基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究

doi:10.13745/j.esf.sf

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (2): 423-434.DOI: 10.13745/j.esf.sf

基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究

谌宏伟¹^,²^,³(), 杨瑶¹, 黄荷¹^,²^,³, 周慧⁴, 彭向训¹^,²^,³, 于莎莎⁴, 喻娓厚⁴, 李正最⁴, 王赵国¹

1.长沙理工大学水利与环境工程学院, 湖南长沙 410114
2.长沙理工大学水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室, 湖南长沙 410114
3.长沙理工大学洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室, 湖南长沙 410114
4.湖南省水文水资源勘测中心, 湖南长沙 410005

收稿日期:2023-03-03 修回日期:2023-03-21 出版日期:2024-03-25 发布日期:2024-04-18
作者简介:谌宏伟(1969—),男,博士,副教授,硕士生导师,主要从事地下水开发利用与管理、土壤和地下水污染防治与控制以及水生态修复和环境影响评价等方面的研究工作。E-mail: 303424977@qq.com
基金资助:
湖南省水利科技重大项目(XSKJ2019081-09);湖南省水利一般科技项目(XSKJ2019081-43)

Interaction between surface water and groundwater during the dry season in Lake Dongting based on ²²²Rn tracing

CHEN Hongwei¹^,²^,³(), YANG Yao¹, HUANG He¹^,²^,³, ZHOU Hui⁴, PENG Xiangxun¹^,²^,³, YU Shasha⁴, YU Weihou⁴, LI Zhengzui⁴, WANG Zhaoguo¹

1. School of Hydraulic and Environmental Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China
2. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China
3. Key Laboratory of Dongting Lake Aquatic Eco-Environmental Control and Restoration of Hunan Province, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China
4. Hunan Hydrology and Water Resources Survey Center, Changsha 410005, China

Received:2023-03-03 Revised:2023-03-21 Online:2024-03-25 Published:2024-04-18

摘要/Abstract

摘要：

洞庭湖区水系发达,水文地质条件复杂,人类活动强烈,地表水和地下水的水力联系变化频繁,其研究的难度以及由此造成的研究不足影响了对湖区地下水赋存和运动规律的深入认识。本文以洞庭湖整体为研究对象,采用水位动态分析和氡(²²²Rn)同位素示踪法,定性和定量研究枯水期洞庭湖区地表水与地下水的交互作用关系与交互通量。枯水期洞庭湖区水位和氡浓度空间分布特征指示研究区内地下水向湖水排泄,尤以东洞庭湖最为显著。氡箱模型计算结果显示枯水期地下水排泄²²²Rn通量为455.09 Bq/(m²·d),占总输入²²²Rn通量的60.07%,地下水排泄总量为0.29×10⁸ m³/d,平均排泄速率为56.27 mm/d,地下水排泄对湖水的贡献率为7.04%。敏感性分析表明:风速、地下水和湖水²²²Rn浓度以及湖面面积等参数较为敏感,合理布置取样点并提高敏感参数测量准确度能提高模型计算结果的可靠度。氡同位素示踪法物理意义明确、操作过程简便,是研究复杂区域地下水补、径、排特征的有效方法。研究成果一定程度上提供了洞庭湖区水量均衡的更多认识,可为洞庭湖区地下水资源评价和管理提供参考。

关键词: 地表水-地下水交互作用, 水位动态, 氡同位素, 枯水期, 洞庭湖区

Abstract:

Lake Tongting area has a dynamic water environment with developed surface water networks, complex hydrogeological conditions and intensive human activities, which makes it difficult to gain in-depth understanding of groundwater storage and movement in the lake area. This study applies dynamic analysis of water levels and radon (²²²Rn) tracer method to carry out qualitative and quantitative analyses of surface water-groundwater interaction and exchange fluxes in Lake Tongting area in the dry season. The spatial distribution patterns of water levels and ²²²Rn concentrations in the lake area in the dry season (between 2018-2020) indicated that groundwater (GD) discharge to the lake occurred in the dry season, especially in eastern Lake Dongting. According to calculation using radon box model, the GD-borne ²²²Rn flux in the dry season was 455.09 Bq/(m²·d), or 60.07% of total ²²²Rn flux to the lake; the total groundwater discharge was 0.29×10⁸ m³/d, and the average discharge rate was 56.27 mm/d. Groundwater discharge contributed to 7.04% of surface water in the dry season. Sensitivity analysis showed that sensitive variables in the model were wind speed, ²²²Rn concentration in groundwater/lake water and surface area. Improvements of sampling scheme and measurement accuracy of sensitive variables can improve reliability of calculation results. With clear physical significance and simple application protocol, radon (²²²Rn) tracer has certain application advantageous that it can be effectively used to quantify groundwater recharge, runoff and discharge in complex water environments. The research results provide better understanding of water balance in Lake Dongting and can serve as reference for water resource evaluation and management in the lake area.

Key words: surface water-groundwater interaction, water level dynamics, ²²²Rn isotope, dry season, Lake Dongting

中图分类号:

谌宏伟, 杨瑶, 黄荷, 周慧, 彭向训, 于莎莎, 喻娓厚, 李正最, 王赵国. 基于氡同位素示踪的洞庭湖区枯水期湖水与地下水交互作用研究[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 423-434.

CHEN Hongwei, YANG Yao, HUANG He, ZHOU Hui, PENG Xiangxun, YU Shasha, YU Weihou, LI Zhengzui, WANG Zhaoguo. Interaction between surface water and groundwater during the dry season in Lake Dongting based on ²²²Rn tracing[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(2): 423-434.

图/表 9

图1 洞庭湖区地形与水系图(含采样点分布)

Fig.1 Topography and river system of the Dongting Lake Area (Including sampling sites)

图2 氡箱模型示意图

Fig.2 Diagram of radon box model

表1 相对敏感度分级

Table 1 Relative sensitivity classification

相对敏感度范围	敏感度等级	敏感性特征
$S$ <0.05	Ⅰ	不敏感
0.05≤ $S$ <0.20	Ⅱ	弱敏感
0.20≤ $S$ <0.50	Ⅲ	一般敏感
0.50≤ $S$ <1.00	Ⅳ	比较敏感
$S$ ≥1.00	Ⅴ	非常敏感

表1 相对敏感度分级

Table 1 Relative sensitivity classification

相对敏感度范围	敏感度等级	敏感性特征
$S$ <0.05	Ⅰ	不敏感
0.05≤ $S$ <0.20	Ⅱ	弱敏感
0.20≤ $S$ <0.50	Ⅲ	一般敏感
0.50≤ $S$ <1.00	Ⅳ	比较敏感
$S$ ≥1.00	Ⅴ	非常敏感

图3 洞庭湖区地下水水位分布图(2020年1月)

Fig.3 Distribution of groundwater level in Dongting Lake Area (January 2020)

图4 洞庭湖区典型区域湖水与地下水水位动态关系

Fig.4 Dynamic changes of lake water levels and groundwater levels in the typical areas of Dongting Lake Area

图5 洞庭湖区枯水期不同水体222Rn浓度分布图 a—地表水;b—地下水。

Fig.5 Concentration distribution of 222Rn in Dongting Lake during the dry season

表2 氡箱模型参数计算结果

Table 2 Calculation results of radon box model parameters

表3 氡箱模型参数敏感性分析计算结果

Table 3 Sensitivity analysis and calculation results of radon box model parameters

参数	相对敏感度	敏感分级	敏感性特征
湖水²²²Rn浓度C_w	1.37	Ⅴ	非常敏感
空气²²²Rn浓度C_a	0.02	Ⅰ	不敏感
地下水²²²Rn浓度C_g	1.11	Ⅴ	非常敏感
湖水温度T	0.01	Ⅰ	不敏感
空气温度T_a	0.26	Ⅲ	一般敏感
平衡试验后上覆水²²²Rn浓度C₀	0.13	Ⅱ	弱敏感
孔隙度n	0.05	Ⅱ	弱敏感
湘江²²²Rn浓度	0.21	Ⅲ	一般敏感
资水²²²Rn浓度	0.09	Ⅱ	弱敏感
沅江²²²Rn浓度	0.08	Ⅱ	弱敏感
澧水²²²Rn浓度	0.03	Ⅰ	不敏感
松滋河²²²Rn浓度	0.01	Ⅰ	不敏感
城陵矶²²²Rn浓度	0.35	Ⅲ	一般敏感
湘江流量	0.21	Ⅲ	一般敏感
资江流量	0.08	Ⅱ	弱敏感
沅江流量	0.08	Ⅱ	弱敏感
澧水流量	0.02	Ⅰ	不敏感
松滋河流量	0.01	Ⅰ	不敏感
城陵矶流量	0.35	Ⅲ	一般敏感
湖泊面积	1.16	Ⅴ	非常敏感
风速	1.49	Ⅴ	非常敏感
湖水深度	0.32	Ⅲ	一般敏感

图6 氡箱模型参数相对误差分析

Fig.6 Analysis of relative error of parameters in radon box model

参考文献 27

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