1 1)可得,地下水对河流的贡献比为:Qg wQi=To-TiTg w-To(1 2)通常使用稳定流法计算地下水温度,假设温度监测河段为稳定流,利用地下水补给河段上下游的温度估算地下水温度,计算公式如下:Tg w=TmoTn-TnoTmTn-Tm(1 3)式中:Tm为m时刻温度异常区输入端的温度变化量;Tn是n时刻温度异常区输入端的温度变化量;Tmo是m时刻温度异常区输出端的温度;Tno是n时刻温度异常区输出端的温度。3 结果与讨论3.1温度变化特征3.1.1 河床沉积物不同深度处的温度变化特征多年冻土区(A,下同)和季节性冻土区(B,下同)不同深度处的温度均表现出昼夜波动,但相对于浅部测点,深部测点的温度振幅较为平缓且存在滞后现象,沉积物温度剖面在空间上表现出明显的异质性(图2)。(1)多年冻土区第一测温阶段(2 0 1 9年5月1 0日2 0 1 9年5月2 4日):浅层测点0 c m深度处河水温度类正弦波动显著且日振幅较大,2 0 c m处的温度随河水温度变化出现较为显著的日振幅波动且两者波动趋势较为一致,0 c m和2 0 c m的温度波动范 围分 别 为-8.31 9.8和0.51 0.2;相对来说,深层测点4 0 c m和6 0 c m处的温度较为平稳,总体上温度99h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 振幅较小,6 0 c m深度处的温度振幅最小且温度基本接近于0,4 0 c m和6 0 c m处的波动范围分别为0.34.2和0.22.2。所有深度处温度随时间推移皆有升温趋势(图2-A-)。图2 多年冻土区(A)和季节性冻土区(B)监测点沉积物温度场时空分布特征的动态变化F i g.2 D y n a m i c c h a n g e s i n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t e m p o r a l a n d s p a t i a l d i s t r i b u t i o n s o f t h e s e d i m e n t a l t e m p e r a-t u r e f i e l d o f t h e f r o z e n s o i l a r e a(A)a n d s e a s o n a l f r o z e n s o i l a r e a(B)第二测温阶段(2 0 1 9年6月1日2 0 1 9年6月1 0日):河床沉积物的温度场的变化规律与第一测温阶段较为类似,河床浅层测点0 c m和2 0 c m的温度波动范围分别为-9.21 7.5和0.71 0.1,深层测点4 0 c m和6 0 c m的温度波动范围为2.55.5和2.24.8,测点各深度的温度值相对于第一测温阶段都有所增加,且温度振幅也略微增大(图2-A-)。从图中可以看到,6月7日的河水温度骤降约5,其余各测点的温度也随之有不同程度的下降,但存在滞后效应。第三测温阶段(2 0 1 9年7月2 0日2 0 1 9年7月3 0日):浅层测点0 c m和2 0 c m的温度波动范围分别为5.2 1 6.5 和4.81 0.2,深层测点4 0 c m和6 0 c m的温度波动范围为3.5 6.1 和3.0 5.0。该阶段的温度变化规律与前2个阶段明显不同,深部测点的温度振幅更为平缓,而且深部测点与浅部测点之间的温度差异在逐渐减小(图2-A-)。(2)季节性冻土区第一测温阶段:浅层测点0 c m和2 0 c m深度处的温度 波 动 范 围 分 别 为-8.21 5和0.57.3,深层测点4 0 c m和6 0 c m的温度波动范围为1.22.8和12.2,各深度温度均具有类正弦曲线的昼夜波动趋势(图2-B-)。第二测温阶段:0 c m和2 0 c m的温度波动范围分别为-4.81 4.8和1.54.3,深层测点4 0 c m和6 0 c m的温度波动范围为1.32.5和11.4(图2-B-)。由图可以看出深部测点的温度振幅极为平缓,且其他各点的温度振幅也较小,各测点之间的温度振幅差异在逐渐增大,深部测点温度的波动趋势对河水温度的热响应较弱。第三测温阶段:0 c m和2 0 c m的温度波动范围分别为4.81 5.6和5.59.8,深层测点4 0 c m和6 0 c m的温度波动范围为5.16.0和5.05.2(图2-B-)。由图可以看出,相对于上一测温阶段,各测点温度振幅更加平缓,深部测点温度的波动趋势对河水温度的热响应较更弱。当河水补给地下水时,因河水受昼夜温差影响较大,河水向下流动时会将昼夜温度变化辐射到沉积物中,导致沉积物深部水温呈现出较大的日变化;当地下水补给河水时,从深部向上流动的温度较为恒定的地下水缓冲了由地表水引起的温度波动,导致河床沉积物中水温呈现出较小的日变化3 4。综合以上分析,可对研究区河水与地下水的补给关系做出初步判断:从时间上来看,多年冻土区的第一和第二测温阶段可能为河水补给地下水,第三测温阶段可能为地下水补给河水;季节性冻土区第一测温阶段没有明显趋势,无法做出判断,而第二和第三测温阶段可能为地下水补给河水。001 第4期张淑勋等:基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例 3.1.2 河床表面与河水表面温度的变化特征(1)温度“异常区”及其位置对于多年冻土区和季节性冻土区河段,无论是河水表面温度,还是河床表面温度,其日最高温度皆出现在1 5点左右,日最低温度则出现在7点左右。选取2 0 1 9年8月1 5日1 5点和2 0 1 9年8月1 6日7点分别作为多年冻土区河水的最高和最低温度时刻、2 0 1 9年8月2 6日1 5点和2 0 1 9年8月2 7日7点分别作为季节性冻土区河水的日最高和最低温度时刻,通过比较两时刻河水表面与河床表面光纤测温温度沿流程的变化,对温度变化规律总结如下。对于多年冻土区,河水表面温度和河床表面温度在日最低温时刻沿流程呈正常波动,无明显异常区,但在日最高温时刻距测温起点6 26 4 m处存在温度异常,温度明显低于两侧“正常值”(河水表面平均 温 度 约 为2 2.1 8、河 床 表 面 平 均 温 度 为2