毛乌素沙地包气带气态水同位素特征及其运移规律

为揭示包气带气态水在大气、土壤和地下水之间交换对内部水与能量传递的响应,该研究应用原位监测、同位素示踪与数值分析相结合的方法,对毛乌素沙地包气带气态水时空变化特征与运移规律进行分析。结果表明,受大气水汽来源和局地循环影响,降水δD_(L)和δ^(18)OL值均表现出春夏富集、秋冬贫化。各深度土壤气态水δ^(18)O_(a)与液态水δ^(18)OL值呈显著正相关(P<0.01),但在季节上,春夏季为极显著线性正相关(P<0.01),而秋冬季则无显著相关性(P=0.12)。表层水汽通量的增大伴随δ^(18)O_(a)富集,而水汽密度夏季的增大和冬季的减小均表现出表层δ^(18)O_(a)富集,夏季蒸发比冬季冻结更能引起表层土壤δ^(18)O_(a)富集。受包气带温度梯度驱动影响,夏季土壤深部气态水接受浅层水汽补给,冬季浅层接受中深层水汽的补给,而春、秋季剖面分别存在温度聚合和发散零通量面,使得补给关系复杂。该研究明确了土壤δ^(18)O_(a)的变化受水汽迁移模式、大气蒸发能力和土壤冻融的共同控制,表层δ^(18)O_(a)的富集在冬季受蒸发与向上的水汽传输共同影响,而夏季主要受土壤水的昼夜蒸发与凝结循环作用所致,该结果为厘清土壤水汽迁移机制以及进一步阐明包气带水循环过程提供科学依据。

渭河流域浅层包气带土体温度分布规律及变化模式

大气温度、太阳辐射强度、降雨量、空气湿度等气象要素决定浅层土体温度的变化.以黄土高原渭河流域西部黄土丘陵沟壑区作为研究区域,建立野外观测站,对该区域浅层包气带土体温度对气候变化的响应过程进行实时监测.通过现场监测和理论分析发现土体温度分布规律及变化模式如下:气象要素只对变温带的土体的温度有影响,且大气温度和太阳辐射强度是影响变温带土体温度的主要因素,土层越深,其影响程度越小;相位随着土体的深度呈线性平移,即土体温度是存在滞后效应的,经分析,土体在地下深度760 cm处的温度曲线的相位与地表处正好相反,此处温度恰好滞后于地表半年时间.通过监测数据预测该地区恒温带深度为1193 cm,恒温带温度为13.152℃;在计算土体温度理论滞后时间时将土体的热扩散系数看作是一常数,导致土体温度滞后时间的理论值与实测值有所差异,随着土层的加深,两者的差距越来越小.

华北平原制革废水Cr(Ⅲ)和氨氮在典型包气带中迁移模拟与污染评价

【研究目的】为探明制革废水中的特征污染物铬(Cr(Ⅲ))和氨氮(NH_(4)^(+)–N)在华北平原典型包气带中的迁移规律,评价其可能产生的土壤与地下水污染风险。【研究方法】采用土柱淋滤实验研究Cr(Ⅲ)和NH_(4)^(+)–N在典型粉土中的吸附和迁移转化特征,结合Hydrus–1D建立的包气带水流和溶质运移模型,模拟预测深0.5 m渗坑中NH_(4)^(+)–N连续入渗状态下通过包气带到达地下水面所需时间及不同深度浓度值的变化规律。【研究结果】在3 cm定水头,污染液(Cr(Ⅲ)20 mg/L,NH_(4)^(+)–N 250 mg/L)定浓度持续淋滤120 d的情况下,Cr(Ⅲ)在土柱中垂向迁移距离小于10 cm,且以残渣态(73%)为主,未检出Cr(VI)。NH_(4)^(+)–N则迁移能力较强,淋滤40 d后即穿透50 cm厚粉土柱。在高含盐量(电导率为10.08 ms/cm)条件下,NH_(4)^(+)–N在粉土中的迁移主要受吸附作用控制,土-水分配系数为25.87 L/kg,未发生硝化作用。持续淋滤150 d时NH_(4)^(+)–N迁移至地下水面(18 m埋深)且浓度超过Ⅲ类地下水质量标准(0.5 mg/L,GB/T 14848–2017),在223 d完全穿透包气带,严重污染地下水。【结论】高含盐量制革废水中Cr(Ⅲ)在粉土中迁移能力较弱,且难以被氧化为Cr(Ⅵ),对地下水威胁较小。NH_(4)^(+)–N则随水流快速迁移至地下水面,严重威胁地下水安全。

干旱绿洲区包气带土壤盐分分布特征及运移机制——以新疆焉耆盆地为例

土壤盐渍化问题严重制约着我国干旱—半干旱区农业可持续高质量发展,了解包气带土壤盐分离子分布特征及垂向运移机制对科学防治土壤盐渍化具有重要意义。通过精细化采集新疆焉耆盆地2 m深度剖面土壤,测定样品机械组成和8种盐分离子含量,计算土壤颗粒分形维数,采用统计学方法分析包气带土壤盐分离子垂向分布特征,对包气带土壤质地与水盐运移间的关系进行探讨。结果表明,博湖剖面包气带土壤主要为非盐渍土,土壤盐分主要受开都河下游地下水水化学类型和矿化度控制,阴阳离子比值约为2∶5,盐分类型主要为Ca^(2+)—HCO_(3)^(2-)和Na^(+)—SO_(4)^(2-)型;焉耆剖面包气带土壤普遍为重度盐渍土,土壤盐分受到开都河下游地下水水化学类型和自身包气带盐分的综合影响,阴阳离子比值约为1∶2,盐分类型主要为Ca^(2+)—SO_(4)^(2-)型和Na^(+)—Cl^(-)型。土壤分形维数和黏粒含量之间显著正相关,与砂粒含量显著负相关,包气带土壤盐分与分形维数间相关性不明显,主要受到土壤粒径组成及其所处深度等综合作用的影响。博湖包气带土壤质地由表层至深部逐渐变粗,盐分含量呈现出在0~80 cm深度的表层和125~200 cm的底部波动大,80~125 cm稳定的变化趋势,盐分离子主要聚集在约30 cm深度粉质黏壤土与粉质黏土层的交界处。土壤盐分运移大致可划分为交互作用段(0~80 cm)、平衡段(80~125 cm)和地下水扰动段(125~200 cm)3个部分,蒸发作用影响深度约80 cm。焉耆包气带土壤质地由表层至深部逐渐变细,随深度的增加,盐分含量和波动程度均逐渐减小,盐分离子主要聚集在0~10 cm表土层。盐分运移大致可划分为盐分离子上升段(0~120 cm)和平衡段(120~200 cm)两个部分,蒸发作用影响深度约为120 cm。上细下粗型的包气带土壤质地组成是抑制土壤盐渍化较为理想的分布模式,对于焉耆剖面类型可先采取灌溉压盐,然后进行约40 cm深度的翻耕,博湖剖面类型可直接采取50 cm左右深度的深耕,一定程度上能够抑制盐渍化的发生。

天津农田包气带氮循环微生物群落特征及分子生态网络分析

土壤包气带硝酸盐累积会造成地下水氮污染,对生态和人类健康产生不利影响.为探究土壤包气带硝酸盐削减与微生物群落的关系,以天津农田土壤包气带(0~3 m)为研究对象,通过测定土壤理化性质,借助16S rRNA高通量测序,分析微生物群落特征并构建土壤氮循环微生物分子生态网络.结果显示:天津农田土壤中奇古菌门(Thaumarchaeota)和变形菌门(Proteobacteria)微生物群落相对丰度最高,微生物群落组成与土壤pH值、铵盐含量、亚硝酸盐含量呈现显著相关性.氮循环分子生态网络中出现氨氧化古菌、氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌、硝酸盐异化还原为铵细菌以及NC10门细菌等.反硝化菌群是硝酸盐削减的主要驱动力,并与以氨氧化古菌、亚硝酸盐氧化菌、硝酸盐异化还原为铵细菌为代表的其他参与氮循环的微生物群落之间形成竞争为主的相互关系,使微生物群落保持稳定性.同时,群落之间的合作关系促进了氮循环转化,进而保证硝酸盐削减的可持续性.

银川平原永宁引黄灌区包气带硝态氮运移特征

为研究硝态氮在银川平原永宁引黄灌区的运移特征,在永宁县杨和镇观桥村种植园内选择一处剖面建立包气带原位监测点,选取7个土壤深度对其进行为期两年的监测,其中2019年为裸地,2020年种植玉米。经过研究发现:随着灌溉事件的发生,硝态氮随着土壤水向下运动并且发生累积和淋失,其中裸地在100 cm处发生明显累计,淋失量为127.8 kg/hm^(2);种植玉米期间在150 cm处发生明显累积,淋失量48.8 kg/hm^(2)。硝态氮的运移、累积和淋失明显受到灌溉、植物生长作用的影响。

冻结过程中硝酸盐在包气带中运移特征的试验研究

为了探究包气带中硝酸盐在冻结过程中的运移规律,采用KNO_(3)作为典型污染组分,通过室内模拟试验,对温度、未冻水含量、溶液浓度等重点参数进行分析。结果表明:在试验条件下,剖面上垂向的水分运移比较明显,随着冻结锋面的下移,锋面处液态水含量变小,毛细负压减小,毛细力增强,导致下部的水分向上部移动,冻结封面的影响范围在10 cm左右,而且越靠近冻结锋面未冻水含量越小;未冻水含量与溶液浓度有着明显的负相关关系,在冻结过程中,随着固态冰的增多,未冻水含量减少,溶液中的溶质会往液态水中迁移,所以未冻水含量在减少的同时,溶液的浓度却在不断增大;溶液初始浓度0.3 mg/L,因为冻结过程而发生溶质迁移后的浓度为0.35~0.5 mg/L。

典型引黄灌区包气带与地下水动态响应试验

【目的】开展银川平原引黄灌溉引起的包气带和地下水的动态响应试验,研究“灌溉水-包气带水-地下水”的转换过程和规律。【方法】以典型引黄灌区水田为研究对象,运用水文地质学、土壤水动力学等学科理论对原位试验观测资料数值分析,借助Origin、SPSS等统计分析软件进行数据处理,利用Hydrus-1D、Surfer等数值模拟软件进行拟合和插值分析。【结果】结果得出,灌溉过程中包气带各埋深层位的水分和负压变化呈显著相关性,相关系数达0.9以上;运用Hydrus-1D拟合田间土壤水分特征曲线,发现叠加各埋深层位可得到较连续的拟合曲线;在多次灌溉入渗试验中,第1次灌溉入渗引起的地下水动态响应最快,灌溉后响应时间为388.8 min;运用地下水灌溉响应法定量测算灌溉入渗能力,算得田间灌溉入渗系数均值为0.202;对地下水位动态进行插值分析,发现回灌逐步形成“水丘”中心,地下水流场也随之发生变化;通过地下水补给源项分析,引黄灌区内灌溉水对地下水的年灌溉补给贡献率达79%。【结论】通过原位田间试验,进一步厘清引黄灌区的包气带特性和地下水响应过程,发现引黄灌溉对灌区地下水的补给和流场特征有着决定性的作用,为提高引黄水量利用率和包气带-地下水资源评估、管理及调控提供一定科学支撑。

北京西南近郊包气带和渗流场对地下水中硝酸盐氮的影响

为了研究北京西南近郊地表污染物通过包气带后进入地下水中以及其受地下水流场的影响,利用Hydrus软件建立不同位置包气带数值模型,研究不同地层条件下初始浓度为30 mg·L^(-1)的高硝酸盐氮废水在包气带中的迁移规律,分析各模拟点位在50、100、200、300、400、500 d时硝酸盐氮浓度随地层深度变化特征,以及各模拟点包气带底部硝酸盐氮浓度随时间变化特征。分析结果显示:北京市西南近郊4个模拟点包气带对硝酸盐氮拦截率分别为5.93%、10.69%、15.87%、33.83%,表明研究区从西向东包气带对地下水的防护作用由弱变强,结合研究区多年硝酸盐氮超标范围、多点位硝酸盐氮浓度多年监测数据和第四系地下水水位及补给径流条件,可知地下水中硝酸盐氮迁移变化受地下水流场影响较大,根据研究区实际提出了预防该区域硝酸盐氮污染进一步加重的管理建议。

酚氰废水污染物在包气带中的迁移预测

以某地区焦化项目为研究对象,根据工程分析结果,利用HYDRUS-1D软件构建该项目酚氰废水处理站调节池渗漏液中典型的污染物耗氧量、氨氮、氰化物、石油类、挥发酚、苯并芘、硫化物在包气带中的运移模型,模拟预测各污染因子在包气带中的垂直迁移,计算出通过包气带到达地下水面的时间和浓度值,了解污染物在包气带中的运移规律。结果表明:污染物排放后会沿垂直方向开始依次下渗到达各观测点,且在各观测点浓度先升后降,随着深度的增加,浓度逐渐减小。在模拟时间(20 a)内,污染物各因子经由包气带到达下部灰岩地层时,其浓度均远低于背景值,大部分因子低于检出限。预测结果为下一步污染物在含水层中迁移模拟、确定包气带污染防治措施提供依据。

基于双环渗水试验对任丘地区包气带垂直渗透系数的研究

包气带的渗透性决定着水分在地表、土壤和地下之间的运输速度,是进行水资源评价的关键参数。为验证双环渗水法的效果,更好地研究包气带的渗透性。考虑不同的地貌单元和岩性的影响因素,开展3组双环法渗水试验进行分析研究。结果显示,双环渗水试验结果与现实贴近,并且其具备操作简单、价格低廉以及精度较高的特点。所得成果可为后续工作区研究水均衡、水库、坑地表水渗入量等基础数据提供参考。

黄土塬区包气带水分运移特征研究

在我国西北黄土高原的黄土塬、黄土台塬区赋存有较丰富的黄土潜水,大气降水垂直入渗是其主要补给来源,但对水分赋存和运移的空间通道认识尚有不足。文章基于董志塬、渭北黄土台塬的地貌、地层结构等水文地质条件、地下水利用动态和相关试验资料,结合黄土扫描电镜图像处理与统计分析,对黄土塬区黄土潜水和包气带水分运移的孔隙特征、过程进行了探讨并分带。研究认为孔隙是黄土地下水的主要赋存、运移的空间通道,其最小渗透等效孔径约为12μm。由孔隙发育的马兰黄土构成的黄土包气带垂向结构组合有利于大气降水的入渗,包气带孔隙中的水分运移非常微弱缓慢,但较为连续均匀。黄土包气带可划分为气候影响带、储存调节带、缓慢运移带和毛细接收带4个带,除上部气候影响带外,其余三带处于基本稳定的水分运移动平衡状态。研究成果可为全面系统地认识黄土塬区包气带水分运移特征提供参考和借鉴。

砀山县包气带水分运移特征浅析

通过对砀山县第四系地层、浅层含水岩组、包气带特征的野外调查及工作区包气带水分运移机理的研究,在降水及灌溉条件、地下水水位变动条件下、浅层地下水蒸发等三种情况下的包气带水分运移对比分析,得出工作区内包气带水分运移特征规律。

井塘结合入渗补给地下水的包气带水流模拟

为探究井塘结合模式在含水层补给管理中的应用潜力,利用HYDRUS软件构建了二维轴对称模型。通过对已有文献中实际场地有井无塘模式复现验证了本文建模过程的准确性,并进一步分析比较了不同塘半径下(5、15、25 m和35 m)井塘结合、有井无塘和有塘无井3种模式的补给效果,以及不同包气带质地(砂土、壤质砂土、砂质壤土和壤土)和井深(33、38、43 m)对井塘结合模式入渗和补给效果的影响。模拟结果表明:(1)复现值与文献值吻合较好,决定系数R 2均在0.98以上;(2)不同塘半径下井塘结合模式的补给效果均优于其他两种模式,但渗透塘半径为5 m时,井塘结合模式730 d的累计补给量分别为有井无塘和有塘无井模式的1.02倍和36倍,而当渗透塘半径增大到35 m时,井塘结合模式730 d的累计补给量则为有井无塘和有塘无井模式的2.6倍和1.54倍;(3)不同包气带质地下井塘结合模式累计入渗量随入渗时间呈线性增大的趋势,而累计补给量则分别在26.3 d、38.9 d、81.9 d和164.4 d时(湿润锋达到稳定状态)才随时间增加呈线性增大的趋势,随包气带渗透系数K s的增加,湿润锋首次到达补给区域的时间分别为0.75、1.38、3.63 d和8.63 d;(4)井深每增加5 m,井塘结合模式730 d的累计入渗量分别增加5.5%和5.9%,累计补给量分别增加9.5%和9.8%,湿润锋首次到达补给区域的时间则分别减少31.8%和25.6%。研究结果可为地下水人工补给调蓄工程的优化设计提供参考。

基于参数敏感性分析的轻质非水相液体在非均质包气带中迁移模拟研究

利用TOUGH2程序构建室内实验尺度多相流数值模型,基于扰动分析法,对模型中的介质孔隙度、绝对渗透率、残余水饱和度(S wr)、残余非水相(NAPL)饱和度(S nr)、进气值参数(α)进行敏感性分析,在此基础上设计中砂夹粗砂层和夹细砂层两种非均质条件情景,探究轻质非水相液体(LNAPL)以不同速率泄漏以及地下水位波动时的迁移过程。结果表明:(1)模型参数敏感度呈绝对渗透率>S nr>α>S wr>孔隙度的规律,S nr、α、S wr与LNAPL稳定饱和度呈正线性相关,绝对渗透率与其呈负线性相关。(2)主要由于介质间绝对渗透率的差异,中砂介质中的细砂夹层阻滞、粗砂夹层促进LNAPL迁移,泄漏速率的增大致使细砂夹层阻滞作用更为显著。(3)地下水位波动扩大LNAPL横、纵向污染范围,降低夹层内LNAPL饱和度,水位上升,细砂夹层下界面、粗砂夹层上界面阻滞LNAPL抬升,主要由于介质绝对渗透率的差异,两种非均质情景对地下水位波动的响应特征不同。

华北平原典型土地利用类型下包气带土壤水稳定同位素变化特征

基于华北平原典型土地利用类型(梨园、农田)包气带(>18m)土壤水同位素测定结果,分析了华北平原深层土壤水稳定同位素(δD、δ18O)特征,揭示了不同土地利用类型下包气带土壤水补给过程中蒸发和入渗的规律。结果表明,研究区大气降水线δD=6.07δ18O–5.76(R2=0.86),土壤水δD、δ18O值均落在大气降水线下方,表明降水入渗补给土壤水过程中经历了强烈的蒸发作用;除梨园Ⅰ,土壤水同位素值变异系数浅层>中层>深层,表明浅层土壤水δD、δ18O波动较大,主要由于其易受到降水和蒸发的影响,随土壤剖面深度的增加,蒸发和降水的影响逐渐变弱;梨园Ⅰ深层土壤水同位素变异系数较大,表明该样点深层土壤水受到地下水波动的影响;梨园浅层土壤水氘盈余(d-excess)较农田大,说明农田浅层土壤水蒸发强度大于梨园;0.25~0.5m深处土壤水均出现δD、δ18O的明显富集,主要受土壤质地分层影响导致土壤水入渗受阻,同位素较为富集的土壤水在此深度层积聚;而梨园2~5 m出现δD、δ18O的贫化现象,主要是梨树根系埋深使得降水以优先流形式补给至此土壤层。梨园和农田包气带土壤水δD、δ18O垂直剖面上差异显著,表明了华北平原不同土地利用方式的包气带土壤水入渗过程有明显差异,梨园包气带土壤水入渗过程主要以优先流补给影响。本研究为深入了解华北平原农田区厚包气带水分运动、氮素迁移转化与地下水水质之间的关系提供了理论依据。

典型铀矿区包气带砂质黏土在不同流速下的水动力弥散规律研究

铀化学性质活泼,兼具放射性和化学毒性,易发生活化、迁移与富集。铀矿退役后存在的污染物迁移扩散涉及范围广,各核素和其他重金属之间的相互关系复杂,长期影响环境质量和人体健康。水动力弥散是核素在土中迁移的重要形式,弥散度是污染物迁移模拟中最常用的参数。针对我国某典型铀矿区包气带砂质黏土,以3H溶液为示踪剂,进行不同流速下的土柱穿透试验,并运用对流-扩散方程拟合溶质穿透曲线得到弥散度,结果表明,随着流速增大,3H穿透曲线向左移动,且逐渐变陡,且土柱越早到达峰值浓度,峰值浓度也越高;水流速越慢,穿透曲线的后半段3H浓度下降越慢,穿透曲线的“拖尾”现象越严重;1倍、5倍、10倍最大年降雨量条件下,土柱的水动力弥散度DL分别为1.25、3.60、15.00 cm。

基于下垫面特征的包气带厚度估算及水文模拟

从新安江模型中的包气带厚度的物理意义出发,考虑土地覆盖因素、地形坡度因素、土壤质地结构因素以及气候条件等因素,分别采用了土地覆被相关法、地形指数回归法以及综合要素法对研究区域的包气带厚度进行了估算。据此计算模型参数流域自由水蓄水容量,并在金沙江下游横江流域进行模拟对比试验。相比之下,综合要素法能更为准确的计算出特定空间尺度下的包气带厚度,模型模拟效果更好,更适用于此区域的模型参数定量计算及水文模拟。

干旱区露天煤矿外排土场重构包气带上层滞水毛细作用机制

旱区露天矿外排土场土壤结构松散,且含大量块石,土壤孔隙大、渗透性强、保水性差,无法对植物根部进行有效的水分补给。为了提高植物对水分的吸收利用效率,提出重构外排土场土壤包气带,利用土壤毛细作用为植物根部进行水分补给。土壤压实度是影响土壤毛细作用的重要影响因素,为了研究土壤压实度对毛细作用影响规律,以外排土场土壤作为样本,测定最大干密度及最佳含水率,采用竖向毛细管试验,制定3组不同压实度试验方案,分别为90%、93%与96%,采用物理试验对不同压实度下土壤毛细水上升高度及速度进行监测,获得不同压实度下毛细水上升速率及速度变化趋势,依据非饱和土壤动力学,结合毛细试验原理,建立土壤毛细水上升模型,并结合多物理瞬态模拟原理,采用Comsol软件建立同物理模拟相同方案数值模型对物理模拟的毛细水上升高度及速度进行验证。结合3组不同压实度方案,进行了室内植物下部给水种植试验,探究了毛细水作用下利于植物生长的最优土壤压实度。研究结果表明:不同压实度下,土壤毛细水上升速率存在显著差异,压实度与毛细水上升速率成负相关;数值模拟与实测值具有较好的一致性,相同时间内,毛细水上升高度与压实度成反比关系;土壤压实度为93%时,植物长势及存活率均为最优。

采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律影响数值模拟研究

采煤塌陷裂缝,影响包气带水分运移规律,诱发矿区生态地质环境问题。当前研究集中于塌陷裂缝对包气带含水率影响,往往忽略塌陷裂缝对包气带水分运移方向及其速度的影响。为此,综合考虑裂缝宽度、裂缝密度和土壤质地类型,基于HYDRUS 2D建立采煤塌陷区包气带水分运移数值模型,研究采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律。结果表明:单一裂缝时,含水率差距与裂缝宽度呈正相关关系;土壤水分运移方向向裂缝处偏转,同一土壤深度越靠近裂缝的区域偏转角度越大,最大偏转角度和发生运移方向变化的区域大小随裂缝宽度变大而变大;裂缝边缘与远离裂缝区域的平均水分运移速度差值随裂缝宽度变大而变大;裂缝密度增高时,同一土壤深度含水率会随之降低,裂缝之间区域的最大偏转角度与发生偏转的区域变小;采煤塌陷裂缝影响下壤土的含水率高于风沙土、水分运移速度低于风沙土,但土壤质地类型不影响水分运移方向。