西辽河平原地下水失衡及其与土地利用的互馈关系

西辽河平原是我国北方重要的生态屏障,但是生态环境脆弱。2004年以来农田灌溉用水增加,地下水水位持续下降。为查明区域地下水失衡、生态效应及其影响因素,开展了西辽河平原地下水水位统测和长期监测,采用空间相关性分析、水均衡分析、土地利用转移矩阵、对地下水水位变化贡献度分析等方法,分析了区域地下水均衡状况及其与土地利用的互馈关系。结果表明:西辽河平原2020年地下水水位比2004年平均下降2.23 m,地下水储存量年均减少10.90×10^(8) m^(3);平原中部农业集中灌溉区地下水水位下降幅度较大,尤其通辽科尔沁区地下水水位下降最为明显;西辽河平原地下水开采量对地下水水位下降的贡献度为33%,科尔沁区超过50%;地下水水位下降区水位埋深从4.71 m下降至8.34 m,导致草地退化,面积减少,覆盖度下降;西辽河平原地下水可持续开采量为24.28×10^(8) m^(3)/a。用于农业灌溉的地下水开采量增大是造成地下水水位下降的主要原因,为防止地下水水位持续下降,提出了提高节水灌溉能力,调整种植结构、引入外源水及压缩地下水开采量等综合治理建议。该研究成果可为区域农业种植规划、地下水管理与保护提供技术支撑。

岩溶碳汇原理、过程与计量

岩溶生态系统碳循环由陆地生物碳循环(植物光合作用驱动)和岩溶碳循环(碳酸盐岩溶解风化驱动)两部分组成。岩溶碳循环与陆地生物碳循环存在协同作用,岩溶碳循环过程对陆地淡水生态系统产生显著影响。岩溶碳汇主要发生在岩溶和生物紧密联系的植物根系土壤岩石相互融合的表层岩溶带,在快速交互的地下水系统和地表水系统中发生迁移转化过程。当前流域岩溶碳汇计量存在至少3个方面的问题:(1)全岩溶流域中来源于碳酸盐岩的碳和来源于大气/土壤中的碳比例不清;(2)部分岩溶流域碳酸盐岩和硅酸盐岩风化溶解产生碳汇的量如何区分;(3)水生植物光合作用生产的内源有机碳与陆地生态系统的外源有机碳的贡献大小如何。建议岩溶碳汇计算要以流域为单元,通过确定流域边界,查明地质结构,分析土地覆被配置,揭示岩溶碳循环及碳汇效应影响的主控因子,建立反演和正演模型,估算流域岩溶和生物碳汇的贡献,填补岩溶碳汇服务价值评估的空白。

黄土-古土壤互层对土壤水分运移及土体微结构的影响

黄土地区地质灾害问题的发生大多与水在黄土中的入渗有关,而马兰黄土-古土壤互层结构对土壤水分入渗规律的影响显著。为揭示古土壤阻滞作用下黄土水分运移规律及其对黄土体微结构的影响,为黄土地区工程实践提供理论基础,该研究以陕西省泾阳县南塬的黄土为研究对象,采用土柱模型进行水分入渗试验,研究黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移规律。在此基础上,通过微结构测试、分形维数和概率熵等指标的计算,分析黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移对黄土微结构的影响。结果表明:古土壤层的透水性弱,湿润锋抵达黄土与古土壤界面处产生瞬态滞水,且随着入渗强度增加滞水时间增加;古土壤层影响下黄土与古土壤界面处的滞水会导致孔隙结构相互连通,孔隙空间平均增加4.13%,孔隙方向概率熵平均减少0.029,分形维数平均减小0.076,即古土壤层的阻水作用使得界面处黄土的孔隙空间增大,孔隙排列有序,孔隙形态规则。研究结果为黄土地区的工程建设和生态环境保护提供科学支撑。

40年来新疆阿克苏河流域地下水流场演化及成因模式

西北干旱内陆河流域经历了水土资源的大规模开发,对区域地下水和生态环境产生重要影响,但地下水长期演化机制认识尚不够清晰。本研究以新疆阿克苏河流域为典型区,通过最新地下水位数据和历史数据对比,分析流域地下水流场和埋深时空变化历史过程、特征及成因模式,探讨该区地下水长期演化与土地利用变化之间的关系,揭示人类活动影响下的地下水演化机制。结果表明:1979年以来,随着耕地面积增加,区域地下水流场经历了近天然状态到人类活动强烈影响的历史过程,潜水位和承压水头均有不同程度下降,局部地区承压水流向以及与潜水的补排关系发生改变。承压水主要依靠侧向径流补给,但人工开采强度远远大于侧向补给量,导致承压水头明显下降。以研究区中部英艾日克乡-喀拉塔勒镇一线为界,北部地区潜水水位和承压水水头降幅均大于南部地区,原因在于土地利用变化造成地下水补排条件发生改变,北部地区潜水水质较好,被大量开采用于农业灌溉,而南部因地下水质较差,以引用地表水灌溉为主,地下水开采强度较低,因此南部地下水下降不如北部地区明显。研究成果可为新疆阿克苏河流域及类似地区地下水的可持续开发利用与生态保护提供科学依据。

地下水系统中的抗生素对反硝化的影响研究进展

微生物反硝化过程是地下水中硝酸盐最重要的脱氮形式。再生水利用和养殖业引起的抗生素污染常与硝酸盐共存。因此,需深入研究抗生素及其存在形式对地下水中硝酸盐反硝化过程及抗生素抗性基因(ARGs)产生、富集和传播的影响,以综合解析地下水硝酸盐浓度升高的原因。近年来的研究识别了地下水系统中抗生素的解离/络合形态、吸附形式(层间吸附/表面吸附)、水解与微生物降解产物等存在形式,并从反硝化微生物群落、功能酶的种类与活性、功能基因丰度以及ARGs产生与传播途径阐释了抗生素对反硝化过程的抑制机制。主要结论为:(1)地下水系统中,抗生素以多种形式存在,而不同形式的抗生素对微生物的毒性有显著差异;(2)在每升纳克至微克水平的抗生素存在下,地下水反硝化过程受到抑制,抗生素改变了微生物群落结构,抑制了功能酶活性,增加了ARGs的丰度,在这些作用的协同影响下,硝酸盐降解动力学由零级向一级转变;(3)在抗生素抑制反硝化过程中,还增加了温室气体N2O的释放量,抗生素影响了功能基因nosZ表达,N2O浓度与nosZ丰度呈负指数关系。在综述相关文献的基础上,对未来研究提出了展望:(1)定量识别典型抗生素进入地下水系统后的存在形式;(2)厘清不同存在形式的抗生素对反硝化微生物群落、功能酶种类与活性、功能基因丰度和多样性的影响;(3)探索反硝化功能基因在抗生素不同存在形式和不同输入方式下的变化过程,并建立ARGs产生、富集与传播模式;(4)结合野外观测和室内实验从分子生物学、环境化学和水文地质学多尺度研究复合污染下地下水系统的反硝化过程,可为日益复杂的地下水污染防治和饮用水安全保障提供理论依据。

试论场地污染水文地质学

随着地下水污染问题越来越受到重视,小尺度场地水文地质工作需求日益强烈。污染场地对水文地质工作的要求具有特殊性,具体包括:(1)小尺度,高分辨率;(2)既要研究污染物泄漏的污染过程,也要研究修复状态下的污染物去除过程;(3)特别需要关注注入含水层的修复剂流体(气体、液体、胶体、微生物等)与地层介质、目标污染物的作用。而传统大尺度的水文地质学难以完全满足上述工作的实际需求。地下水污染场地的控制与修复需要多学科协同,其中水文地质学最为关键。因此,有必要提出水文地质与环境工程学科交叉的“场地污染水文地质学”,以适应地下水污染场地的风险管理的实际需求。文章重点论述了场地污染水文地质学小尺度地层结构与污染羽的刻画、“污染物—水—岩”作用的定量描述以及非均质地层中污染物在多相体系中的作用和影响等,提出了场地污染水文地质学的主要研究内容和需要解决的关键问题,包括:(1)小尺度下场地高分辨率刻画;(2)污染过程和修复过程中污染物在地下环境中的物理、化学和生物作用的定量描述;(3)场地尺度污染物在地下环境介质中的迁移转化;(4)修复剂(助剂)在地下环境中的传输与反应;(5)非均质与低渗透地层污染的控制与修复。

河床地形起伏变化对地表水-地下水-湿地水交互过程的影响研究

地表水动力条件变化及河床沉积物岩性空间差异造成河床地形在空间上起伏变化是水沙界面压力空间分布的主要影响因素,影响地表水-地下水、地下水-傍河湿地水交互过程。为研究河床地形起伏变化对地表水-地下水-湿地水交互过程的影响机理,在黄河下游开封柳园口设置研究断面,统计分析河床地形起伏变化特征数据,建立半理想化地下水流数值模型,分析地表水-地下水-湿地水相互作用过程。结果表明:(1)与平整河床相比,河流横断面河床地形空间起伏变化可增大地表水-地下水转换量及地下水-湿地水转化量;(2)河床地形空间起伏变化使河床下伏含水层发育不同级次的地下水流系统,改变了地下水流路径及其径流时间,与平整河床地形相比,河流横断面河床地形起伏变化使得河流下伏含水层地下水流路径复杂化,近河床界面的浅部含水层不同位置发育有滞留区,且随着河床地形起伏程度越大,湿地侧河床下伏含水层及湿地附近含水层地下水年龄增大。研究结果可为黄河下游悬河段地表水-地下水-湿地协同保护提供理论依据。

昆仑山北坡黑刺沟大型天然矿泉水成因分析

昆仑山区现代冰川林立,构造及地貌的发育形成了西大滩大型矿泉水、昆仑圣泉以及昆仑山等诸多优质天然矿泉水源。目前仅昆仑山矿泉水进行了较大规模的开发,其余大量的矿泉水尚处于未开发的原始状态,矿泉水资源十分丰富。通过EH-4音频大地电磁测深、水化学分析及动态监测等手段,采用Piper三线图解法、Gibbs图解法、同位素分析等方法对昆仑山北坡黑刺沟大型天然矿泉水的导水与控水断裂、水化学特殊组分来源及形成机制进行分析研究。结果显示矿泉群主要补给水源为刚欠查鲁马峰一带现代冰川底部冰雪覆盖融区水,冰雪融水通过多期活动的正断层组向深部运移,径流至北侧南倾阻水断层后形成富水区和上涌通道,并沿着通道溢出地表形成矿泉群;泉水中锶元素来源于南部昆仑山硅酸盐组与地下水的水-岩相互作用。

比德向斜北西翼勘查区水文地质特征分析

依据比德向斜北西翼勘查地质资料,分析勘查区水文地质特征。地下水类型为碳酸盐岩岩溶裂隙水、基岩裂隙水、孔隙水;勘查区含水层分为富水性弱、富水性中等、富水性强;勘查区内断层多期活动强烈、断距大、断层倾角大,其中F1、F2断层对煤系地层影响较大,断层破碎带宽,其导水性和富水性强。

广东省罗定市大水坑水库大坝安全运行水文地质工程地质条件研究

随着经济的飞速发展,我国水利事业建设迎来了黄金发展时期,水利工程项目越来越多,一些问题也逐渐暴露出来。本文以广东大水坑水库大坝安全运行水文地质工程地质条件为研究对象,通过资料收集、野外调查、地质钻探、原位试验、物探检测、室内测试等手段,对该水库大坝进行了安全运行水文地质工程地质条件研究。研究结果表明:水库不存在水库渗漏和库岸稳定问题;如水库高水位运行,坝体渗漏危胁大坝安全,建议进行相应的防渗处理;并加强运行期间的监测。本研究为类似条件的水库后期安全运行、水库区可持续发展,提供了有益的参考。

鲁西北平原区浅层地下水质量评价及指标优化

【目的】为优化地下水水质监测方案,确定鲁西北平原地下水水质的主要控制因素,快速掌握地下水水质变化,【方法】基于2020年鲁西北平原地区浅层地下水水质数据,利用统计学软件、GIS软件对研究区水质情况进行描述性统计与空间信息差异化分析;基于熵权水质指数(EWQI)利用多元线性回归模型探讨能代表研究区地下水水质的化学指标。【结果】结果显示:鲁西北平原地下水水质趋于一个较为中等的状态,冲积海积平原咸水水文地质亚区与冲积平原咸淡水水文地质亚区水质较差,冲积洪积平原淡水水文地质亚区水质相对较好;EWQI模型指标优化后代表整个研究区地下水水质的水化学指标为TDS、Mn^(2+)、I^(-)、F^(-)和Al^(3+),指标优化后EWQI_(min)模型R~2和RMSE值分别为0.996和5.094,百分比误差PE为3.615%。【结论】结果表明:EWQI_(min)模型优选指标具有较好的代表性,可用作水质监测主要监控对象,为水质监测网优化调整及相关管理措施提供了参考。

鲁西南平原浅层地下水脆弱性评价研究

区域地下水脆弱性评价可为地下水水质的监测和管理提供有效建议。以鲁西南平原为研究区,采用适合的参数,将传统的DRASTIC模型改进为“DRITCS法”,所选择的参数因子分别为地下水位埋深、地下水补给模数、含水层内的砂卵砾层厚度、地形坡度以及渗透系数。结果表明:“DRITCS法”可以客观地反映鲁西南平原浅层地下水脆弱性的空间分布特性,能够准确呈现不同脆弱性区域硫酸盐污染点、三氮污染点比例的对比效果。基于研究区点源污染和面源污染的分区图,能够为后续地下水水质监测提供建议和思路。

吉林省伊舒盆地地热流体特性及储量计算

吉林省伊舒盆地地层富水性良好、地热资源丰富,具有良好的地热资源开发利用前景。基于研究区伊舒盆地已有地热地质调查和评价资料,结合相关标准、规范和水化学方法,梳理分析研究区水文地质和地热地质条件,探讨了研究区内地热流体赋存条件、水化学和同位素组成特征,并利用热储岩体参数计算研究区的地热储量。结论表明:研究区地热流体主要赋存于深层碎屑岩类裂隙孔隙中,形成条件具有较高相似性和一定的同源性,溶解性固体(total dissolved solids,TDS)较高、含氟和偏硅酸的低温碱性地下热水,水化学类型为HCO_(3)^(-)-Na^(+)型。氢氧同位素组成表明,研究区地下流体补给以古降水为主,地热流体年龄为27 Ka。地热流体储存水量为4.20×10^(10)m^(3),年可开采量为3446.94×10^(4)m^(3)/a。研究成果可为吉林省后续地热资源管理、开发和利用提供科学依据。

武汉地区防洪控制区水力梯度实测研究

根据《建筑地基基础技术规范》(DB 42/242-2014)规定,武汉地区防洪控制区内建议承压水头坡降为0.5%~0.8%,由此可近似推导防洪控制区内抗浮水位及基坑降水承压水水头。2003年以来,由于长江补给两岸时长的大幅缩短及城市建设大规模基坑降水,防洪控制区内相应水力梯度也发生较大改变,根据防洪控制区内40个项目水位观测统计数据,控制区内的实测水力梯度与规范建议值存在较大偏差,与长江水位、项目距离呈非线性衰减关系。通过数据分析,推导出丰水期峰值水力梯度、丰水期平均水力梯度、枯水期平均水力梯度曲线方程,并获得了实际项目验证。研究结论可为规范修订提供参考,同时为防洪控制区内抗浮水位选取及基坑工程降水提供支持。

西宁市富铁地下水分布特征及影响因素分析

地下水是西宁市的重要供水水源,调查发现其地下水中富铁,限制了开发利用,而针对不同类型含水层中富铁地下水分布特征及其成因缺乏研究。以144组地下水样品水化学测试数据为基础,结合地质和水文地质条件特征,借助统计学和地统计学等方法,研究了不同类型含水层地下水中铁含量的分布特征及其影响因素。结果表明:松散岩类孔隙含水层(Ⅰ区)地下水中Fe超过质量浓度0.3 mg/L的水占27.85%,分别是碎屑岩类裂隙孔隙含水层(Ⅱ区)和基岩裂隙含水层(Ⅲ区)的1.6倍和2.7倍,富铁地下水(质量浓度大于0.3 mg/L)在建设用地中的比例明显高于其他土地利用类型区;还原环境和人类活动(如工业废水、生活污水、富铁河水的入渗)可能是影响Ⅰ区地下水中铁含量升高的主要因素,Ⅱ区中富铁地下水除了受还原环境的影响外,农业氮肥的施用和生活污水的排放也是重要影响因素,Ⅲ区中富铁地下水主要受控于还原条件;在区域尺度上,富铁地下水沿河流呈条带或斑状分布,原生地层中铁矿床和人类活动(工业废水)释放的铁是研究区浅层地下水中铁离子的主要来源,地下水中铁离子的迁移和富集主要受还原条件的控制,径流条件也起到一定作用,与pH无明显相关性,未引起明显的“盐效应”。研究结果可为西宁市及类似干旱—半干旱区城市水环境管理提供科学依据。

页岩气开发的地下水环境效应评估——以贵州习水浅层页岩区块为例

大规模水力压裂可能产生一系列环境地质问题,包括了地下水污染、诱发地震以及水资源消耗。目前尚未系统地建立页岩气开发的地下水环境效应评价框架,且对地下水主要污染物来源认识不清。本文以贵州习水浅层页岩气区块为例,通过了解页岩气开发前地下水环境背景状况、确定水力压裂中水循环过程以及地下水污染源、建立地下水敏感性监测及污染示踪指标确定方法、揭示污染溯源中关键地球化学过程对同位素污染示踪的影响,初步形成了页岩气开发的地下水环境效应评估框架。本研究确定了研究区浅层地下水背景值状况,包括水化学、同位素以及溶解性气体指标。现场水力压裂试验和具有长周期商业开采井的结果表明页岩地层水存在于整个页岩气开发和生产过程,并作为返排液和产出水的主要组成部分,是浅层地下水污染的主要来源。根据页岩地层水和浅层地下水水文地球化学特征的差异,建立了确定地下水敏感性监测和污染示踪指标的方法,识别出研究区地下水敏感性指标(Cl^(-)、Na^(+)、Ba^(2+)、Li^(+)、B、87Sr/86Sr和δ11B)。针对气体污染(甲烷作为地下水污染物),建立了浅层地下水溶解气和页岩气甲烷同位素(δ13C-CH_(4))及惰性气体同位素(3He/4He和4He/20Ne)组成的端元。同时揭示了当有黏土矿物存在的情况下,吸附-解吸对同位素示踪的影响。在研究区,黏土矿物B的解吸造成水体B含量的增加及δ11B的减少;溶解态Sr与吸附态Sr的同位素再平衡,增加了水中87Sr/86Sr比值。本项研究对于页岩气开发的地下水环境保护具有重要的意义,有助于完善页岩气开发过程中地下水环境效应的评估。

包气带中手性抗生素的环境行为研究进展

目前,手性抗生素在包气带中的检测、分布、迁移转化等方面缺乏系统总结和全面综述。文章指出手性抗生素不同异构体的物理化学性质存在差异,例如左旋吉米沙星的溶解度、辛醇-水分配系数分别是右旋吉米沙星的301倍、9.8倍,会影响其在环境中的迁移转化。高效液相色谱-手性色谱柱法和手性配体交换色谱法是目前最常用的分析手性抗生素的方法。梳理了国内外土壤、水体和农产品中手性抗生素的检出情况,其中最常见的是氟甲喹、洛美沙星、氧氟沙星等。手性抗生素在矿物和微塑料上的吸附速率和分配系数均存在差异,天然有机物的存在导致差异更大,但是不同种类手性抗生素之间并没有规律。手性抗生素会与地下水中的常见阳离子发生络合作用,络合物的稳定常数不同,例如镁离子-左氧氟沙星络合物的稳定常数是镁离子-氧氟沙星络合物的22.9倍。在生物降解过程中,不同手性抗生素的可降解性、降解速率不同,另外,抗生素异构体之间还会发生相互转化。文章系统阐述了手性抗生素在包气带中的分布情况和迁移转化行为,可供地下水系统中手性抗生素方面的研究参考。研究认为对于包气带中手性抗生素的环境行为,亟需开展以下研究:(1)手性抗生素的拆分、检测、毒理学和标准建设;(2)多种手性抗生素的调查、迁移转化;(3)手性抗生素的多界面环境过程。

基于健康与恢复力的生态系统退化风险研究——以坝上高原察汗淖尔流域为例

【研究目的】基于生态系统的健康状况与恢复力,构建湖泊流域生态系统退化风险评估体系,从流域尺度为生态环境保护及可持续发展提供科学依据。【研究方法】以坝上高原察汗淖尔流域为例,创建生态系统健康与恢复力交互风险评估矩阵,建立生态退化风险评估体系,开展察汗淖尔流域生态系统退化风险评估。【研究结果】察汗淖尔流域内91.10%的区域生态健康状态处于良好,6.66%为优秀;流域22.76%的区域生态恢复力等级为1~2级,75.00%处于3~4级。交互评估结果表明流域27.51%的区域为低生态退化风险较状态,70.25%的区域处于中等状态。【结论】察汗淖尔流域生态系统总体较好,但局部地区由于恢复力较差,导致生态退化风险处于中等。本次研究所提出的评估方法可精准划分流域尺度生态退化风险等级,为科学制定精准生态保护与退化控制措施提供决策依据。

不同含水率条件下土壤中赤霉酸自然衰减规律研究

作为一种施用范围广、用量大的微毒农药,赤霉酸(GA3)的高溶解度会造成其在土壤中的弱吸附和强迁移并伴随强烈的自然衰减,且受到间歇性灌溉过程中变化土壤含水率的影响,因此有必要系统研究不同含水率条件下土壤中GA3的自然衰减规律。通过设置10%、20%、30%的3种土壤含水率,研究了不同土壤含水率条件下GA3的自然衰减规律,分析了土壤微生物对GA3自然衰减过程的影响,定性识别了GA3自然衰减产物。结果表明:(1)实验结束(34 d)时初始含水率为10%、20%和30%的灭菌组和未灭菌组土壤中GA3的自然衰减率分别为87.77%、89.70%、90.70%和87.70%、94.47%、95.87%,其自然衰减半衰期分别为12.38,12.16,12.60d和8.56,6.80,7.07d;(2)含水率对灭菌组土壤GA3的自然衰减速率无显著影响,未灭菌组在不同土壤含水率条件下GA3自然衰减速率有差异(20%土壤含水率最大);(3)在水解作用的基础上,土壤微生物降解进一步促进了GA3的自然衰减,且生物降解贡献率为39.62%±7.58%;(4)GA3主要自然衰减产物为异构赤霉酸与赤霉烯酸(其中异构赤霉酸占比更大),未来需要进一步关注GA3自然衰减产物在环境中的生物毒性与环境风险。上述研究结果有助于进一步深入理解农业生产过程土壤中GA3的环境行为,并为其环境毒性及潜在风险评估与管控提供数据支撑。

环鄱阳湖地区地下水pH特征及其控制因素研究

pH是影响地下水组分存在形式的重要水文地球化学指标之一。环鄱阳湖地下水维持着湖泊湿地生态系统,是该地区工农业生产至关重要的水源。目前对鄱阳湖地区地下水pH的研究依然薄弱。本文基于环鄱阳湖地区枯水期与丰水期56个地下水观测点的pH和NO_(3)、Cl、HCO_(3)、SO_(4)、Ca、Mg、Na、K含量等指标,采用多元统计与空间分析方法,分析该地区地下水pH的分布特征及其控制因素。结果表明,环鄱阳湖地区地下水体普遍偏酸性,其中枯水期地下水pH为4.75~8.41,平均值6.43;丰水期地下水pH为4.76~7.43,平均值6.05。丰水期地下水pH普遍低于枯水期,不同水化学类型的地下水pH存在差异,同时pH空间分布也具有区域性特征。控制该地区地下水pH的潜在因素包括酸雨、土壤类型以及碳酸盐岩出露等。本研究成果可为鄱阳湖地区地下水资源管理及污染防治提供一定的理论依据。