塔克拉玛干沙漠地下水十大问题与展望:基于60年来的水文地质调查研究成果

【研究目的】系统总结近60年来塔克拉玛干沙漠地下水的调查研究成果,从地下水补给排泄、地下水水质与地下水循环等三方面总结主要的成果与认识,指出目前调查研究的不足之处和需要解决的十大问题,展望下一步的工作方向与重点任务。【研究方法】通过系统收集塔克拉玛干沙漠地下水相关的调查报告、学术论文,结合国内外其他沙漠区的最新研究成果,从地下水水量、水质及地下水循环等方面梳理调查研究进展。【研究结果】沙漠地下水的主要来源是绿洲区地下水侧向补给、降水入渗与河水入渗补给;地下水的主要排泄方式是蒸散发,还有少量的人工开采;地下水贮存量巨大,约有80多万亿m^(3);但目前补给量与排泄量的估算均有较大的不确定性。沙漠地下水的水质较差,除个别地区小于5 g/L外,大部分地区在5~10 g/L;在垂向上地下水水质具有上咸下淡的特点。地下水的区域运动规律是先从南向北流动,至塔里木河冲积平原后折向东流,地下水平均流速为55.94 m/a。【结论】下一步建议针对本文提出的十大问题,采用定量化的手段,从更长的时间尺度对地下水的补给量、排泄量进行估算;通过分层试验以及监测等技术获取更多的地下水循环信息,系统研究地下水的循环规律,提出沙漠区地下水循环的模式,定量总结各个循环系统的特点;进一步加大对沙漠区淡水寻找和高矿化地下水开发利用技术研发。

新疆开孔河流域地下水依赖型植被生态系统的遥感识别

在干旱-半干旱地区,识别地下水依赖型植被生态系统(GDVEs)的位置和范围,对水资源和生态环境保护至关重要。针对传统识别方法的不足,以新疆开孔河流域为研究区,探索基于遥感技术的GDVEs识别方法。选取相对干旱年为研究期,基于植被指数、土壤湿度和潜在蒸散发,利用叠加分析和自然间断点分级法,确定开孔河流域GDVEs的空间分布,利用湿地分布、河流影响带及野外实地调查数据对识别结果进行验证。结果表明:开孔河流域GDVEs较高和高潜力区主要位于博斯腾湖周围和孔雀河下游荒漠平原区,主要为湿地生态系统和荒漠河岸林植被生态系统,约占天然植被区面积的10.3%;验证表明,本文提出的GDVEs识别方法可在西北干旱内陆河流域推广。

新疆和田高氟区土壤氟形态分布与风险评价

为探明新疆和田高氟区小麦农田土壤氟的赋存形态特征及环境风险,采集该区小麦农田耕作层和剖面土壤样品,分析其总氟(TF)含量和氟形态分布,探讨其影响因素,并对比研究TF和氟形态的污染水平和潜在生态风险。结果表明:研究区耕作层土壤TF含量范围为552~761 mg·kg^(-1),平均值为629 mg·kg^(-1)。各形态氟的分布规律为残余态氟(Res-F)≫有机束缚态氟(Or-F)>水溶态氟(Ws-F)>铁锰结合态氟(Fe/Mn-F)>可交换态氟(Ex-F),其中Ws-F含量均值为4.35 mg·kg^(-1),具有较强的生物有效性。剖面土壤中,TF、Res-F和Or-F的含量最大值均出现在表层,Ws-F含量随土层深度的增加呈增加趋势,Ex-F和Fe/Mn-F含量的垂向变化不显著。土壤TF与Res-F呈极显著正相关关系,Ex-F与Ws-F和Or-F呈显著正相关关系,Fe/Mn-F与其他形态氟间不存在显著相关关系。Ws-F与Ex-F在一定条件下可以相互转化,处于动态平衡状态。综合分析结果表明,三氧化二铝(Al2O3)是影响TF和Res-F含量的主要因素,硼(B)是影响Ex-F含量的主要因素,有机碳(SOC)是影响Fe/Mn-F含量的主要因素,Ws-F和Or-F与土壤理化性质间无显著相关性。地累积指数和潜在生态风险指数评价结果表明,研究区污染程度总体较低,基于氟赋存形态的生态风险较低,而基于土壤TF含量评价的结果偏高。从生物可利用的角度来说,基于氟赋存形态的生态风险评价结果相较于传统的基于总量的评价结果更加准确。

南疆地区水资源问题与对策建议

【研究目的】南疆地区是中国重要的能源矿产基地和诸多国家战略的核心区。该区地处干旱区,水资源短缺是制约社会经济发展和生态环境保护修复的主要因素,查明水资源开发利用中的问题,提出针对性的对策建议是实现水资源可持续利用与环境保护的重要保障。【研究方法】通过系统收集分析前人已有成果,从南疆地区的水资源开发利用现状、存在的问题与对策建议3个方面进行论述。【研究结果】南疆地区的水资源主要形成于山区,山区的降水和冰雪融水是河流的主要补给源。河流出山后,地表水与地下水频繁转化,最终以蒸散发的形式消亡于流域下游。南疆地区多年平均水资源451亿m^(3),其中地表水资源量432亿m^(3),地下水资源量268亿m^(3),重复量249亿m^(3)。近年的开发利用量已达327亿m^(3),开发利用程度超过70%,远超过水资源开发利用的警戒线,总体上已处于过度开发状态。南疆地区的地表水水质总体较好,优于Ⅲ类水的地表水占94%。地下水的水质从山前倾斜平原向盆地腹部,浅层地下水水质逐渐变差,由Ⅰ-Ⅲ类转变成Ⅳ-Ⅴ类地下水(高矿化度水),部分地区常规水化学、有机物含量等超标。水资源开发利用中的主要问题有水资源利用效率和效益偏低、水资源不合理开发利用造成土壤盐渍化和沙漠化等环境问题、生态需水量的估算存在较大不确定性以及气候变化对水资源的影响研究不足等。【结论】针对以上问题,应大力发展节水农业及提高咸水的资源化利用程度,统筹上、中、下游的水资源调度,优化水资源在生活、生态、生产之间的配置,加强南疆地区气候变化对水资源的影响研究以及生态需水量研究。

宁夏沿黄生态经济区生态系统服务价值及其提升对策

宁夏沿黄生态经济区是自治区各种生产要素最为集中的地区,其生态系统服务价值显得尤为重要。笔者采用修正当量因子法估算了5大生态系统11种生态系统服务价值,明确生态系统服务价值内部结构、时空分布特征及变化趋势,提出价值提升的对策建议,服务黄河流域宁夏段生态保护与高质量发展先行区建设。结果表明:经济区生态系统服务价值呈现出“中间高,四周低;盆地和山区高,荒漠和丘陵低”的空间分布特征;生态系统服务功能以水文调节、气候调节、水资源供给和气体调节服务为主,所占比重分别为59.07%、8.97%、5.02%、4.91%;生态系统服务价值呈增长趋势,与经济发展速度相比仍处于低协调度状态,下一步应在保护生态功能,兼顾美学价值的前提下,加强荒漠和丘陵地带的光伏、风能等清洁能源发展,提升生态系统服务价值。

西北干旱内陆盆地区水文地质调查工程介绍

“西北干旱内陆盆地区水文地质调查工程”归属于“水文地质与水资源调查计划”,工程牵头单位为中国地质调查局西安地质调查中心,工作周期为2019—2021年。

塔里木盆地东北缘绿洲区土壤养分特征及主控因素分析

土壤健康关系人民生产生活水平,关乎国家粮食安全,是重要的战略资源。为摸清塔里木盆地东北缘典型绿洲区土壤养分特征,采集研究区土壤表层样品140件,测定主要养分元素含量,分析其生态化学计量特征、空间分布规律及影响养分富集的主控因素。结果表明:①研究区Fe、Mn含量高值分布面积最广,Mg含量高值分布范围最小;分析土壤生态化学计量特征,发现缺氮少磷是限制区内植物正常生长的主控因素。②从数量上来看,研究区贫瘠、极贫瘠级别的土地面积占总面积的99.14%,仅0.86%的土地处于中等级别水平。从空间分布上来看,中等肥力的土地分布在区内东南部,呈孤岛状;极贫瘠的土地主要分布在绿洲-荒漠的过渡带上。③研究区4种土地利用方式中,耕地的土壤养分含量较高;土壤养分元素的含量与坡向、地表粗糙度呈正相关关系,与海拔呈负相关关系。同时,土壤养分的丰缺与长期连作、作物施肥、灌溉技术等人为影响也有着密切的关系。

西北内陆河流域地下水循环特征与地下水资源评价

在系统梳理前人调查研究成果基础上,总结了西北内陆河流域主要的含水层特点,对山区、平原区和沙漠区的地下水循环特点进行了分析,着重对平原区地下水水流系统进行了讨论。由于西北内陆河流域地下水与地表水关系密切,形成了具有密切水力联系的含水层-河流系统,不论是上游开发地表水还是地下水,都会引起整个流域内地下水资源的强烈变化。地下水资源评价表明,西北内陆河流域地下水资源量为783亿m^(3)/a,其中平原区的地下水资源量为487亿m^(3)/a,山区与平原区的地下水资源重复量为199亿m^(3)/a,现状开采量为128亿m^(3)/a。地下水开发潜力分析表明,除柴达木盆地、塔里木盆地南缘等地区外,其他地区的地下水开采潜力有限,应通过提高水资源的利用效率来提高其承载能力。今后应加大(微)咸水资源化、地下水水库的调查研究,加强地下水的生态功能和生态需水量评价,为地下水资源的合理开发利用提供技术支撑。

干旱区植被盖度增加对降水入渗补给地下水的影响——试验研究与数值模拟

随着西北旱区生态恢复工程的实施,该区生态环境持续改善,植被盖度不断增加。但植被冠层截留与蒸腾耗水加剧了包气带水分的亏空程度,减小了降雨对地下水的补给。采用原位试验方法,分析了植被覆盖区和裸土区不同深度土壤水势的变化规律。结果表明,受蒸发和蒸腾的共同作用,植被覆盖区平均土壤水势（-74k Pa）远低于裸土区（-16k Pa）,且变化剧烈,土壤水以向上运动为主。而裸土区土壤水势高,变化小,40cm以下土壤水向下运移,因此可以持续补给地下水。采用Hydrus-1D软件进行了长序列土壤水数值模拟,定量分析了植被盖度增加与地下水补给的关系。数值模拟结果表明,在裸土条件下,降雨对地下水的补给量介于82~333mm/a之间,平均值为197mm/a,平均降水入渗补给系数为0.53。而在植被覆盖的情况下,地下水的补给量几乎为0。最后,从植被蒸腾耗水和冠层降水截留2个方面讨论了旱区植被盖度增加对降雨入渗补给地下水的影响,提出了旱区水与生态和谐发展的建议。

陕西榆林地区旱柳和小叶杨夜间树干液流变化特征分析

【目的】研究陕西榆林地区旱柳和小叶杨夜间树干液流的变化特征,为毛乌素沙地造林选种提供依据。【方法】利用热消散探针法测量了陕西榆林地区旱柳(2011-04-28-11-07)和小叶杨(2011-06-27-11-07)的夜间树干液流密度,利用自动气象站测量风速、温湿度、净辐射、降雨量和土壤水分等环境因子,计算空气水汽压亏缺,分析夜间树干液流密度与空气水汽压亏缺、风速和白天总蒸腾量的相关关系。【结果】旱柳和小叶杨树干液流密度均呈现明显的昼夜波动,且白天(07:00-19:00)高,晚上低。白天旱柳和杨树的平均树干液流密度分别为6.79和6.49g/(cm2.h),而夜间平均树干液流密度分别是0.82和0.63g/(cm2.h)。雨天夜间树干液流比晴天大,主要是因为强降雨后,土壤水分明显增多,40cm以上土层的土壤水分增加了10%左右。夜间树干液流密度与空气水汽压亏缺、风速和白天总蒸腾量呈极显著相关,旱柳夜间树干液流密度与三者的相关系数分别是0.62,0.42和0.44,小叶杨与三者的相关系数分别是0.35,0.29和0.50。旱柳和小叶杨夜间树干液流密度对整树总蒸腾量的平均贡献率分别为11.4%,7.1%。【结论】旱柳和小叶杨2个树种均存在明显的夜间树干液流,且雨天的夜间树干液流比晴天高。影响夜间树干液流的因素是空气水汽压亏缺、风速和白天总蒸腾量,树干液流是由夜间补水和蒸腾共同造成的。旱柳夜间树干液流对总蒸腾量的贡献率较高,且随季节变化大,而杨树夜间液流对总耗水量的贡献率小且稳定。

毛乌素沙地4种植物叶水势变化及其影响因素分析

对毛乌素沙地旱柳(Salix matsudana Koidz.)、小叶杨(Populus simonii Carr.)、北沙柳(Salix psammophila C.Wang et Chang Y.Yang)和沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.)4种植物叶水势的月变化和日变化规律以及不同冠层叶水势的差异进行了研究,并分析了4种植物叶水势与气候因子及树干液流速度的相关性。结果表明:在5月份至8月份,旱柳、小叶杨和北沙柳清晨(5:00)的叶水势波动不明显;但3种植物正午(13:00)的叶水势有一定差异,其中旱柳和小叶杨正午的叶水势差异不明显,而北沙柳7月份和8月份的叶水势则明显小于其5月份和6月份;总体上看,各月份3种植物正午的叶水势均明显小于清晨叶水势。供试4种植物的叶水势日变化曲线均以"单峰型"为主,最高值出现在5:00至6:00,最低值出现在12:00至16:00;日间北沙柳的平均叶水势最低,而其他3种植物的平均叶水势差异不明显,5月份和8月份,北沙柳的平均叶水势分别为-11.9和-17.1 MPa,而旱柳、小叶杨和沙蒿的平均叶水势分别为-6.2和-7.1、-7.7和-7.3、-6.8和-8.4 MPa;但夜间4种植物的平均叶水势无明显变化。4种植物日间均表现出树冠下层叶水势高、上层叶水势低的趋势,而夜间则树冠上层和下层的叶水势几乎一致。相关性分析结果表明:4种植物的叶水势与气温、净辐射量以及树干液流速度负相关、与空气相对湿度正相关,其中,不同月份4种植物的叶水势与净辐射量和树干液流速度均极显著相关(P<0.01)。研究结果显示:毛乌素沙地不同植物叶水势的变化因种类、季节、气候条件的不同而异,但总体上看净辐射量是影响4种植物叶水势变化的最主要气象因子。

基于遥感的毛乌素沙地红碱淖面积变化趋势及其影响因素分析

红碱淖是毛乌素沙地最大的内陆湖泊,是集旅游、渔业和生态湿地于一体的功能区。近年来,红碱淖面积萎缩,影响了其综合功能的发挥。为了查明红碱淖面积的变化趋势及其影响因素,在收集前人资料和研究成果的基础上,借助MODIS遥感数据反演了湖面面积,建立了2000年以来红碱淖面积的时间序列。在分析红碱淖面积的变化特征和影响因素后发现,早期主要受气象因素的影响,湖泊面积呈周期性有规律的变化;后期在自然因素的基础上叠加了上游截流、地下水开采等人为因素的影响,湖泊在周期性变化的基础上总体呈现出萎缩的趋势。

鄂尔多斯盆地地热系统

本文是在前人研究基础上,结合鄂尔多斯盆地地下水勘查获取的地温资料,阐述了鄂尔多斯盆地地热形成的地质条件,大地热流的分布特征。描述了不同埋深的地温场的特征和地热梯度的空间变化规律,圈定了地下热水的分布区,利用最新的地下水资源评价的结果,概略计算了盆地的地热资源。

鄂尔多斯高原乞盖淖地下水与湖水动态补排关系研究

以鄂尔多斯高原乞盖淖为例，利用地下水与湖水的动态数据研究了湖水和地下水的补排关系。结果表明，地下水与湖水的补排关系存在着高度的动态性，6—9月间地下水与湖水的水动力关系多次发生变化。本次研究的结果可以作为建立地下水与湖水耦合数学模型的基础，为预测地下水开发对鄂尔多斯高原湖泊的影响提供依据。

乞盖淖湖湖床垂向渗透系数试验研究

地下水与湖水的转化必须要通过湖床沉积物，因此湖床渗透系数是评价湖水与地下水定量转化关系的基础。以内蒙古伊金霍洛旗乞盖淖湖为例，首先分析了湖床沉积物的颗粒组成，然后利用现场渗透试验方法进行了野外试验，计算了湖床的垂向渗透系数。湖床沉积物粒径分析结果表明，湖床沉积物以粉细沙为主。湖床垂向渗透系数计算结果表明，各测点的平均垂向渗透系数介于0．83～13．59cm／d，表明乞盖淖湖床垂向渗透性能在空间上具有非均质性。该研究为定量计算地下水与湖水的转化关系提供了基础参数。

基于地下水对洪水响应的含水层水力参数反演

为探寻基于地下水对洪水响应的含水层水力参数反演方法,引进卷积分和优化技术计算含水层的压力传导系数和河床沉积物的阻滞系数,提出了基于Excel的反演计算流程,利用Excel实现了卷积分计算和参数求解。以陕西省榆林地区补浪河为研究区,开展了地下水对洪水响应的含水层参数反演,并与抽水试验确定的含水层水力参数进行了对比验证。结果表明,提出的方法与抽水试验方法计算的含水层的水力参数相差17%,可满足实际工作的需要。

大克泊湖床垂向渗透系数试验研究

湖床渗透系数是地下水与湖水关系研究中的重要参数之一,是评价湖水与地下水定量转化关系的基础。以鄂尔多斯盆地大克泊湖为例,首先分析了湖床沉积物的颗粒组成,然后利用现场渗透试验技术进行了野外试验,计算了湖床的垂向渗透系数。计算结果表明,各测点的平均垂向渗透系数介于2.02×10-1～1.103 cm/d,最大值是最小值的4倍,表明大克泊湖床的垂向渗透性能在空间具有非均质性。湖床沉积物垂向渗透系数的数量级表明,湖水很难和地下水直接发生交换,地下水主要以溢流的形式补给湖水。因此,在枯水季节,地下水无法补给湖水,导致大克泊湖的面积在蒸发作用下萎缩迅速。颗粒分析结果表明,湖床沉积物以粘土为主,根据湖区的地层岩性分析,其主要来自环河组中泥岩的风化。

国外地下水热运移软件开发现状与趋势

分析了目前国外流行的地下水热运移模拟,对每个软件的主要功能作了简要的介绍,概述了地下水热运移软件的发展现状,指出与GIS结合,强化软件的前后处理功能是未来地下水热运移模拟软件发展的主要趋势。

鄂尔多斯高原地下水固碳能力研究

利用不同深度地下水的二氧化碳含量,结合粒子示踪技术确定不同深度地下水的循环量,对鄂尔多斯高原地下水的固碳能力进行了估算。结果表明,浅层地下水二氧化碳含量为0.02～6.45 mg/L,中、深层地下水不含二氧化碳;浅层地下水的循环量占总循环量的82.4%,中、深层地下水的循环量占总循环量的17.6%;鄂尔多斯高原地下水的固碳能力约为2 470 t/a。

利用反向粒子示踪技术确定地下水的年龄

利用粒子示踪技术确定地下水径流途径和地下水年龄可以查明地下水的循环机理,介绍了基于新一代交互式语言IDL在粒子示踪研究中的应用。在剖面地下水流数值模拟的基础上,利用IDL语言开发了反向离子示踪程序,并结合鄂尔多斯白垩系盆地的水文地质剖面进行了实例研究。