作為水資源的重要組成部分，地下水和地表水既相互關(guān)聯(lián)又相對獨(dú)立。隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的加劇，地下水與地表水的相互作用以及水循環(huán)過程發(fā)生了變化，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布不均，水生態(tài)系統(tǒng)退化，影響了人類的生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，科學(xué)評價(jià)地下水與地表水的相互作用，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)水循環(huán)演化過程，探索區(qū)域水資源的質(zhì)、量特征和時(shí)空分布格局，對于有效評價(jià)和科學(xué)管理、合理利用水資源、健康發(fā)展生態(tài)環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 水循環(huán)示意圖

    自Boussinesq于1877年開展河流與地下水作用研究以來，地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究便引起了廣泛的重視和關(guān)注。河流與地下水之間的相互作用深刻影響著流域內(nèi)的水循環(huán)，并最終影響生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，二者的相互作用及轉(zhuǎn)化關(guān)系是水文地質(zhì)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。探究水循環(huán)驅(qū)動(dòng)下水體交互作用對人類活動(dòng)及氣候系統(tǒng)等的生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)過程的響應(yīng)是該領(lǐng)域近年來研究熱點(diǎn)問題。

圖2 地表水-地下水補(bǔ)排關(guān)系與轉(zhuǎn)化模式示意圖

一、河流-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究方法

    目前，國內(nèi)外關(guān)于地表水-地下水轉(zhuǎn)化作用的研究方法主要有水文學(xué)方法、水化學(xué)法、同位素法、溫度示蹤法和數(shù)值模型法等。鑒于地表水與地下水交互作用的復(fù)雜性，綜合運(yùn)用多種方法進(jìn)行互相驗(yàn)證分析，既能降低復(fù)雜條件下的尺度效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，也是系統(tǒng)闡明地表水與地下水轉(zhuǎn)化作用機(jī)制的關(guān)鍵。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，利用數(shù)值模型成為研究流域尺度地表地下水循環(huán)的重要方法。目前，許多用于河流-含水層系統(tǒng)研究的數(shù)值模型主要是基于美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的MODFLOW，以及將其與其它成熟的地表水模擬模型進(jìn)行耦合，通過GIS平臺(tái)建立流域地表水與地下水計(jì)算單元的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用較為廣泛。此外，Par Flow、Hydro Geo Sphere、GSFLOW和MIKE SHE等成熟的數(shù)值模型在模擬復(fù)雜條件下各有其適用性。目前，結(jié)合多學(xué)科交叉理論與方法，開展地表水與地下水轉(zhuǎn)化作用的定性指示與定量評估已成為國內(nèi)外的流行手段和創(chuàng)新的基本思路。

   二、水利工程對水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境的影響

    我國是世界上大型水壩建設(shè)最多的國家。以大型水壩為基礎(chǔ)的大型水電工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響一直是學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。Science曾發(fā)表多篇探討三峽工程生態(tài)環(huán)境影響的文章，大量研究表明三峽工程在防洪、發(fā)電、航運(yùn)等方面取得了顯著的效益，但其建設(shè)和運(yùn)行可能對長江流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

    大型水利工程為人們提供了防洪、發(fā)電、供水、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游、環(huán)境效益等多項(xiàng)服務(wù)，也在一定程度上破壞了自然生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，降低了系統(tǒng)對生態(tài)破壞的修復(fù)能力，對植被產(chǎn)生不利影響。河流濕地常常受到上游水利工程特別是水庫工程的影響，但有關(guān)的系統(tǒng)性研究相對較少。因此，水利工程對下游河流濕地的生態(tài)影響成為關(guān)注的重點(diǎn)。

圖3 河岸濕地退化

    研究發(fā)現(xiàn)，水庫蓄水會(huì)抬高周圍地下水位，擴(kuò)大水庫浸沒范圍，從而導(dǎo)致土地的鹽堿化和沼澤化及生態(tài)環(huán)境脆弱化。水庫建設(shè)也會(huì)因水土流失、水體污染、生態(tài)系統(tǒng)破壞等生態(tài)環(huán)境問題形成庫區(qū)消落帶，導(dǎo)致區(qū)域濕地生境面積減少、功能退化，景觀格局向均質(zhì)化趨勢演變，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、功能失調(diào)。水庫的長期蓄水和非季節(jié)性泄流使河流對大壩下游的周期性洪水沖刷作用喪失，河水流量減少，河道寬度變窄，河岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)退化，濕地植物面積大幅減少。

三、黃河下游水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境演變的影響研究現(xiàn)狀

    黃河下游為地上懸河，河水與地下水水力聯(lián)系密切，交換頻繁。對黃河下游水循環(huán)的研究始于上世紀(jì)60年代，到2002年前后成果最多，之后研究較少。早期研究主要基于工程實(shí)踐，采用多種方法計(jì)算了天然條件下和開采條件下的黃河側(cè)滲補(bǔ)給量和側(cè)滲范圍。1999~2004年，基于“973”項(xiàng)目子課題《黃河流域地下水可再生能力變化規(guī)律研究》，評價(jià)了區(qū)域地下水可更新能力，并綜合多種研究手段首次確定了黃河水補(bǔ)給范圍及循環(huán)深度。

圖4 黃河下游懸河示意圖

    水利工程改變了水資源分布格局，也從根本上改變了河流特性及其生態(tài)系統(tǒng)，改變了河流和河岸生境的完整性，導(dǎo)致河流和河岸生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。2002年7月小浪底水庫開始調(diào)水調(diào)沙，在小浪底的強(qiáng)制調(diào)節(jié)下，黃河下游河道沖刷下切，河段流量削峰均化，至今20多年，其對下游水循環(huán)及生態(tài)環(huán)境影響的研究未引起廣泛的重視和深入的研究，尤其水利部門在相關(guān)方面涉及較少。

圖5 小浪底水庫

    黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)綜合考慮了小浪底工程運(yùn)行前后，黃河水位、流量數(shù)據(jù)及黃河下游典型剖面地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)在長序列時(shí)間尺度上的變化，并考慮了氣候因素和地下水開采因素，在此基礎(chǔ)上，深入探討了小浪底建設(shè)前后黃河對兩岸地下水側(cè)滲補(bǔ)給量的變化及其產(chǎn)生的影響。初步研究成果顯示：小浪底工程運(yùn)行后，有效保證了下游河道徑流量，從而對兩岸地下水的側(cè)滲補(bǔ)給量增加，一定程度上緩解了因區(qū)域地下水超采導(dǎo)致的地下水位持續(xù)下降問題，為灘區(qū)人民群眾的生活生產(chǎn)用水提供了更為可靠的保障。研究結(jié)果對大型水利工程建設(shè)對下游地區(qū)地下水位變化可能帶來的資源開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境影響提供參考和指導(dǎo)意義。為變化環(huán)境下黃河流域水安全、生態(tài)安全調(diào)控研究及保障體系建設(shè)提供科技支撐，對新時(shí)期的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

    水利工程建設(shè)等強(qiáng)人類活動(dòng)改變了河流的天然水平衡關(guān)系及生態(tài)環(huán)境。為了保證區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，更好的開發(fā)利用水資源，如何協(xié)調(diào)水利工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，處理水利工程建設(shè)對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響？未來需要引起我們的更多關(guān)注。