郑州地下水均衡试验场的改建工程——总体思路与应用展望

郑州地下水均衡试验场的改建,是由中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省地质环境监测院具体负责实施。文章详细论述了改建工程的总体思路、各实施环节的具体做法、运行及其应用前景。在改建时充分考虑到试验介质对河南省的代表性;试验柱要有较好的力学、热学性能;数据采集要全面自动化;监测面适当拓宽等。在总体思路下,设计了由玻璃钢材质构建的试验筒,选取河南省5个典型地貌单元采集的试验介质,构成了模拟包气带多层地质结构的1,2,3,5,7 m试验柱共计25个。围绕试验柱设计了能模拟控制水位埋深的自动补水仪25台,以及为了探测试验柱内水分运移信息设置了负压传感器140只、水分传感器(含温度) 140只。数据采集采用了逐级集成的方法,大大简化了线路布设,据此设计了一台数据采集箱,可及时获得实验过程的环境信息。在试验场设置了能测定空气温度、空气湿度、气压、风向、风速、降水量、蒸发量的小型(主杆3 m)气象站一座;在试验场设置了太阳全辐射、太阳净辐射与太阳直射的观测仪各一台。试验场还设置了0. 3 m^2和1 m^2口径的蒸发量(含降水量)对比观测设施一处。要真正解决试验成果的实际应用问题,应注意开展野外包气带参数的研究。

郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验场监测资料的推广应用核心问题

郑州地下水均衡试验场的改建,是中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省地质环境监测院具体负责实施。针对场地尺度均衡试验资料推广至野外生产实践核心问题,采用确定型模型(水分运移方程)和随机模型(区域性包气带参数)相结合的研究方法。拟选黄河南冲洪积区24 km^2作为野外试验场地,通过场地上有限数量的采样,标定该场地包气带参数变异性特征,并借助于区域气象资料,结合地下水均衡试验场所建土壤水分运移数学模型成果,计算区域降雨入渗补给量与潜水蒸发,为地下水资源评价、地质环境评价及地下水资源可持续开发利用提供科学依据。同时也为大范围土壤面状污染评价工作奠定基础。

郑州地下水均衡试验场的改建工程——主要测试设施与数据自动化采集

郑州地下水均衡试验场的改建,是由中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省环境地质监测院具体负责实施。科学技术的发展,为试验场观测数据采集的自动化奠定了良好基础。试验场数据采集需要自动化的有:3m高主杆气象站测试系统;太阳全辐射、太阳净辐射、太阳直射观测仪,E—601蒸发仪,5TM含水率、温度传感器,自动补水仪,负压测量仪。除后两项外,其他需要数据采集仪器已经市场化。后两项是作者的发明与实用专利。自动补水仪是用来模拟地下水位埋深的设备,它是以传统的马里奥特瓶补水原理为基础,采用控制电路使其可以自动补给因蒸发而消耗的水量,同时还可以记录降水的历时过程。负压测量是利用空气运动黏度约大于水运动黏度的15倍这一特性,即当水刚通过多孔瓷头时,气体不能通过多孔瓷头,据此设计了在包气带中能测定负压的传感器。数据采集则应用了惠斯登电桥平衡的补偿原理。由于控制、供电、采集数据的电缆过多,因此数据自动化采集系统应用了三级采集、逐级集成的方案。

准饱和多孔介质中地下水驱替速率、圈闭气体饱和度和准饱和渗透系数的关系

圈闭有不连续、非流动和非混溶气体的含水层,被称为准饱和含水层。圈闭气体的存在会降低含水层的渗透性能,但准饱和渗透系数、圈闭气体饱和度和驱替速率之间的关系还没有完全被理解。本文通过室内砂性介质的驱替试验开展了圈闭气体饱和度、准饱和渗透系数和驱替速率三者相互关系的研究。研究表明,虽然总体上圈闭气体饱和度随驱替速率的增大而减小,但是在高驱替速率和低驱替速率分别出现了圈闭气体饱和度不随驱替速率变化的等值区间,该“台阶”型曲线可以采用与van Genuchten曲线类似的数学模型来表征,而砂性介质的准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间呈简单的线性负相关关系。这两个经验模型说明可以用驱替速率定量估算准饱和渗透系数,该关系为利用驱替速率估算准饱和渗透系数提供了理论依据。上述准饱和水力学性质为深入理解准饱和地下水水流提供了依据。另外,驱替速率与圈闭气体饱和度的关系还表明,实验室测量完全饱和渗透系数时,应以大于初始毛细上升速率的速率进行饱和,以避免介质中的空气被水圈闭。

毛乌素湖盆滩地湖水与地下水交互作用分析

湖水与地下水交互作用对于水资源合理开发与利用有着重要意义。基于温度示踪的原理,采用解析法、数值法2种方法,分析了湖床底部埋深0~0.4 m湖水与浅层地下水交互关系,并与水动力学方法进行了对比。结果表明,2018年5月20日至28日,湖水与地下水之间的垂向渗流速度为2×10^(-7)~1×10^(-6) m/s,且在埋深0.4 m时大于埋深0.2 m处。降水会对解析法的结果造成一定影响,0.4 m处受到降雨影响表现为一定的滞后性。无降雨干扰情况下,数值法与水动力学方法估算结果较为吻合,且3种方法的计算结果处于同一数量级。同时,湖床沉积物体积热容和孔隙度2种参数对计算结果影响较大。在半干旱地区湖水与地下水交互研究中,数据较完备时,数值模拟法是更好的选择。

郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验介质的选择与试验土柱建造

郑州地下水均衡试验场的改建,是中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一。在均衡试验场的改建中试验土柱构建是一个核心问题,涉及到两个方面:试验介质的选择与试验筒装填。据河南省地质地貌特征,分为五地貌单元:黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、南阳盆地、豫西黄土丘陵。结合野外调查,概化出了五个地貌单元的岩性与不同岩层的叠置关系,并通过典型地段勘查对岩性及结构的代表性进行论证,以此确定五分区各类岩性的采样地点,为试验土柱构建奠定了地质基础。试验筒的总长达90 m,按设计要求将试验土样装入试验筒。制定小柱体模拟沉降试验,求得按设计要求装填土样之沉降系数,作为试验土样装填试验筒厚度的计算依据。试验土柱装填完成后,对其进行沉降观测,确认沉降趋稳且不影响试验土柱传感器安装时,试验柱才算构建完成。郑州地下水均衡试验场改建共建造25个试验柱,试验柱的高度分别包含1 m、2 m、3 m、5 m、7 m等五个不同高度,每个高度又包含黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、豫西黄土丘陵、南阳盆地等五个区域包气带。

消除气压效应估算黄土潜水的蒸发蒸腾强度

潜水蒸发蒸腾(ETg)是干旱半干旱地区浅埋深地下水最主要的排泄方式,也是地下水系统中重要的均衡项。如果存在气压效应,用于估算地下水蒸发蒸腾强度的传统水位波动法则不适用。以黄土潜水为例,提出了一种基于水位变化和大气压变化规律的水位图方法,用于消除气压效应以获取潜水蒸发蒸腾强度。研究表明,大气压变化通常在午夜前,一般为22:00—24:00,会出现一个峰值,该时间段气压效应可以忽略,而且潜水蒸发蒸腾强度最小,此时潜水位的变化速率相当于净补给速率;在获取潜水净补给强度后,选择第二个时间段,0:00—4:00,此时潜水蒸发蒸腾强度最小,且气压一般处于连续下降阶段,可以用来估算气压效应系数。在此基础上,可利用水位均衡和水位波动法方便地估算潜水蒸发蒸腾强度。该方法数据获取容易,估算结果也较为准确。

矿区植物重金属污染的高光谱特性及其反演模型

植物体内重金属的大量聚集将造成植被叶面反射光谱在特定波段内的特征性变化。以陕西潼关矿区葎草、玉米、苦菜、梧桐典型植被为研究对象,利用ASD Field Spec 4光谱仪采集植物光谱曲线,采用导数光谱、连续统去除法等信息提取方法,分析植物红边位置、红边斜率、植被指数等光谱特征参数与植物样本重金属相关性。选择蓝谷、红边位置等相关性较高的敏感波段,构建矿区两种葎草和梧桐的镉（Cd）、铅（Pb）质量比与其光谱参数定量反演模型。结果表明,葎草、梧桐的Cd、Pb与一阶微分光谱特征相关程度更好,多数符合二次多项式函数关系,然而葎草的Cd符合反函数关系,均方根误差在0.03~0.07。室内试验验证两种植物叶绿素含量与Cd含量负相关,在Pb低浓度时植物的叶绿素含量减少得不明显,随Pb浓度升高,叶绿素含量降低明显。因而植物高光谱特征间接反映植物重金属的含量。

2000～2014年海流兔河流域植被覆盖度变化及其驱动因素分析

基于MODIS NDVI数据,利用线性回归法分析植被覆盖度的时空变化趋势.研究海流兔河流域2000～2014年间植被覆盖度的变化规律,确定其变化的影响因素.结果表明,研究区96.9％的区域面积NDVI处于不断上升的趋势,区域年平均NDVI增量达到0.0065.通过转移矩阵法研究出该区3个时段4种不同等级植被覆盖度的变化趋势,各等级植被覆盖度均有不同程度的增加.NDVI值＜0.40的区域面积的百分比由88.0％降低到75.8％,尤其是＜0.20的区域变化最为明显,由最初占区域总面积的20.8％下降到3.5％.研究区15年来植被覆盖度不断增加,植被生态呈现良性发展趋势,导致这种变化的主要影响因素是人类活动.

重塑非饱和黄土中水-气两相运移规律研究

黄土区水分入渗的实质是水、气两相运移共同作用。长时间强降水影响下,水分入渗更易在远离边坡的土层底部形成封闭条件,而在靠近边坡区域形成开放条件。为深入剖析黄土中水-气运移规律,分别在封闭和开放条件下进行了重塑土柱试验,并统计分析了土柱内实测的含水率和气压数据。结果表明:在开放和封闭条件下,湿润锋运移速度初始时最大;体积含水率均为先增大后减小,封闭条件下含水率减小后趋于稳定,而开放条件下含水率仍存在小幅波动;开放条件下气压差先增大后减小,最后在0附近振荡,而封闭条件下浅层气压差波动上升,深层气压差振荡后减小趋于稳定。因此,在滑坡治理过程中应同时考虑水、气两相共同的影响,制定更为全面、高效的防治措施。

重金属污染土壤修复中钝化材料的应用研究进展

由于土壤重金属污染对植物、动物和人类健康的直接和潜在毒害,以及它的不可降解性,使得重金属污染土壤的修复受到了越来越多的关注。化学钝化修复技术作为一种重要的重金属污染土壤修复手段,是通过向土壤中添加化学材料,经过吸附、沉淀、络合、离子交换等一系列化学反应过程,降低土壤中重金属的环境风险,因其具有原位性、经济性、操作的便捷性等特点而越来越多地被应用到重金属污染土壤修复的实践中。该文通过对近年来应用于重金属污染土壤修复中的钝化材料进行分类概述,总结了各类钝化材料钝化重金属的效果、机理和应用情况,为重金属污染土壤修复提供理论依据。

矿区高光谱数据与植物叶绿素含量相关性研究

以陕西省潼关县金矿区为研究背景,选取葎草、玉米、苦菜、梧桐4种植物为研究对象,使用ASD光谱仪进行野外实地测量,获得4种植物叶片的光谱反射率,室内利用紫外可见分光光度计进行叶绿素含量的测定。通过植物原始光谱、导数光谱、连续统去除法、倒数对数光谱(Log1/R)4种方法比对获得光谱参数与叶绿素含量相关性,建立植物光谱参数与叶绿素含量的回归方程。结果表明:光谱参数与叶绿素含量存在较显著相关性,葎草、玉米相关性顺序为Log1/R>原始光谱>一阶微分>连续统去除(BD>NBDI>BNA),苦菜相关性顺序为原始光谱>一阶导数>BD>NBDI>Log1/R>BNA,梧桐为BD>NBDI>一阶导数>BNA>Log1/R>原始光谱;拟合模型以线性、指数、S形曲线模型最优。

毛乌素湖盆滩地土壤温度对寸草苔生长的影响

土壤水热状况影响植物的生长发育、分布以及群落稳定性.选择毛乌素湖盆滩地优势植物寸草苔(Carex duriuscula)进行温控实验,设置对照、升温Ⅰ、升温Ⅱ、降温处理4种土壤温度控温条件,定期测定寸草苔株高、穗数、叶绿素、丙二醛、可溶性糖.结果表明:(1)寸草苔生长指标中,株高与8月之前的土壤温度呈正相关,与8月之后的土壤温度呈负相关;(2)寸草苔生理指标中,丙二醛、可溶性糖在8月底到9月初与土壤温度呈正相关,9月中旬至10月份呈负相关;土壤升温或降温都不利于叶绿素合成.丙二醛、可溶性糖可作为寸草苔植物生长受土壤温度影响的指示参数;(3)构建以土壤温度为自变量、植物生长参数或植物生理参数为因变量的回归模型;土壤温度与穗数的指数模型因其拟合度高,可以预测土壤温度对寸草苔生长的影响.

甘肃黑方台黄土水分运移规律模拟

以室外试验为基础,应用饱和-非饱和土壤水分运移理论,利用Hydrus软件对甘肃黑方台包气带水分运移规律进行数值模拟,分析土壤剖面不同深度处含水量变化规律,将模拟结果与实测结果进行对比分析,并将拟合参数应用到两种不同的介质中。结果表明：（1）土壤含水率呈峰谷波动变化;（2）均质黄土层和上覆5 cm厚的粉质壤土的黄土层中,土壤水分入渗率和潜水蒸发率均随潜水埋深的增加而减少,在潜水埋深300 cm以下时,两种介质的土壤水分入渗率趋于同一值,含粉质壤土的潜水蒸发率小于均质黄土的潜水蒸发率。表明该含水量的变化具有时空特征,土壤水分入渗率、潜水蒸发率随着潜水埋深变化,其规律整体相似,这对研究滑坡水分分布具有重要意义。