J.Lake ScL(湖泊科学),2021,33(3)：842-853
DOI10.18307/2021.0317
©2021by Journal cf Lake Sciences
鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表一地下水交互作用*
陈静巴李云良如，周俊锋1，卢静媛1，韦丽1，郭玉银4
(1：江西省水文局，南昌330002)
(2：河海大学水文水资源学院与水利工程科学国家重点实验室，南京210098)
(3：中国科学院南京地理与湖泊研究所，流域地理学重点实验室，南京210008)
(4：江西省鄱阳湖水文局，九江332800)
摘要：洪泛系统具有复杂动态的水文环境，在季节性洪水脉冲影响下，地表一地下水交互转化对洪泛区水循环和生态环境保护等方面具有重要意义.本文采用野外试验、统计分析和达西定律等研究方法，开展了鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统(河流一洲滩湿地一碟形湖)地表一地下水文学特征、相互作用和交换通
量研究.数据资料显示，在地形地貌影响下，研究区洲滩地下水位明显低于碟形湖水位，但总体上略高于周边河流水位，统计结果进一步表明，在控制洪泛湿地的地下水动态方面，河流水文情势变化对地下水的影响作用要强于碟形湖水文变化.就河流一地下水转化关系而言，研究区湿地系统的地下水与周边河流水体之间存在动态转化关系，地下水对河流的补给通量以及河流对地下水的补给通量分别约为0.4和0.2m/d.就湖泊一地下水转化关系而言，碟形湖一般来说补给周边滩地的地下水系统，但两者之间的交换通量基本小于0.1m/d.在年尺度上，研究区地表一地下水之间的累积交换通量变化约介于7.5-48.2m/a，其中河流一地下水的累积交换通量约是碟形湖一地下水的4~7倍，且秋、冬季的累积交换通量要明显大于春、夏季.本文研究结果可为洪泛区河湖系统的水资源联合管理、水环境整治和生态环境保护等方面提供科学支撑.
关键词：洪泛水文；碟形湖湿地；交换通量；河湖系统；地表一地下水转化；鄱阳湖
Assessing surface water-groundwater interactions in the seasonal lake-wetland system of Lake Poyang*
Chen Jing1,2,Li Yunliang3**,Zhou Junfeng1,Lu Jingyuan1,Wei Li1&Guo Yuyin4
(1:Hydrological Bureau of Jiangxi Province,Nanchang330002,P.R.China)
(2：State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,P.R.
China)
(3:Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences,Nanjing Institute of Geography and Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing210008,P.R.China)
(4：Hydrological Bureau of Poyang Lake,Jiangxi Province,Jiujiang332800,P.R.China)
Abstract:Floodplain systems are affected by seasonal shifts between dry and wet cycles,and therefore cause marked changes in surface water and groundwater flow regimes.Surface water-groundwater interactions are rarely investigated in large floodplain sys­tems,where few surface and groundwater data are obtained or monitored.This study used field observations,statistical analysis, and Darcy's law approach to explore surface waler-groundwater dynamics,interactions,and the associated fluxes in a geographically complex river-floodplain wetland-seasonal lake system(Lake Poyang,China).Results indicate that the wetland groundwater is more sensitive to variations in the river levels than the seasonal lakes.Groundwater levels are generally lower than those of the sea­sonal lakes,but slightly higher than the surrounding river levels,due to the influence of the complex to
pography.Statistical analysis
*2020-05-07收稿;2020-08-31收修改稿.
国家自然科学基金项目(42071036,41771037)，江西省水文局青年科技创新基金项目(SWJJ-KT201904).江西省水利厅科技项目(202022YBKT11)，河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室“一带一路”水与可持续发展科技基金项目(2020491311)和中国科学院青年创新促进会项目(Y9CJH01001)联合资助.
**通信作者;E-mail：********************.
陈静等：鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表一地下水交互作用843
further reveals that the river hydrology tends to play a more significant role in controlling groundwater dynamics,relative to the sea­sonal lakes.Generally,the river shows gaining ,groundwater recharges river)and occasionally losing conditions (i.e.,river recharges groundwater)with variable Darcy fluxes by up to0.4and0.2m/d,respectively,while the seasonal lakes are more likely to show slightly losing conditions(<0.1m/d).Additionally,the annual accumulated flux rates range from7.5m/a to 48.2m/a for surface water-groundwater interactions in the floodplain syste
m.The accumulated flux rate for river-groundwater inter­actions is around four to seven times higher than that of the seasonal lake-groundwater interactions.Also,the accumulated flux in autumn and winter is higher than that of the spring and summer on a seasonal scale.The findings from this study have important im­plications for improving the understanding of the water resources joint management,water quality,and eco-environmental protection for both the river and the lake.
Keywords:Floodplain hydrology；seasonal wetland；flux rate；river-lake system；surface water-groundwater interaction；Lake Poyang
在全球大多数地形地貌类型中，河流、湖泊与湿地等地表水体往往与周边地下水系统存在着频繁水力联系⑴.地表一地下水之间的自然交换作用对它们自身的物理水文过程以及生态方面具有显著影响作用［2-3］.在全球气候变化和人类活动的背景下，尤其是极端气候事件以及强人类活动的干扰，均在不同程度上影响着地表水资源和地下水资源的转化和利用，因此导致地表一地下水交互作用的探索与评估成为一个极为重要且具有实际意义的研究工作⑷.
多年来，地表水和地下水相互作用的重要性已取得共识，得到大量研究成果和一些普适性的研究结论.为应对快速变化的环境，从水资源联合管理的角度，对两者相互作用的认识程度需要加强⑸.随着技术手段的提升，学者们使用了很多方法来研究地表一地下水交换作用与动力学过程，主要有水位梯度测
量法、温度示踪法、数值模型法、同位素示踪法以及上述两个或多个方法的组合应用"切.然而，不同的研究方法几乎均受到空间、时间尺度以及一些潜在假设的限制，这些不确定性主要是由水流运动路径的扰动、小尺度空间异质性和测量装置的设计所限等诸多因素造成的⑴］•
洪泛区通常视为一种特殊的湿地类型，受周边浅水湖泊或河流水文情势的影响，具有季节性明显的干湿交替特征，其作为全球重要的水文地貌单元之一，与周边地表一地下水系统有着不可忽视的水力联系.水文情势的周期性变化促进了洪泛湿地的地表一地下水相互作用「闵，进而对有效保护和管理湿地水资源分配、栖息地生态环境等具有重要意义•通常情况下，地表一地下水相互作用为湿地生态系统提供了物质、能量和脉冲输入，造成湿地诸多生态环境指标的时空高度异质与迁移转化.因此，分析洪泛湿地系统中地下水和地表水之间的交互转化与动力学机制尤为重要，这决定了湿地的物理性质和生态功能.因洪泛区下垫面具有空间异质性程度较高、系统开放性较强、水文节律高度动态等特点，相关的地表一地下水研究仍较为少见.
刘惜君近况
长江中下游的鄱阳湖洪泛湿地，是国际公认的重要湿地系统，在保护生物多样性和生态功能等诸多方面发挥着不可替代的作用W由于气候变化和人类活动的双重影响，湖泊水位的天然波动已经发生了显著变化，对湖区水文、生态和经济方面带来联动影响与反馈.近些年来，鄱阳湖洪泛湿地的水文变化已经引起了国家和地方相关部门的高度重视〔“切，但主要是以河湖等地表水文水动力过程为主.随着研究的不断深入，前期已有研究强调了地表一地下水动力转化在影响土壤水分、植被分布和养分输送方
面的重要性.文献调研发现,Xu等“句通过鄱阳湖洪泛湿地典型断面的水文一植被联合调查，基于数据分析发现地下水位和土壤水分梯度共同影响了湿地植被落的分布特征，体现了地下水的贡献作用.一些学者采用水文学、水化学等方法对鄱阳湖洪泛湿地的地下水动态进行了探索性研究，证实了鄱阳湖水文情势变化对洪泛区地下水蓄量具有动态调节作用M，受资料和方法所限，基本仍以定性分析与评估为主.此外,Zhang等问利用氢氧稳定同位素示踪技术，调查了鄱阳湖洪泛湿地的土壤一植物一大气连续体(SPAC)的水分传输过程，研究发现河流与周边洪泛湿地的地下水变化对SAPC系统的水流迁移转化有明显促进作用，但没有针对地表一地下水转化开展实质性的研究.由此可知，上述研究尝试探索了鄱阳湖洪泛湿地系统地下水的重要性及其贡献作用，但受观测资料系统性、连续性以及研究方法等约束条件的影响，仍缺乏对地表一地下水交互转化关系和补排通量方面的深入研究，从而导致对湖泊湿地水资源分配管理、湿地生态环境保护等方面的诠释还不够全面.
844J.Lake Sci.(湖泊科学),2021,33(3)
鉴于上述背景，本研究的主要目标是:（1）依托典型区的选择和野外原位观测数据，分析鄱阳湖碟形湖湿地系统地表、地下水文要素的动态变化特征与影响因素；（2）采用统计学方法，从系统角度来评估碟形湖、河流和洲滩地下水之间的水力联系，探求典型湿地系统地表一地下水之间的转化作用关系;（3）基于原位试验和能量守恒方程（达西定律），定量揭示碟形湖湿地系统地下水与周边重要地表水体之间的交互转化通量.
1研究区概况
鄱阳湖位于长江中游南岸，是目前为数不多的、仍与周边河流水系保持天然连通的湖泊之一（图1）.鄱阳湖承纳上游流域“五河”来水，通过湖区调蓄，在北部汇入长江干流，因此鄱阳湖的水文情势主要受“五
河”来水和长江水位的季节性变化共同影响.鄱阳湖高度动态的湖区水位生消变化约介于8~22m之间，使得湖泊水体面积在1000-3000kn?范围内随季节发生萎缩和扩张.鄱阳湖总体上较浅,85%的湖区在洪水季节水深不足6m[19].从水文学上，鄱阳湖是一个高度动态的大型洪泛系统，呈现出近2000kn?的洪泛湿地，主要由碟形湖、沟壑水系和大面积滩地构成"I碟形湖主要分布在鄱阳湖洪泛湿地内部，由水文水动力、泥沙冲淤以及人为改造等形成的大小不一、形状各异的洼地.因此，这些浅层洼地通常被称为“碟形湖”〔勿.洪水期，这些碟形湖与主湖区融为一体，完全地表水文连通，形成大湖；低枯水位期，这些碟形湖与主湖区脱离地表水力联系，相对孤立，由此形成了“湖中湖”的独特景观•碟形湖具有植被生物量大、物种多样性丰富、候鸟生境优越等生态价值，在维护湿地生物多样性和生态系统完整性上起到十分重要的作用〔如.鄱阳湖洪泛湿地约分布着100多个碟形湖，最大水深一般不超过2m，总面积约800kn?，在防洪、蓄水和生物多样性保护方面发挥着重要作用皿1.在自然状态下，碟形湖主要接受高水位时期的主湖区入流补给，秋、冬季节水位则取决于降水、蒸发和下渗作用等「如.考虑到碟形湖的形成原因以及周边地貌类型基本一致，本研究选取蚌湖（湖水位监测BW）和沙湖（湖水位监
测SW）两个典型碟形湖、修水河流（水位监测RW）及其之间的洪泛洲滩（地下水位监测GW1~GW6）作为联合研究区（图1），以期能够表征鄱阳湖中大多数碟形湖湿地系统的地表和地下水文特征.
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■地下水监测（GW1~GW6）
•地表水监测（SW、BW、RW）图1研究区概况与地表一地下水联合监测示意图
Fig.l Schematic diagram of the study area and the surface water-groundwater joint
monitoring
陈 静等：鄱阳湖洪泛区碟形湖湿地系统地表一地下水交互作用845
2材料与方法
2.1原位监测和数据获取
为分析碟形湖湿地的地表一地下水交互作用，需要监测研究区的气象要素、地表水位和地下水位等关键
变量.气象数据来自中国科学院南京地理与湖泊研究所鄱阳湖湖泊湿地观测研究站（庐山市），其距离本研 究区大概8 km，用于反映研究区的气象条件变化（图2）.为自动监测修水河流、蚌湖和沙湖的水位一水温动
态，采用加拿大生产的Solinst  3001 Levelogger 传感器（水位精度0.01 m，温度精度0.05£ ），研究区内共安装
T  3个传感器（RW 、BW 和SW ），将传感器安置在一个直径为5 cm 的铁管中，并插入河床/湖床底部的沉积
物进行固定•对于地下水监测，所有传感器均置于直径为5 cm 的PVC 管底部,PVC 管底部以上1 m 长度采
用过滤井处理，确保传感器可用来记录浅层地下水位一水温的完整变化（GW1~GW6）.为便于数据资料同步 分析，研究时段选择为2016年1月15 H-2017年1月17日，覆盖完整的水文周期，数据记录频率为1 h.
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图2 2016-2017年星子站主要气象要素的日序列变化
Fig.2 Daily  meteorological  changes  ( Xingzi  gauging  station) in  the
Lake  Poyang  floodplain  wetland  from  2016 to  2017
为了获取研究区的地质背景信息，本文采用自然电位和电阻率测井方法，研究中使用了 ABEM
Terramater  SAS  4000，电流电极间距设置为3 m，结合现场实际情况，对GW4和GW5之间的东西向剖面开展
了长度约400 m 的地球物理探测，并通过人工曲线拟合获取了垂向剖面的视电阻率和厚度值.电阻率分析 表明，研究区的洪泛洲滩湿地在15 m 的深度范围内可视为均质的（图3a ）.野外试验和室内分析结果表明,
该深度内主要介质类型为砂层，粉砂占比较小（图3b ）.图3和表1详细描述了洪泛洲滩湿地和各监测点的 地质背景概况.
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视电阻率/Qm
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图3选择断面的视电阻率(a)和基于66个采样点的粒径分布(b)(视电阻率值与含水量变化呈负相关关系)
Fig. 3 The  apparent  resistivity  section  in  the  Lake  Poyang  floodplain  wetland  (a) and  grain-size  distribution
of  average  grain  size  diameter  (</50) with  a  normal  density  function  for  66 samplings  ( b)
(resistivity  values  have  a  negative  relationship  with  underlying  water  moisture
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846J. Lake  Sci.(湖泊科学),2021,33(3)
表1鄱阳湖洪泛湿地系统地表一地下水监测点位置与地质背景*
Tab.l  Location  and  simplified  geological  setting  of  monitoring  sites  within  the  Lake  Poyang  floodplain  wedand
点位观测类型位置坐标高程/m
深度/m
过滤井深度/m
地质信息
GW1
地下水位29.185°N, 115.948°E 13.812.712.2细砂GW2
地下水位29.185°N, 115.948°E 13.7
12.512.0粗砂
GW3
地下水位29.192°N, 115.954°E 13.310.2
9.7
细砂GW4
地下水位29.175°N, 115.950°E 15.012.111.6细砂GW5
地下水位29.207°N, 115.945°E 14.1
11.1
10.6细砂和粉土
GW6地下水位29.176°N, 116.014°E 14.814.514.0
细砂BW 蚌湖水位
29.198°N, 115.980°E 11.7
NA NA 粉土和黏土SW
沙湖水位29.174°N, 115.938°E 13.0
NA NA 粉土和黏土
RW 修河水位
29.183°N, 115.964°E
9.4NA
NA
砂和砾石
* NA 表示对于地表水位监测，该项不存在.
2.2统计分析
为分析蚌湖（BW ）、沙湖（SW ）、修水（RW ）等地表水体与洲滩地下水（GW1~GW6）之间的动态响应关
系，本文基于MATLAB 软件并采用互相关函数来分析不同水文要素之间的联系.互相关函数不仅可以反映
不同信号或要素之间的相关程度，还可以通过滞后距等时间信息来指示信号或要素之间的响应，该方法已 广泛应用于气象、水文、物理等不同的学科领域，其数学表达式为炉］:
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兮仏）=------- 仏=0, ± 1, ±2, ± ••■）
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式中/表示滞后时间,L 是时间序列的长度，如和久分别表示输入和输出时间序列，%和歹是输入和输出系列
的平均值仏）是互相关函数，兀和6是时间序列的标准差，嘉仏）表示互相关图.如果C ”仏）的分布不对 称，且在正滞后距情况下获得了 q 仏）最大值或最小值，则输入信号会影响输出信号，且响应时间是对应于 最大°（耐值的滞后时间［勿■此外，本文还采用线性拟合方法来研究地下水位和地表水位之间的联系程度, 并探讨两者之间的相互关系.
2.3达西通量
本文采用达西定律估算地表一地下水之间的交换通量.达西定律即地下水流运动的能量守恒方程，它是
描述地下水流运动速度的实验定律［如.具体表达式为：
式中,g 为交换通量（m/d ） ,K 为渗透系数（m/d ），册/di 表示水力梯度（无量纲）.
在本研究中，水力梯度根据修水或碟形湖到地下水监测点的中心位置（也）来进行近似估算.对于渗透 系数，文中通过野外现场竖管法来进行测定，该方法已在美国和国内不同地区得到颇为广泛的应用.在研究 区的河流和湖泊水体附近，垂直于河流和湖泊，共设计2组实验,6个竖管，将直径5 cm 的PVC 管子垂直打 入沉积物一定深度（管中沉积物深度大约为50-60 cm ），然后向管中一次性注水，因为管中水头高于周边河
湖水位,PVC 管内水头开始自然下降，通过记录不同时刻管内的水头下降值，计算相应的渗透系数（如图4 现场照片所示），具体原理和计算方法请参照Chen 的方法网.基于现场试验和计算，获取多个点位渗透系
数的取值变化为2.3X1O-6~7.1X1O-3 m/s.结合图3和表1结果的辅助分析，可认为碟形湖湿地沉积物在15
m 深度内近似呈均质分布，竖管法的试验结果可用来综合反映研究区的渗透系数，由此估计细粉砂和黏土
组成的湖床沉积物的平均渗透系数为2.5x10" m/s，砂砾和砾石组成的河床沉积物的平均渗透系数为6.0X