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。

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.

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。

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。

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。

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。

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.

迭置指数法在工业园区地下水污染风险评价中的应用

工业园区作为重要的地下水污染源,以园区为研究对象开展地下水污染风险评价对推进地下水污染防治工作具有重要意义,以四川省西南某工业园区为例,采用迭置指数法对园区地下水污染风险进行评价,并利用地下水硝酸盐浓度与地下水污染风险等级之间的Spearman等级相关系数,对评价结果进行验证。研究结果表明:研究区地下水污染风险整体较低,大部分区域为中、低风险区,高风险区域占比3.24%,在研究区中部、北部零星分布。Spearman等级相关系数ρ=0.81,相关性显著,表明迭置指数法可应用于工业园区地下水污染评价之中。研究结果为降低工业园区地下水污染风险和园区地下水污染防治工作提供了科学依据。

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。

利用重力卫星监测区域地下水储量对郑州“7·20”特大暴雨的响应

在极端降水频发的背景下,如何更好地理解枯竭型含水层对降水事件的响应,是气候变化与人类活动影响下地下水资源管理面临的新课题。以2021年7月20日郑州特大暴雨为例,利用重力卫星在监测大尺度质量变化方面的优势,揭示在长期超采背景下极端降水对区域含水层系统地下水储量变化的影响。研究发现,GRACE重力卫星可以清晰地捕捉到此次降水过程引起的地下水储量增加,重力卫星与水井观测的相关系数为0.84。此次降水过程使研究区(37.91万km^(2))地下水储量累计增加了132.78亿m^(3)(截至2021年11月底)。降水对应的地下水补给系数(地下水补给量与降水量的比值)达到0.36,明显高于历史降水过程的平均补给系数0.19,显示了强降雨过程对区域含水层的独特补给能力。本研究表明,强降水对枯竭型含水层有重要补给作用,重力卫星在评估极端降水事件对区域地下水储量变化影响方面具有潜力。

天津市深层地下水回灌效果预测

地下水人工回灌是恢复地下水位和控制地面沉降的重要方法。为实现减小地下水开采漏斗影响范围、消除地面沉降严重区的目标,本文通过建立天津市某地面沉降严重区深部含水组地下水流数值模型,模拟不同采灌方案,结合地下水水位抬升、地面沉降控制程度等因素,综合评价天津市深层地下水人工回灌效果,研究结果表明:(1)地下水人工回灌对深部含水层地下水位恢复和地面沉降减缓起到十分显著的效果,地下水开采量逐步压缩至零开采并结合地下水回灌是适宜天津市深层地下水位修复和控制地面沉降的最优采灌方案;(2)据文中方案R-4计算结果显示,地下水压缩开采至零对地面沉降的控制效果占控沉整体效果的84.5%,约为地下水回灌对地面沉降控制效果的5倍;(3)为尽快实现消除地面沉降峰值的目标,建议于天津市平原区年沉降量大于50 mm的沉降严重区优先开展地下水人工回灌,选择沉降严重区内部的地下水漏斗中心作为回灌靶区实地开展地下水人工回灌试验工程,填补天津市深层地下水人工回灌技术研究的空白。

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。

抽水蓄能电站建设及运营对地下水环境影响研究——以陕西大庄里抽水蓄能电站为例

抽水蓄能电站以其可持续性和高效性的调峰、调频、调相及事故备用电站,是中国电网系统中的关键一环,其对地下水环境影响一直是建设发展的重点和难点。为探究抽水蓄能电站建设运营对地下水环境的影响,以陕西省抽水蓄能规划“十四五”重点实施项目大庄里抽水蓄能电站为工程实例,分析讨论抽水蓄能电站的建设及运营对地下水环境影响,通过分析区域水文地质条件,结合压水试验和水质分析,开展场地地下水环境评价,结合渗流场模拟,预测建设期和运营期地下水环境影响,提出相应的环境保护措施。结果表明:工程建设期及运营期对地下水环境的影响主要体现在地下水位的下降。上水库地下水埋深浅,水量不丰,库岸开挖将改变地下水的排泄条件,库周地下水位会发生10 m以内的小幅度下降;输水系统建设开挖将改变天然渗流场状态,导致沿线整体水位下降,局部降幅可达78 m;下水库坝、库地下水位埋深差异大,地下水坡降约为30%,开挖易于破碎花岗岩体处形成局部渗流和地下水排泄。研究成果对其他抽水蓄能电站地下水环境影响评价工作具有指导意义。

黄河流域煤炭开发区地下水污染成因分析及防治建议

[研究目的]黄河流域内由于煤炭资源开发导致地下水污染严重,从整体角度对流域内重点煤炭开发区地下水进行归纳总结,为其可持续健康发展和地下水资源改善提供防治建议。[研究方法]从黄河流域战略地位出发,对地下水污染成因和污染模式进行归纳总结。采用改进后的综合水质指数法对流域内九大煤炭基地的地下水进行水质评价。选用主成分分析法赋权指标,并引入改进的内梅罗污染指数法,按照WPI分级法进行评价。[研究结果]通过对黄河流域各重点断面水质评价,得到目前流域内煤炭基地水质结果中Ⅲ、Ⅳ类占比较多,水质较差。分析成因当前流域内存在高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水污染,同时阐述污染地下水形成的浅层和深层两种污染模式。[结论]对3种矿井水采用相应防治方法,并提出膏体充填技术和微生物修复技术2种防治技术建议,通过应用实际矿山为例,印证污染防治技术能够改善由煤炭开采引发的流域内地下水污染严重的问题,以期研究结果能够对成功推动中国绿色矿山的快速发展具有参考意义。

Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(1)——地下水-膨润土体系演化的地球化学模拟

在某区含Pu高放废物处置系统的性能评价中,需要分析水-岩相互作用下蒙脱石、孔隙度、pH值等演化过程对膨润土材料性能及Pu反应性迁移的影响,为此,本文以工程屏障系统中厚度为1 m的柯尔碱膨润土回填材料为研究对象,基于地下水入渗景象,采用TOUGHREACT模拟了地下水-膨润土体系的地球化学演化。结果表明:膨润土完全饱和约需20年;膨润土中蒙脱石的伊利石化作用很弱,而去白云石化过程(白云石溶解、方解石形成)相对明显,这使得水中Ca^(2+)浓度减小、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)浓度增大、pH值呈弱碱性且维持在8.1~10.3范围内;膨润土的孔隙度和渗透率变化不明显(变化量不到2%)。这些演化过程将有利于维持膨润土的膨胀性,阻滞核素向外迁移。