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)又相對獨立。隨著(zhù)全球氣候變化和人類(lèi)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(guò)程發(fā)生了變化，導致水資源時(shí)空分布不均，水生態(tài)系統退化，影響了人類(lèi)的生產(chǎn)生活和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展。因此，科學(xué)評價(jià)地下水與地表水的相互作用，準確認識水循環(huán)演化過(guò)程，探索區域水資源的質(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，具有重要的現實(shí)意義。

圖1 水循環(huán)示意圖

    自Boussinesq于1877年開(kāi)展河流與地下水作用研究以來(lái)，地表水與地下水轉化關(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(zhù)流域內的水循環(huán)，并最終影響生態(tài)系統的可持續性，二者的相互作用及轉化關(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)驅動(dòng)下水體交互作用對人類(lèi)活動(dòng)及氣候系統等的生物學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)過(guò)程的響應是該領(lǐng)域近年來(lái)研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

圖2 地表水-地下水補排關(guān)系與轉化模式示意圖

一、河流-地下水轉化關(guān)系研究方法

    目前，國內外關(guān)于地表水-地下水轉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、溫度示蹤法和數值模型法等。鑒于地表水與地下水交互作用的復雜性，綜合運用多種方法進(jìn)行互相驗證分析，既能降低復雜條件下的尺度效應風(fēng)險，也是系統闡明地表水與地下水轉化作用機制的關(guān)鍵。隨著(zhù)計算機運算能力的提高，利用數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-含水層系統研究的數值模型主要是基于美國地質(zhì)調查局開(kāi)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(guò)GIS平臺建立流域地表水與地下水計算單元的轉換關(guān)系，應用較為廣泛。此外，Par Flow、Hydro Geo Sphere、GSFLOW和MIKE SHE等成熟的數值模型在模擬復雜條件下各有其適用性。目前，結合多學(xué)科交叉理論與方法，開(kāi)展地表水與地下水轉化作用的定性指示與定量評估已成為國內外的流行手段和創(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最多的國家。以大型水壩為基礎的大型水電工程建設對生態(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、航運等方面取得了顯著(zhù)的效益，但其建設和運行可能對長(cháng)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、養殖、旅游、環(huán)境效益等多項服務(wù)，也在一定程度上破壞了自然生態(tài)系統的穩定性和連續性，降低了系統對生態(tài)破壞的修復能力，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，水庫蓄水會(huì )抬高周?chē)叵滤?，擴大水庫浸沒(méi)范圍，從而導致土地的鹽堿化和沼澤化及生態(tài)環(huán)境脆弱化。水庫建設也會(huì )因水土流失、水體污染、生態(tài)系統破壞等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題形成庫區消落帶，導致區域濕地生境面積減少、功能退化，景觀(guān)格局向均質(zhì)化趨勢演變，生態(tài)系統結構失穩、功能失調。水庫的長(cháng)期蓄水和非季節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，采用多種方法計算了天然條件下和開(kāi)采條件下的黃河側滲補給量和側滲范圍。1999~2004年，基于“973”項目子課題《黃河流域地下水可再生能力變化規律研究》，評價(jià)了區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，改變了河流和河岸生境的完整性，導致河流和河岸生態(tài)系統的結構和功能發(fā)生變化。2002年7月小浪底水庫開(kāi)始調水調沙，在小浪底的強制調節下，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(mén)在相關(guān)方面涉及較少。

圖5 小浪底水庫

    黃河勘測規劃設計研究院有限公司相關(guān)研究團隊綜合考慮了小浪底工程運行前后，黃河水位、流量數據及黃河下游典型剖面地下水位監測數據在長(cháng)序列時(shí)間尺度上的變化，并考慮了氣候因素和地下水開(kāi)采因素，在此基礎上，深入探討了小浪底建設前后黃河對兩岸地下水側滲補給量的變化及其產(chǎn)生的影響。初步研究成果顯示：小浪底工程運行后，有效保證了下游河道徑流量，從而對兩岸地下水的側滲補給量增加，一定程度上緩解了因區域地下水超采導致的地下水位持續下降問(wèn)題，為灘區人民群眾的生活生產(chǎn)用水提供了更為可靠的保障。研究結果對大型水利工程建設對下游地區地下水位變化可能帶來(lái)的資源開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境影響提供參考和指導意義。為變化環(huán)境下黃河流域水安全、生態(tài)安全調控研究及保障體系建設提供科技支撐，對新時(shí)期的黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

    水利工程建設等強人類(lèi)活動(dòng)改變了河流的天然水平衡關(guān)系及生態(tài)環(huán)境。為了保證區域社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(fā)展，更好的開(kāi)發(fā)利用水資源，如何協(xié)調水利工程建設和生態(tài)環(huán)境保護之間的關(guān)系，處理水利工程建設對河流生態(tài)系統的影響？未來(lái)需要引起我們的更多關(guān)注。