基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例

高寒地区是世界众多大型河流的源区,了解区内河水与地下水的相互作用对流域水资源科学管理具有重要意义。因广泛发育多年冻土,高寒地区河床底部局部融区的形成和动态变化控制着河水与地下水的转换,导致两者间水力关系的复杂性和特殊性。受观测条件限制,目前高寒地区河水与地下水相互作用的研究极少,少量已有研究也多采用同位素和水化学示踪方法,成本高且精度低。采用观测成本更低但精度与密度更高的温度信号作为示踪剂,以量化河水和地下水之间的交换;利用垂向一维瞬态热运移解析模型,定量计算不同深度处河水与地下水的交换流速;利用分布式测温光纤系统的观测结果,分析河水与地下水相互作用的时空动态变化特征。研究结果表明:高寒地区河水与地下水的交换存在强烈的时空差异,季节与气候的转换对河水与地下水的交换量起着控制作用,甚至能够改变河水与地下水的交换方向,河水与地下水的交换量随着冻土活动层加深而增加。温度示踪方法适用于高寒冻土区河水与地下水相互作用研究,2种温度示踪方法的联合使用可有效提高研究精度与准确性,为缺乏基础水文地质数据的高寒地区提供一种可行的研究思路。

新疆罗布泊地区凝结水试验

采用称重法,在高含盐量的罗布泊北部凹地首次进行了凝结水的野外监测,根据监测数据分析了罗布泊地区凝结水的生成规律。研究结果表明罗布泊存在凝结水;2005年7月、10月、12月3次监测时期里日均凝结水量分别为0.293,0.127,0.275mm;凝结水来源于空气中的水气和深部土壤水分;发生的时间基本在晚上22∶00至次日凌晨8∶00;影响凝结水产生的主要因素为近地面大气温度与地表土壤温度差、空气相对湿度、冻结期等,土壤的高含盐量也有利于凝结水的生成。

太原市地层空间异质性对地面沉降分布的影响

对比1956～2000年太原市地下水位与地面沉降资料发现,该区地面沉降漏斗与地下水位降落漏斗的空间分布基本相近,但不完全吻合,局部地区存在偏移。通过对黏性土层累计厚度分布、黏性土层与粗颗粒土层的组合特征、不同分区各深度处土的力学特征值与上述偏移的对比分析,认为太原市地层的空间异质性对地面沉降分布有如下影响:(1)与地下水位降落漏斗相比,地面沉降漏斗偏向于黏性土层较厚的一侧;(2)地层组合(黏性土的夹层数、单层厚度等)对地面沉降的空间分布影响较大,沉降多发生在黏性土夹层多、单层厚度较小的地区;(3)土的力学性质的差异是影响沉降分布的重要因素。

中国西北地区内陆河流域面向生态环境的水资源开发模式研究

天然条件下的长期干旱化趋势使中国西北地区内陆河流域生态环境十分脆弱 ;水资源的无序利用则导致其生态环境进一步恶化。合理的水资源开发模式要以水资源与生态环境的耦合研究为基础 ,将水资源开发作为水资源系统的输入 ,其输出作为生态地质环境系统的输入 ,分析其响应 ,即生态环境的变化 ,对水资源开发方案的生态环境效应进行预测评价。水资源系统的滞后与延迟效应、地表植被的习性及水因子的涨落特点是研究中的关键问题。

雾水的D和^(18)O同位素研究进展

凝结水的D、18O同位素研究目前主要集中在雾水方面,露水和土壤吸附水的相关研究仍属空白。由于形成时的温度较高,大多数雾水的D1、8O同位素较当地雨水富集,但不同类型雾的同位素特征存在差异。平流式海洋雾为单级的蒸发—冷凝封闭循环系统的首次凝结,D1、8O同位素较当地雨水显著富集;热带云雾林中的地形雾与降雨同时发生,且水分源于同一云团,δD、δ18O值差异较小;内陆辐射雾因部分水汽源于当地水分的再循环,过量氘和δD、1δ8O值高于降雨。目前有少量研究用D1、8O同位素指示雾水对植被、地下水和地表径流的补给作用,但以定性分析为主,基于端元混合模型的定量评价极少。露水和土壤吸附水的稳定同位素研究是干旱区凝结水研究的重要方向;D、18O同位素与其它同位素或化学指标的结合有助于促进凝结水生态水文效应的研究进展;短间隔、高密度的长期观测和用于稳定同位素分析的凝结水采样器的设计是需要进一步开展的工作。

作物根活性格局及其在农田科学管理中的应用

综述了根活性格局的概念、测定方法及其在农田科学管理中的应用,并对相关研究进行了展望。根的活性格局是根的功能学指标,反映根系各个部位对其总体吸收能力的贡献大小,它与活性根的格局在本质上存在着区别,与根的形态格局常具有不一致性。在根活性格局测定方法中,32P土壤注入法应用最为广泛,土壤水分消耗法主要限于干旱半干旱地区。根活性格局在农田科学管理中的应用主要表现在:在土壤-植物水分运移模拟中,根活性格局对根系吸水能力的描述更为真实;通过调查作物根活性的高值区和高峰期,可确定施肥的最佳位置和时间;利用不同作物根活性时空分布特点指导物种和种植方式的选择,可实现作物在资源利用上的互补性,发挥某些作物的安全网和营养泵功能。进行作物根活性格局的不同同位素示踪研究、建立各种常见作物物种的根活性格局数据库等工作还需进一步加强。

黑河下游额济纳盆地景观空间格局动态变化分析

基于1977、1993、2001和2005年4期Landsat遥感影像资料,选用面积、斑块数量、斑块平均大小、斑块面积标准差和面积加权平均斑块形状指数,对额济纳盆地景观空间格局的动态变化进行了分析。结果表明:乔木林面积持续减少,表现为绿洲外部及边缘的小斑块大量消失;灌木林在早期以斑块的萎缩和破碎化为主,随后因建群种演替为旱生生态型而趋于稳定,2001年后部分小斑块消失;草地在1977～1993年以小斑块的消失为主,1993～2001年以斑块的破碎化为主,2001年后斑块的团聚性增强,草地扩张;戈壁在1977～2001年斑块的破碎化程度增大,2001年后受草地恢复和巴丹吉林沙漠入侵的影响,总面积和斑块数量减少;沙地在研究期间持续扩张,1977～1993年表现为向植被的分散入侵,1993～2001年斑块的扩张和新小斑块的形成同步进行,2001年后以斑块的扩展和相互连通为主,团聚性增强。黑河输水量的变化是研究区景观空间格局动态变化的主要驱动力,在生态输水工程实施后,生态环境的恶化趋势得到了一定的扼制,但仍需采取措施提高输水的生态效果。

“以学生为中心”的生态水文学教学策略探讨

生态水文学是水文学与水资源专业的一门重要专业课程。由于该课程具有较强的实践和应用色彩,单独应用传统的"以教师为中心"的教学方法难以实现其教学目标。本文对"以学生为中心"的教学方法在该课程中的应用进行了分析,着重探讨了案例研究和问题导向学习两类教学策略的应用,从而为提高生态水文学教学质量,培养学生的发现问题—分析问题—解决问题、管理和决策、团队合作、交流沟通、批判性思考等能力提供指导。

地质环境问题的地质指标体系框架及其构建方法

面对复杂、多变、脆弱的地质环境和不断加剧的人类工程经济活动,急需建立面向多种地质环境问题的地质指标体系。针对中国地质环境工作现状,借鉴国际地质指标工作组最新的成果和经验,对地质指标的定义、内涵进行了修订和拓展,创建了包括调查指标体系(影响指标、状态指标、后果指标)和监测指标体系(压力指标、状态指标、响应指标)的地质指标体系框架,并建立了从面向单一地质环境问题的地质指标体系的构建思路、实际范例,到面向一个国家或地区的地质指标体系的构建步骤,为地质指标的创建、完善和应用指明了方向。

植物地境及物种地境稳定层

植物地境是其生境的重要组成部分 .地境结构的系统分析应作为探索植物与其地境生态关系的重要手段之一 .植物地境具有鲜明的耗散结构特征 ,内部的宏观稳定性和层次性是适应外界环境的自组织结果 ,并与植物根群的“层片”结构相契合 .每一“层片”代表一个特定的地下小环境 .若地境具有多个“层片” ,说明该地境拥有可被多种植物利用的多样小环境 .根群作为根系的主功能区 ,是联系植物与地境的纽带 .与植物的根系相比 ,根群的“层片”现象更清晰 .通过根群的“层片” ,不同植物实现资源分割 ,避免过激竞争 ,能够长期共存 .基于地境耗散结构特征分析和各物种根群所处深度范围的统计结果 ,首次建立了物种地境稳定层的概念 .某一物种根群所处的位置即为该物种的地境稳定层 .物种地境稳定层可作为地境生态功能分层的基本单位 .较之地境全剖面各指标的平均值 ,地境稳定层内理化指标组态更为真实地反映了植物生存的地下环境 ,可用以确定物种的生存域 ;不同植物的生理和生活习性是对其稳定层内指标组态量值及动态变化规律的一种响应 ;地境所能提供的稳定层的多寡及组态对地表植物群落的结构具有一定的控制作用 ;地境稳定层的消失和产生 ,可导致对应物种的消亡和入侵 ,造成植物群落的演替 .

地表水与地下水相互作用的温度示踪与模拟研究进展

刻画地表水与地下水的相互作用过程及精确计算二者的交换量始终是个挑战,而新兴的温度示踪方法对于这方面的研究具有独特优势。重点介绍了地表水与地下水相互作用的温度示踪方法原理、应用及相关模拟的研究进展。温度示踪方法的数据获取成本低且温度适宜密集与连续监测,可对地表水与地下水相互作用过程进行精细刻画;在进行地表水与地下水相互作用的水-热耦合模拟时,温度数据可用于进一步校正模型,降低模型的不确定性,以提高交换量的计算精度。监测河水温度和河床沉积物内的水温,运用温度示踪方法研究河水与地下水的相互作用过程,并将水流及热运移数值模型相耦合,利用多源数据进行模型校正,可精细刻画地表水与地下水的交换量、相互作用带内的水流途径、流速及其变化趋势和控制因素,为地表水与地下水相互作用研究提供新的模型与方法。

我国矿山地质环境承载力研究现状

矿山地质环境承载力是近年来从矿山地质环境、生态/资源环境承载力及地质环境评价领域交叉衍生出来的研究热点、难点、理论和应用前沿,目前正处于起步和发展阶段。在回顾承载力研究起源、发展和演化历程的基础上,论述了国内矿山地质环境承载力的研究现状,归纳了国内对矿山地质环境承载力的不同认识、理解和研究思路,总结了当前存在的问题、研究的难点和发展趋势。任何地质环境系统都有自稳定性和抗干扰的能力,在限定的开采强度内合理地对矿产资源进行开发可以使得"资源-环境-经济-社会"协调发展,这也是矿业和国民经济可持续发展的绿色动力和远景目标。

地质环境生态适宜性评价指标体系研究

科学合理地进行地质环境生态适宜性评价是正确处理地质资源开发利用—生态环境保护之间关系、实施可持续发展的前提。在阐述了地质环境生态适宜性评价的内涵及其评价步骤的基础上 ,研究了地质环境的生态适宜性评价指标体系确定原理与方法 ,并以河西走廊地区为例进行了具体应用 ,提出了可供借鉴的地质环境生态适宜性评价指标体系 ,并探讨了有待研究的评价标准、现状评价与预测评价、评价方法等问题。

矿山地质环境承载力评价的若干问题

矿山地质环境承载力是近年来诞生的概念,主要以评价手段来反映研究成果。目前国内尚无成熟的地质环境承载力评价的工作程序,现有的理论和方法并不统一和完善,开展地质环境评价工作前有必要对一些基础性问题进行探讨和界定。首先论述了承载力的概念、内涵、起源、发展和演化的历程,剖析了矿山地质环境系统及其特点;然后总结归纳了矿山地质环境评价的类型;最后分析讨论了矿山地质环境承载力评价的前提和假设,进而明确了矿山地质环境承载力评价的对象、范围、性质、前提和目的等基本属性。通过上述讨论,可为该领域的研究提供有益的思路,以及为我国矿山地质环境保护及矿产资源开发与规划提供参考。

黑河源多金属矿区地质环境承载力评价

黑河源多金属矿区地处祁连山腹地,矿产资源丰富,但地质环境敏感脆弱,矿产资源开发前急需开展地质环境承载力评价。运用层次分析法,选取7个重要环境约束因子作为评价指标,采用加权平均综合指数模型,对该区的地质环境承载力进行了评价。评价结果表明:7.13%的区域地质环境承载力较弱,主要分布在高海拔的冰川和高山区,尤其是分水岭和河流附近;64.91%的区域地质环境承载力较强,分布于海拔相对较低、坡度较缓的中低山区、丘陵区、河谷以及平原地区;剩余的区域承载力适中。年均降水量和植被覆盖度是影响承载力大小的主要因素。本研究可为黑河源区矿产资源的合理规划与开发、地质环境保护与社会经济的协调发展等提供依据,还可为类似矿区的地质环境承载力研究提供方法和借鉴。

干旱区植物水分来源的D、^(18)O同位素示踪研究进展

在干旱、半干旱地区,水是生态系统的主要限制因子,对植物水源的研究有助于指导干旱、半干旱地区的生态建设。在水分被根系吸收和从根系向叶片输送的过程中,其δ(D)、δ(18O)值一般不会发生变化。因此,水中天然δ(D)、δ(18O)值的分析为确定植物的水分来源提供了一种有效的途径:只要各潜在水源的稳定同位素组成具有显著差异,就可通过植物体内水的δ(D)、δ(18O)值和各潜在水源δ(D)、δ(18O)值的对比,定量确定植物对这些水源的吸收情况。但是,由于各潜在水源的不确定性和蒸发富集等因素的影响,该技术还存在一些不足。另外,隐性降水是干旱环境下植物的重要水源,但目前尚未开展隐性降水对植物补给作用的定量评价。利用稳定同位素技术定量评价干旱区植物隐性水源将是今后重要的研究方向。

1972-2009年念青唐古拉山西段冰湖分布及其变化特征

冰湖是研究气候变化的重要指标之一,了解冰湖分布和变化的特征,对认识冰川与气候之间关系和冰湖溃决灾害评估有着重要意义。运用遥感资料监测念青唐古拉山西段近40a来的冰湖分布及其变化,并结合DEM研究冰湖垂直分布的变化,探讨影响冰湖分布和变化的可能因素。研究结果表明:(1)研究区冰湖数量和面积近年来都呈迅速增加趋势,冰湖增加150个,冰湖面积增加4.384km2。气温升高、冰川融水增加是冰湖增多和面积增大的主要原因;(2)冰湖垂直分布变化明显,新增冰湖个数峰值位于海拔5 500～5 700m,占新增冰湖总数的61%;新增冰湖面积峰值在海拔5 400～5 700m,占新增湖总面积的44%;冰湖面积在大部分海拔高度上均呈扩张态势;(3)海拔高于5 400m的区域,1991-2009年新增的冰湖数量远多于1972-1991年。冰湖在高海拔区分布的变化对念青唐古拉山区冰川消融以及气候垂直变化具有一定的指示作用。

罗布泊北部地区凝结水对地下水补给作用的模拟

在含盐量较高的罗布泊北部凹地,采用称重法进行了凝结水的野外监测。利用凝结水的观测资料,基于HYDRUS_1D软件,建立了一维饱和-非饱和模型来模拟预测凝结水对地下水的补给作用。研究结果表明:观测期间试筒质量多为减少,仅有3个时段试筒质量增加,表明在这3个时段有凝结水生成;凝结水对包气带的补给量占包气带水分总收入的50.4%,是包气带水分的主要补给来源,并起到抑制深层土壤水蒸发的作用;模拟期间包气带水分均衡结果为负,推断是前期降雨入渗形成的土壤水为蒸发排泄提供了额外的水源;凝结水的生成深度较浅、生成强度较弱、持续性差,无法形成连续的补给,因而无法入渗补给地下水。

黑河中游临泽地区沙丘植物水分来源的D、^(18)O同位素示踪

基于2008年7月份降雨、地下水、土壤水和植物茎干水的D、18 O同位素观测结果,分析了黑河中游临泽地区沙丘顶、底部不同深度土壤水分的来源,确定了红柳、花棒、梭梭等沙丘植物的吸水层位及其对降雨和地下水的依赖程度,发现:①土壤水δ(D)、δ(18 O)剖面总体呈指数形式,局部受降雨事件入渗过程影响,土壤剖面的上界面受连续蒸发和降雨入渗作用,下界面接受潜水的连续补给;②地表至20～30cm深度内的土壤水由最近的降雨补给,其下至130cm深度内的土壤水由此前1～2周的降雨事件叠加补给,130～150cm深度以下的土壤水主要由潜水补给,偶尔混有前期较大降雨事件的入渗补给;③除沙丘底部的花棒利用较浅层次(120～180cm深度)的土壤水外,其他物种都利用≥185cm深度的土壤水,表明研究点的沙丘植物主要依赖更为稳定的潜水水源,偶尔利用入渗深度较大的降雨。

祁连山黑河源区八一冰川—黄藏寺段河水水文地球化学特征

黑河源区河水水文地球化学特征的研究有助于了解黑河源区河水沿流域水质变化概况,对黑河源区生态环境的保护具有积极意义。以黑河源区干流为研究对象,对河水进行取样检测,结果显示:河水化学组成以K^+、Na^+、Ca^(2+)、Mg^(2+)和Cl^-、NO_3^-、HCO_3^-、SO_4^(2-)为主。通过聚类分析、舒卡列夫分类和Piper三线图分析发现主要离子中,阳离子主要来源于石灰岩风化产物,SO_4^(2-)主要来源于蒸发岩矿物风化产物和人类活动,HCO_3^-主要来源于纯碳酸盐风化产物。通过对重金属污染调查发现,V、Co、Cu、Pb、Cr、Mn和Zn含量较高,矿山开采是重金属污染的主要来源。