基于温度信息的地表-地下水交互机制研究进展

作者:刘传琨;胡玥;刘杰;姚莹莹;王赛;郑春苗 刊名:水文地质工程地质 上传者:何名梅

【摘要】地表水和地下水在质和量上的交互规律已经成为水文学及水文地质学领域的研究热点之一。由于地表水和地下水存在温度差异,加之温度测量相对简单易行,因此温度信息越来越多地被应用到地表水-地下水交互机制的研究中。不同的温度测量技术有着各自不同的适用范围,点式测温和分布式测温技术相对简易可靠,适用于小尺度的温度测量,而航空和航天遥感测温技术适用于大尺度的温度测量,测量成本也相对较高。温度信息既可以定性刻画地表水和地下水交互的空间和时间分布规律,也可定量分析地表水-地下水的交互强度,还可以结合水位、流量等传统水文观测数据,为地表水-地下水耦合模型的校正提供独立于模型的校正信息。温度测量技术的改进和地表水-地下水交互理论的发展是未来研究的难点、重点。大量研究表明,随着地表水-地下水交互研究的深入和耦合模型仿真能力的提高,温度信息将成为地表水-地下水交互研究中的重要数据来源之一。

全文阅读

很长一段时间内,地表水和地下水被当作两个相互独立的系统进行研究。随着对地表水和地下水交互机制认识的深入,越来越多的研究者已经认识到地表水与地下水是相互关联、相互转化的统一系统。地表水和地下水在质和量上的相互作用机制已成为水文学及水文地质学领域研究的热点之一[1~3]。随着水资源短缺的加剧及气候变化导致水供应的不确定性,地表水-地下水之间的交互机制研究对于维持干旱区和半干旱区的河岸生态系统和水资源管理[4]、潜流区的生态环境[5]、河流及沿海水体污染分析[6~8]等方面均具有非常重要的理论和实际意义。由于地表水与地下水之间存在温度差异,使得温度成为示踪地表水和地下水交互的重要信息。地下水受气温的影响较小,一般在一定深度以下温度基本保持恒定,而地表水受季节性和日内气温变化的影响,温度多呈现出年内和日内的波动性。因此,在地表水与地下水相互交换的地段,地表水或者地下水的温度就会呈现出冷或热异常的现象。如当地下水补给地表水时,地表水水温波动的幅度会因为地下水的汇入而减小,当地表水处于水温波动的波峰处时,地下水的排泄点会呈现冷异常;相反,当地表水处于温度波谷处时,地下水的排泄点会呈现热异常[2]。研究地表水和地下水交互机制的常用方法为通过资料收集、实地水文地质调查、水文地球化学方法等获取研究区的地球物理和地球化学数据[9~11],通过综合分析已有数据和信息对研究区内地表水-地下水交互机制取得初步的定性认识,在此基础上结合相应的数学工具,采用水文统计、解析法或数值模拟的方法定量研究地表水-地下水间的交互机制[3]。近年来,随着传统热敏电阻、温度探头成本的降低以及新型温度传感器的出现,促进了温度在地表水-地下水交互研究领域的应用和发展。同时随着遥感技术的进步,通过热红外遥感技术获取区域上温度分布信息从而对流域尺度地下水进行相关研究也得到广泛发展[6,8,12~13],极大推进了温度信息在水文学、特别是在地表水和地下水交互研究中的应用[3]。温度信息既可以直接用于对地表水-地下水空间交互规律的研究[4,9~11],也可以作为独立信息间接用于对地表水-地下水耦合模型的校正[14~16]。在本文中,首先对各种温度测量手段及其优缺点进行全面总结,进而系统回顾利用温度信息对地表水-地下水交互机制的研究进展,最后对未来研究的难点进行探讨。1温度测量技术概述1.1点式测温技术点式测温技术是使用传统的玻璃温度计、压力感应器、热敏电阻、热电偶温度探头、光学和辐射传感器等获得不同点上的连续或离散温度数据的一种技术[2~10]。其中,铂热敏电阻测温计的温度分辨率最高(可达0.002),但是相应的造价也比较昂贵;非接触式测温计,比如手持式红外测温计能够在不干扰目标温度场的情况下获取目标温度信息,但是其温度测量精度较差(约1)。点式测温技术发展历史较长,在地表水和地下水交互研究中的应用也比较多。通过获取河水和地下水温度可以定性地刻画出河流和地下水之间的交互规律[5,6,12~17],而长期的温度观测数据对反演河流和地下水之间补排关系的季节性变化规律具有重要意义[9],结合相关的热流理论,甚至可以利用温度信息定量地分析地表水-地下水之间的交互规律[4,9,11~18]。1.2分布式光纤测温技术分布式光纤测温技术(DistributedTemperatureSensing,简称DTS)是20世纪80年代初由英格兰南安普顿大学开发的基于光时域反射(OpticalTime-DomainReflectometer)原理的测温技术,由于激光脉冲在光纤的传播过程中会受到介质的反射及散射作用,一部分光会

参考文献

引证文献

问答

我要提问