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。

地下水环境监测网建设现状与展望

地下水环境监测是地下水污染防治的重要环节,我国地下水环境监测网建设基础较为薄弱.对比欧美发达国家地下水监测网建设和运行模式,分析国家地下水监测工程、“十四五”国家地下水质量考核点位、国家级化工园区和北京市地下水环境监测网的建设情况,归纳出监测网在区域背景值点位布设,在线监测设备研发,以及监管平台建设、数据共享和应用服务等方面存在的问题.基于监测网建设现状,依托新兴技术在水质监测领域的应用,总结其发展趋势集中于在线监测设备换代升级、监测点位物联互通、多样数据解析可视、信息传输安全保真四个方面.最后结合我国监测井建设现状与管理模式提出以下发展建议:①整合现有点位,衔接国家地下水监测工程和“十四五”地下水考核点位,统筹构建国家级、省级地下水环境监测网络体系.②加快新一代水质在线监测设备研发,降低故障率,提高监测精度;探索基于地球物理探测、卫星遥感解译、无人机航测和埋设传感器等技术的新型监测方式.③国家级地下水环境监测网与地表水监测网、大气污染监测网、土壤监测网等进行多网融合.这为我国地下水环境监测网建设奠定了基础.

地下水超采管控体系及水量水位双控体系研究进展

以《地下水管理条例》中空间管控和目标管控思想为指导,分类梳理了地下水超采管控体系和水量水位双控体系的研究进展及现状。地下水超采管控体系研究与我国具体国情结合日益紧密,但目前相关管理制度与规范仍亟待完善;地下水超采管控体系明确了已发生超采区域的划分标准,但缺少统一且全面的地下水资源管控区划标准;地下水水量水位双控体系克服了由于水位或水量单方面控制、未考虑地下水水位与水量的内在联系、难以有效缓解由水位或水量变化而导致的生态环境问题的局限性;水量水位双控体系研究的难点在于通过监管点状分布的水位控制面状分布的开采量,建议通过管理特定时间的水位控制一定时段的地下水开采量,或通过管理面状开采量来对点状水位进行控制。

基于用高斯分布生成管道的岩溶地下水流数值模拟

为更精确地模拟岩溶区地下水运动,以贵州省黔西南普安县某岩溶水文地质单元为研究区,用基于有限单元法的FEFLOW软件建立研究区岩溶管道等效多孔介质耦合地下水流数值模拟模型。模拟中,在地质条件控制下应用高斯随机分布生成地下暗河的管道,用非稳定三维地下水运动的偏微分方程描述等效多孔介质水流运动,用Manning-Strickler方程描述管道水流运动,将导水断层处理为强渗透条块,将落水洞汇水范围的降水入渗系数设置为1,将泉水处理为定水头的抽水井。流场模拟结果显示,25个观测点计算水位与实测水位关系的决定系数可达到0.9985,纳西效率系数达0.9982,极接近于1;表明基于这些处理建立的地下水模拟模型反映了岩溶地下水运动特征,具有较强的仿真能力,可用于提高岩溶区地下水资源评价精度。

基于渗流-管流耦合的临江地下渗流管设计

临江地区汛期地下水位与江水水位差距较大,地下结构的兴建破坏了含水层自然渗流场,使地下水渗流不畅,影响海绵城市与韧性城市建设效果。为修复以深基坑为代表的不透水结构对地下水的阻碍影响,引入渗流-管流耦合模型方法和管流等效渗透系数概念建立了地下结构渗流有限元模型,并以地下水渗流总量为评价指标,探究地下渗流管不同设计参数对地下水渗流修复效果的影响。结果表明:地下渗流管的合理布设有利于恢复地下结构区域的地下水渗流总量,采用密集排布、合理管道长度和半径的地下渗流管使得地下结构对地下水单位时间的流量削减率由4.33%降低至2.42%,表明地下渗流管具有较好的恢复自然渗流的效果。

地下水污染风险评价研究现状与展望

【背景】全球经济社会的迅速发展加剧了地下水资源危机和水污染问题,地下水污染风险评价成为污染防治与修复的关键基础。【进展】系统总结了国内外相关研究,综述地下水污染风险评价理论的发展及其体系的建立。基于“源-路径-受体”的评价体系,归纳污染源荷载风险评价、地下水脆弱性评价和污染危害评价3个部分的不同研究方法。地下水污染风险评价已从最初的单一维度定性评估,发展为注重污染机理和后果的定量过程模型,并融合水文地球物理、地质随机方法和机器学习等现代技术,以增强模型可靠性。当前研究中的主要问题包括:污染源叠加效应解析不足、复合污染物在复杂含水系统中的动态迁移机制不清、受体风险评价不全面、模型不确定性较大等。不同污染物在多变地质环境下的迁移机制与过程研究,是亟需解决的关键科学问题。【展望】针对矿区多源污染、复杂地质条件及半人工化生态系统,对矿区地下水污染风险进行精细化过程评价,是矿山生态治理和修复的重要基础。未来研究应重点关注以下几个方面:多源数据融合的全周期污染水文地质监测、复杂含水系统中污染物在自然与人为影响下的迁移动态及风险响应、跨学科的风险评价与决策等。上述研究将有助于提高地下水污染风险识别与预测的精度,实现地下水科学管理,保障水资源的安全与可持续利用。

地下水库工程设计导则关键技术问题分析

为规范和指导地下水库设计,促进水利高质量发展,水利部启动了地下水库工程设计导则的制订工作,为地下水库工程领域内首部技术标准。文章介绍了标准制订的必要性,结合国内外地下水库技术研究成果,重点探讨了水文地质勘察、建库条件评价、工程规模及库容的确定,回补和开采方式,防渗、截污和防淤措施,以及监测内容等关键技术问题,并对标准提出了期望和建议。

地下连续墙作防渗结构新的思考与实践

一般地下连续墙具有挡土、防渗的作用,但是其结构存在着施工冷缝等不利因素。因此,亟需探索新的地下连续墙结构,补足地下连续墙结构上的不足。基于相关实践,对防渗膜地下连续墙、钢箱地下连续墙以及钢筋笼附膜地下连续墙3种工艺进行了介绍,并与一般地下连续墙进行了包括防渗能力、结构整体性、综合受力能力以及施工难易程度、施工成本等方面的对比。相关工艺可以为类似工程项目施工提供参考。

水工环对地下水位与地下水动态的影响研究

地表过程、人类生活和地质安全,深受地下水位和地下水动态之影响,人为干预水工环系统之作用也越发显著。本项研究以水工环为研究对象,采集场地调查以及地下水位监测数据,揭示水工环对地下水位和地下水动态所产生之影响。研究结果揭示,水工环对地下水位影响卓著,运行期间,地下水位呈现上升趋势,停止运行,地下水位随之下降。另一发现是水工环能对地下水动态产生深刻影响,导致地下水流动向其集中,形成地下水流动通路。该结论有助于理解以及管理地表水和地下水,为防止地下水的过度开采,为地下水资源的保护提供重要参照。

工程地质技术在地下水利用与保护中的可持续发展策略研究

本论文旨在探讨工程地质技术在地下水利用与保护中的可持续发展策略。地下水资源是人类生活和经济发展的重要组成部分,但由于不合理的开采和污染等因素,地下水面临着日益严重的问题。通过利用工程地质技术,可以有效评估和规划地下水资源的开发与管理,并采取相应的保护措施。本文首先介绍了地下水资源的重要性和现状,并阐述了可持续发展的概念和原则。随后,详细讨论了工程地质调查技术在地下水利用与保护中的应用,包括地下水勘探和地下水保护方面。然后,提出了基于工程地质技术的可持续地下水利用策略,包括地质评价、地下水开采与管理等方面的技术指导。此外,还探讨了工程地质技术在地下水保护中的可持续策略,如地质环境评估、防渗控制和地下水保护工程等。同时,对地下水可持续发展的管理和政策措施进行了分析,包括国际经验、管理政策与法规等方面的内容。最后,本文总结了主要观点和结果,并提出了未来研究和实践的建议。同时强调了地下水利用与保护的可持续发展对人类社会的重要性,并指出了该领域所面临的挑战和机遇。通过本研究,我们可以更好地理解工程地质技术在地下水利用与保护中的作用,并为地下水可持续发展提供有效的管理策略和决策支持。

地下水生态系统健康评价研究进展

地下水生态系统为人类提供众多宝贵的服务,如水资源供给、水质净化、洪涝灾害调节等,其健康对于人类福祉至关重要。开展地下水生态系统健康评价不仅对揭示系统的内在机制具有重要意义,且能为地下水资源保护与修复提供理论依据。本文介绍了地下水生态系统的组成、功能以及所面临的威胁,梳理了地下水生态系统健康评价的发展历程、方法、指标与流程框架。通过对比分析现有的研究成果,总结了评价理论和方法中存在的科学问题,并对未来评价方法的发展趋势进行了展望。结果表明:①当前地下水生态系统健康评价方法主要有多指标综合评价法、生物指示法、证据权重法,其中多指标综合评价法最有助于全面地了解地下水生态系统健康状况。②当前研究中评价指标的选取缺少固定的标准,存在一定的主观性,限制了不同评价之间的可比性。③以往研究中所选取的指标可以分为理化指标、生态指标、社会指标3个方面,未来研究可以制定固定标准从上述三方面对地下水生态系统健康进行评价。建议在未来的工作中增加地下水基础数据的采集频次和覆盖范围,并积极进行学科交叉,引入机器学习、大语言模型等技术,降低地下水生态系统健康评价中的主观性,实现评价的准确化、客观化、智能化。

利用ArcGIS研究密怀顺回补区地下水位时空变化

密怀顺地区是北京市重要的水源涵养区,直接影响着主城区的供水安全。2014年南水北调盈余水量通过潮白河河道回补地下水,地下水位持续抬升,地下水升幅带不断变厚,包气带厚度变薄。基于ArcGIS软件,通过对区域地下水位2014—2022年进行研究,结果表明:研究区地下水位持续快速升高,升幅为26.38 m,其中密云区升幅19.01 m,怀柔区升幅28.26 m,顺义区升幅31.67 m;地下水位低升幅带面积为144.47 km^(2),占研究区面积的29.67%,地下水位中升幅带面积约为128.85 km^(2),占研究区面积的26.47%,地下水位高升幅带面积约为213.52 km^(2),占研究区面积的43.86%;研究区包气带厚度由43.07 m减小至16.69 m,减少了26.38 m,其中密云区由43.42 m减小至24.41 m,减少了19.01 m,怀柔区由39.38 m减小至11.13 m,减少了28.26 m,顺义区由45.83 m减小至14.11 m,减少了31.72 m。结果基本反映了该地区地下水时空变化特征,分区结果可进一步支撑地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精细化管理。

海南岛地下水资源状况及其环境地质问题

【研究目的】海南既是中国最大的经济特区,又是“一带一路”倡议中的重要支点,揭示海南岛地下水资源禀赋,探究地下水资源分布特征及存在的环境地质问题,可以为海南生态保护和高质量发展提供重要支撑。【研究方法】本文以海南岛为研究区,划分评价单元,分析地下水流场特征,评价地下水资源量及水质情况,探究地下水开发利用状况,查明主要环境地质问题。【研究结果】海南岛多年平均地下水资源量约为132.05×10^(8)m^(3)/a,在行政区中,海口市的地下水资源量最大,多年均值为11.33×10^(8)m^(3)/a,昌江县的最小,多年均值为0.07×10^(8)m^(3)/a。海南岛地下水水质整体较差,水质较差区分布在滨海平原区和山前地带,超标因子主要为pH、Al、Mn。岛内存在一系列的环境地质问题,包括琼北盆地的区域性水位下降问题、三亚市海棠湾和榆林湾、东方市板桥镇等地区的海水入侵和土壤盐渍化问题、东方市、昌江县和乐东县等地区的土地沙漠化问题、矿山开采产生的地质环境问题。【结论】海南岛地下水资源量较为丰富,分布差异大,地下水水质较差,环境地质问题突出,应进一步加强水文地质与水资源调查监测工作,加快构建水资源节约集约利用新格局,推进地下水生态环境保护。

地下水型饮用水水源补给区划分——以辽宁省沈阳市北部某地区饮用水水源为例

选择辽宁省沈阳市北部某地区集中式地下水型饮用水水源作为研究区,收集其地形地貌、水源所属地下水含水系统的地质和水文地质概况等相关信息进行分析。选择公式法,根据含水层岩性,采取经验值参数,以水源开采井保护区外为基准,以15 a(5475 d)为地下水质点迁移时间,计算得出补给区面积为40.18 km^(2)。鉴于补给区边界部分横跨村庄,在补给区定界过程中,将横跨村庄纳入补给区范围内,切实加强补给区安全防护。并从补给区环境管理方面提出对策和建议。

黄河下游典型悬河段地表水-地下水对湿地形成条件影响

对比分析黄河下游径流及河道变迁特征、不同时期地下水流场特征,结合遥感解译手段解析地下水和地表水对沿黄湿地条件的影响,为该区湿地生态修复提供理论依据。结果表明:(1)黄河下游典型悬河段人工湿地面积增幅较多,自然湿地仍呈萎缩趋势,滩涂湿地破碎度上升,生态环境稳定性较差。(2)地表水流量和水位整体呈现逐年降低的趋势,且河道的游荡摆动依然明显,直接影响了河流滩涂湿地面积及其稳定性。(3)研究区浅层地下水位十余年最大下降5 m、二十余年最大下降9 m。浅层地下水的持续下降导致北岸堤外湿地面积减少;南岸堤外因引黄水和退水侧渗形成新的背河洼地,湿地面积呈增长趋势,生态环境稳定性相对较好。地表水和地下水连通性较好,较低的地下水位将会削弱河道径流的作用,对沿黄湿地整体发展不利。(4)减少地下水的开采,确保引黄水量充足,对黄河大堤外背河洼地部位湿地的发展有利。

长江流域地下水利用现状及超采区治理对策

长江流域地下水开发利用程度较低,但地下水资源在维持河湖生态健康、应对突发水安全挑战、农业生产等方面具有不可替代的作用。以2011—2020年长江流域地下水开采量、地下水水位数据为基础,分析了长江流域地下水开发利用现状及变化趋势、地下水水位变化趋势、地下水超采现状等问题。结果表明:长江流域地下水开采以浅层地下水为主,地下水开采量呈缓慢下降趋势;除局部几个区域以外,长江流域地下水水位呈基本稳定或上升趋势;2011—2020年长江流域地下水超采区域主要集中在河南省南阳市,地下水超采区域水位呈下降趋势,急需建设替代水源工程补充灌溉用水缺口。

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。

基于GRACE/GRACE-FO数据降尺度方法反演库尔勒东区地下水储量变化

GRACE与GRACE-FO重力卫星为全球中大尺度地下水反演监测提供了新的手段,但难以提供小尺度上较高空间分辨率的地下水储量变化(GWSA)信息。本文针对新疆库尔勒东部缺资料区,采用动力降尺度方法提高GRACE/GRACE-FO反演GWSA数据的空间分辨率,分析GWSA的时空分布规律。首先,基于数据融合方法构建了库尔勒东区GWSA数值模型;然后,利用优化后的模型将GWSA反演数据的分辨率从1°降尺度至0.25°和0.05°,将反演的GWSA与水井监测的地下水位(GWL)数据进行对比验证;最后,利用0.05°GWSA数据分析研究区GWSA态势。结果表明:①与降尺度前1°GWSA数据相比,降尺度转换后的高分辨率GWSA数据在空间上更加平滑、展示了更加丰富的细节,且提高了与水井GWL监测数据的相关性,改进了反演精度和可靠性;②小尺度上,降尺度后的GWSA数据能够反映水源地地下水的季节性、年际和长期开采下的亏损等动态特征;③研究区GWSA呈现出时空分布差异性,2005—2020年区内地下水储量变化率为-1~1 mm·a-1,总体上呈南增、北减态势,南、北部山区的变幅大于中部相对平坦区域。

浑河流域沈阳-抚顺段地下水年龄及循环特征

利用3H法对浑河流域沈阳-抚顺段浅层地下水年龄进行了计算.通过对地下水年龄分区,进而分析其循环特征,为该地区地下水资源合理开发利用和城市资源环境承载力研究提供科学依据.结果表明:总体上,浑河流域沈阳-抚顺段地下水主要为近60 a以来补给的现代水,并且从东部山区至西部平原地区沿着地下水流向年龄逐渐增大.年龄为小于30 a、30~60 a、大于60 a的地下水分布面积占研究区总面积的比例分别为34%、31%、35%.流域上游为丘陵山区,含水层结构单一,颗粒较粗,地下水年龄小于30 a,地下水循环交替强烈.流域中游含水层逐渐增厚,地下水循环交替强度逐渐减弱,地下水年龄增大为30~60 a.流域下游含水层逐渐由单层转变为双层和多层,颗粒较细,地下水循环交替缓慢,地下水年龄也增大为大于60 a.

面向地下水资源可持续开发利用的地下水适宜埋深研究进展

地下水资源可持续开发利用,实质就是在保障地下水良性生态环境功能前提下充分满足人类社会用水需求,其重点与难点在于确定地下水适宜的埋藏深度(简称“适宜埋深”)约束.本文从区域尺度到微观视角,梳理并总结地下水埋深变化对地表生态环境的影响,明确了地下水埋深对发挥地下水生态环境效应的主要作用.当前确定地下水适宜埋深主要考虑的影响因素包括地表植被生长、农作物生长与产量、土壤盐渍化、地面沉降与海水入侵等方面,野外实地调查、遥感反演以及稳定同位素组成分析等是普遍采用的技术手段.对地下水生态环境功能的研究主要集中在干旱地区,而非干旱区的相关研究进展缓慢.本文提出了面向地下水资源可持续开发利用的地下水适宜埋深确定方法,即以研究区自然地理和水文地质条件以及存在的主要生态环境问题为基础,构建区域尺度上的适宜地下水埋深控制指标集合,结合地区生态环境保护目标,通过指标取舍与叠加计算综合确定地下水适宜埋深的区间及阈值.目前对地下水适宜埋深空间分布规律的研究较多,但其时间分布规律研究较为薄弱,是将来研究的重要方向之一.