基于校正的遥感数据方法估算地下水补给量:以鄂尔多斯盆地台格庙矿区为例

地下水补给是影响区域地下水资源的关键因素,准确评价地下水净补给量对地下水资源的合理开发利用和区域水文循环过程的研究具有基础性意义。通常情况下,在站点尺度可以使用蒸渗仪等设备直接监测地下水补给,而在区域尺度获取地下水补给则难度较大,因此亟待构建一种简便量化区域尺度地下水补给量的方法。本文提出一种基于遥感数据校正来估算区域尺度多年地下水补给量的方法,并在黄河中游内蒙古鄂尔多斯盆地新街台格庙矿区进行试点应用研究。通过对多源降水数据的筛选和蒸发遥感数据的校正,评价台格庙矿区地下水多年净补给量,并基于实测数据的Hydrus-1D数值模拟验证评价方法的有效性。研究结果显示,TPDC来源的降水量数据集更适用于反映研究区降水量的空间分布;MOD16遥感数据低估了矿区实际蒸散量,实际蒸散量是MOD16数据的1.41倍;矿区多年平均净补给量变化范围在-65.70~73.93 mm之间,超过80%的区域净补给量在-30~30 mm之间。新方法估算的地下水净补给量与基于实测数据的土壤水流数值模拟结果接近,表明该方法在缺乏地表产流或地表径流观测资料翔实的地区具有较强的实际应用价值。

非金属矿山开采土壤扰动重构对地下水补给的影响分析

非金属矿山开采区域土壤扰动重构会使水文地质环境发生改变,导致地下水补给分析结果不准。从土层厚度、土壤温度、地表径流量等角度出发,分析土壤扰动重构对地下水补给影响因素,并构建三维地下水流动模式,进而构建土壤扰动重构对地下水补给影响数值模型,得出水位演变公式和入渗系数、含水率与水位的变化关系式。结果表明,研究区域的土壤扰动重构方式对超过100cm土壤含水率具有一定促进作用,并且地下水位总体呈现先上升后下降趋势,为其他矿山开采过程中解决同类问题提供了参考方案。

山区侧向流对滹沱河冲洪积扇地下水补给与硝酸盐动态的影响

山区侧向补给是华北山前平原冲洪积扇含水层重要补给来源,影响平原区地下水水量和水质动态。近年来受极端气候和人类活动影响,山区对冲洪积扇平原区地下水的侧向补给机制及其对地下水硝酸盐动态的影响仍不明确。本研究以滹沱河冲洪积扇为研究区,利用水文观测、水化学和同位素示踪等方法,估算山区侧向补给通量和硝酸盐输移通量,揭示山区侧向补给与平原区地下水的补给关系,分析山区侧向补给对地下水硝酸盐分布的影响。根据水文地质条件,将采样点划分为4个子区:滹沱河冲洪积扇北部扇顶(Ⅰ区)、扇中(Ⅱ区)、滹沱河附近扇缘区(Ⅲ区)以及滹沱河冲洪积扇南部区域(Ⅳ区)。地下水硝酸盐动态监测数据表明,滹沱河北部的山区断面地下水硝酸盐浓度高于南部断面,平原区北部Ⅰ区和Ⅱ区地下水硝酸盐浓度高于南部Ⅳ区;且沿地下水流动方向,地下水硝酸盐浓度均值呈现Ⅰ区(105.28 mg·L^(−1))>Ⅱ区(99.22 mg·L^(−1))>Ⅳ区(37.10 mg·L^(−1))>Ⅲ区(23.08 mg·L^(−1))的空间分布特征。利用地下水氢氧同位素示踪揭示了山区侧向流对冲洪积扇北部地下水补给影响范围为扇顶和扇中,而冲洪积扇南部因地下水超采改变地下水流场,其影响范围主要为扇顶。利用达西定律计算2022年3月至2023年2月山区侧向流对滹沱河冲洪积扇平原区的补给量为2.10×10^(8)m^(3),硝酸盐通量为239.56×10^(5)kg,且北部山区侧向补给的水氮通量大于南部,这也是影响平原区地下水硝酸盐空间分布的重要原因。山区侧向补给对冲洪积扇平原区地下水量和水质的影响不容忽视,因此,实现源头综合治理,降低山区地下水污染物浓度,对下游平原区面源污染管理,防止地下水硝酸盐污染具有重要意义。

高寒内陆河流域植被覆盖增加对地下水补给的影响

地下水是干旱区内陆河流域的主要基础性资源,对流域生态安全、可持续发展等具有重要意义。干旱/半干旱区的地下水补给比湿润地区更易受到地表覆盖条件的影响。为揭示干旱区内陆河流域植被覆盖增加对地下水补给的影响,以巴音河中下游为例,针对土壤和水评价工具(SWAT)模型未有效考虑降水、地形等因素对植被覆盖影响的缺陷,改进SWAT模型,采用全球地表卫星叶面积指数(GLASS LAI)数据代替其LAI计算模块,再结合SWAT土地利用更新模块,准确刻画区域植被覆盖变化。将改进后的SWAT模型与模块化有限拆分地下水流耦合(MODFLOW)模型耦合,准确模拟并分析植被覆盖增加对流域地下水补给的影响。结果表明:基于植被动态变化的土壤和水评价工具与模块化有限拆分地下水流耦合模型(DVSWAT-MODFLOW)模型的月蒸散发及月地下水位模拟效果较好;巴音河中下游2019年林地及草地面积以及LAI较2001年明显增加;2019年植被覆盖情况对应的年际及月际尺度地下水补给量较2001年分别减少了6.1—26.52 mm以及0—15.03 mm;植被覆盖增加对年际尺度地下水补给量的影响强弱在一定程度上取决于年降水量,对月际尺度地下水补给量影响较强的月份集中于植物生长旺盛且降水较多时期。

基于小波分析的趵突泉地下水补给范围探讨

为查明济南趵突泉地下水补给范围以及市区、西郊对趵突泉的补给范围所占比例,选取2010—2020年趵突泉泉域20个地下水长期监测点的岩溶水位数据,采用交叉小波变换的方法对地下水位与降水量的时滞进行分析,并结合泉水的功能分区对趵突泉地下水补给范围进行探讨,计算市区、西郊对趵突泉的补给范围所占比例。结果表明:(1)随着地下水径流长度的增加,地下水位对降水时滞呈现增大的趋势,从78.58 d增大至129.22 d,济南西郊的时滞变化梯度大于济南市区;(2)玉符河下游地下水补给范围大,径流路径长,河流沿线地下水位对降水量的时滞大于两侧;刘长山-郎茂山-万灵山一带地下水径流路径较短,岩溶富水性较差,地下水位对降水量的时滞小于两侧;济南市区与西郊地下水存在水力联系;(3)选取趵突泉水位与降水量的时滞等值线为趵突泉补给范围的北边界,东边界为东坞断裂,西边界为马山断裂,南边界为地表分水岭,趵突泉的补给范围为1390.54 km^(2)。(4)济南西郊对趵突泉的补给范围为1133.09 km^(2),市区对趵突泉的补给范围为257.45 km^(2),西郊和市区对趵突泉的补给范围面积比值为4.4∶1。

三江平原地下水补给利用研究现状与进展

近几十年来大规模冻土退化极大影响了冻土区地下水动态。以黑龙江省三江平原季节性冻土区为例,结合2000~2020年的文献研究及数据,分析了气候变化及冻土退化对地下水系统的影响,总结归纳了地下水开发利用现状及存在的问题。结果表明:①暖化效应及人为干预影响下使三江平原冻土退化,虽增加了区域径流量并促进地下水补给,但也加重了地下水污染。②降雨入渗补给为地下水补给最主要来源,约占地下水补给总量的3/4,暴雨等极端降水使地下水储量明显增加。③三江平原地下水开采量呈逐年上升趋势,超采问题十分严峻。④如何设计地下水保护体系是未来需要解决的主要课题,必要时可增加自动监测系统的建设,减少人力资源支出,从而提高效率。

西藏革吉县城地下水补给及径流与排泄条件分析

以西藏革吉县地下水为研究对象,基于水文地质勘察成果,对地下水类型与赋存条件进行分析的基础上,对研究区研究区地下水补给、径流及排泄条件进行研究,结果认为:革吉县地下水类型为第四系松散岩类孔隙潜水(Q_(h)^(2pl))与白垩系郎山组碳酸盐岩类裂隙水(K_(1)^(1)),前者水位埋深为2.36~20.55 m,地下水赋存条件相对较好;后者在研究区内广泛分布,但地层裂隙不发育,地下水赋存条件较差;研究区地下水补给以大气降水入渗补给、侧向径流补给与河流渗漏补给为主,区内河流侧向径流补给条件较好,为研究区主要补给来源,潜水主要用于生活及畜牧业饮用;地下水排泄为地表径流排泄、蒸发排泄和开采排泄,地下水整体自东南向西北径流排泄,最终在研究区西北侧边界以表流和侧向径流的形式排泄。现状条件下,潜水的排泄以侧向径流排泄为主,蒸发排泄和人工开采次之。分析结论为区域找水、城市应急和备用水源建设及城市供水安全提供有力依据。

黑河流域走廊平原地下水补给源组成及其变化

通过环境同位素、水文分割法和相关分析研究表明,祁连山区降水、冰川雪融水和基岩裂隙水通过出山口地表径流补给构成黑河流域走廊平原地下水主要补给源,具有年际和年内丰枯动态变化规律,与祁连山区降水量和气温的关联度分别为0.97和0.79,与平原张掖站降水量和气温的关联度分别为0.43和0.60。在自然径流条件下,祁连山区降水量变化是改变走廊平原地下水补给的主导因素,约占91%权重;气温变化是重要影响因素,约占9%权重。20世纪80年代以来祁连山区各补给源处于偏丰期。因此,近年来走廊平原地下水补给量相对50年代减少27.1%,人类活动是重要影响因素,急需加强科学调控。

华北平原地下水补给量计算分析

采用溴示踪法研究华北平原山前冲积平原和中部平原有灌溉和无灌溉区域的地下水补给,得到研究区平均地下水补给量为126.10 mm,平均补给系数为0.185 2,有灌溉实验点的补给量和补给系数大于无灌溉实验点。同时对示踪剂运移深度和含水量分布、降雨灌溉量和地下水埋深等影响因素进行分析。将各实验点计算结果与国内有关学者采用示踪剂法所得到的补给系数进行对比分析,论证了研究结果的可靠性,此研究成果可为华北平原地下水资源分析提供重要参考。

黑河流域走廊平原地下水补给变异特征与机制

通过环境同位素技术和指数加权量化研究表明,黑河流域走廊平原地下水补给变异主要受区域气候变化和中游区人类活动影响;中游区人类活动对地下水补给变异影响强度达85 % ,春灌是关键时期。提出实现黑河流域地下水的可持续利用和下游区生态环境的有效保护,关键是规范中游区人类用水行为,使其符合黑河流域水循环自然规律;必须重视连续枯水期人类活动影响强度的科学调控,确保黑河干流的人类活动影响度低于37%

包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的应用

在干旱半干旱地区,包气带的溶质和同位素剖面不但可以提供较长时间尺度上的地下水补给信息,而且记录了过去气候变化与环境变化信息。本文基于学科组近10年的研究成果,以鄂尔多斯盆地为例(包括南部的黄土高原和北部的沙漠高原),将包气带和饱和带结合起来,利用多种环境示踪技术,提升了包气带在干旱半干旱地区地下水研究中的潜力,并将其应用到地下水补给历史重建、地下水补给机制确定、植被变化对地下水补给影响评价和地下水污染物全过程示踪中。研究表明,由于在干旱半干旱地区,包气带较厚且补给量有限,地下水和现今的浅表水文过程未达到水力平衡,如在沙漠高原西部,近2 500 a降水尚储存在包气带13 m以浅,地下水是4 000 a以前补给的,其水化学特征与浅部包气带水差异巨大;而在黄土高原,补给量较大,但包气带巨厚,年降水仍需要几十到上百年时间入渗到地下水(但并不意味着没有补给,其土壤水在包气带中平均入渗速率为0.1~0.3 m·a^(-1)),包气带浅部溶质含量较深部和地下水中的高;典型黄土塬区的地下水均不含氚,地下水年龄在几百到上万年。黄土内部层状均匀的土壤质地特征和相对较老的地下水年龄揭示的均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式。黄土高原退耕还林还草和沙漠区植被恢复导致地下水补给呈现不同程度的减少,反映在包气带上表现为溶质含量的增加,可用于定量化确定地下水补给量的变化。本文强化了包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的作用,在未来地下水资源评价、地下水污染全过程刻画中应得到重视。

甘肃西北部黑河流域中游地表径流和地下水补给变异特征

大量实际资料和综合研究表明,在西北内陆区当人类活动影响强度超过37%时,地表径流过程由天然状态转变为以人为干扰为主,不仅造成下游区获得的地表径流量大幅减少,而且中游区地下水补给也失去自然特征,补给量明显减少,同时还影响地下水径流过程及其溢出量衰减,进而导致下游区生态环境需水更加紧缺和退化。调控中游区安全引水量和调整中游区种植产业结构,发展节水型农业,是解决黑河流域下游区生态环境问题的关键。

黑河下游额济纳三角洲河道渗漏对地下水补给研究综述

干旱区河道渗漏是河道径流转化为地下水的一种主要方式.河道渗漏系数是确定河流与地下水之间转化量的重要参数,也是建立地下水模型的关键.从河道渗漏运动的研究方法、河道渗漏时空动态变化、河道渗漏特征规律与机理以及河道渗漏模拟研究等方面入手,综述了国内外有关河道渗漏研究方面的进展情况以及发展趋势.同时对黑河下游额济纳三角洲地区的河道渗漏研究现状及存在的问题进行了阐述,分析当前研究的不足.针对黑河流域下游额济纳三角洲水系与河道特点,提出如下建议:从河道渗漏的时空动态变化分析入手,开展典型渗漏观测试验、进行河水位、流量、河床含水量、地下水位的连续观测和同位素示踪试验,测定河道渗漏与地下水运动参数;建立河道渗漏模拟模型,模拟和预测不同情景下河道渗漏过程.为该地区的河道渗漏补给地下水的定量化研究提供新的思路,为制定科学合理的水资源利用规划和维护绿洲稳定及可持续发展提供科学依据.

同位素指示的巴丹吉林沙漠南缘地下水补给来源

通过恢复巴丹吉林沙漠及其周边地区大气降水氚值,并结合区域稳定同位素组合特征,揭示了区域地下水氚年龄的多解性与地下水稳定同位素的温度效应。恢复的1963年核试验期氚高峰值达到2 100 TU,进入90年代平均为60 TU。1960年以来降水补给的地下水氚值都应大于15TU,而1963年的高峰氚衰变至今应在200 TU左右。地下水实测氚值较低,表明由现代少量降水补给的地下水与大量的古水进行了混合。影响降水中δ18O和δ2H分布的主要影响因子是月平均空气温度,对δ18O与2δH的影响权重分别占到59.9%和57.0%。巴丹吉林沙漠及其周边地区地下水较低的稳定同位素组成表明,其补给主要是晚更新世较冷环境下形成的,来源于东南部的雅布赖山区,部分浅层地下水接受现代降水与河流的补给。

采动影响下矿井突水水源Fisher判别与地下水补给关系反演

为了揭示采动影响下矿井突水水源误判原因,进而推测地下水补给关系,收集了朱仙庄煤矿历年水化学资料,建立了突水水源的Fisher判别模型,并根据水样误判结果以及矿井地质与水文地质条件,反演分析了地下水补给关系。研究结果表明朱仙庄煤矿煤系砂岩裂隙含水层全部水样回判正确,含水层较为封闭,与其他含水层无水力联系;新生界第四含水层、侏罗系砾岩含水层与石炭系或奥陶系灰岩含水层部分水样误判,矿井采动影响下不同时期含水层间的地下水存在不同程度的水力联系,矿井新生界第四含水层水源对侏罗系砾岩含水层存在补给,石炭系或奥陶系灰岩水则通过矿井南部露水补给新生界第四含水层。地下水动力条件的变化验证了地下水补给关系。建立突水水源判别模型,分析回代误判原因,反演地下水补给关系,为正确认识矿井采动影响下地下水循环条件提出了新的研究手段。

包气带增厚条件下地下水补给规律研究

伴随人类活动影响的不断增大,地下水位持续下降,包气带厚度增大,改变了地下水的补给条件。为阐明在巨厚包气带中水分运移规律,在河北栾城实验站进行了包气带水分运移监测试验。通过对监测数据的计算和分析,揭示了大水漫灌条件下,灌溉水在包气带中湿润峰和零通量面(ZFP)的运移和形成规律,计算了灌溉水回归补给地下水的水量,并利用达西公式进行验证。试验结果客观准确地反映了在当前人类剧烈活动影响下,包气带中水分运移规律及灌溉水补给地下水的情况,同时通过对包气带水分运移情况进行监测,取得了包气带水分运移的翔实资料和灌溉参数,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义。

地下水补给、循环和混合作用的氦同位素证据─—以石羊河、黑河流域为例

石羊河、黑河流域地下水氦同位素组成的研究表明，大部分样品的3He／4He具有大气降水特征，部分地区地下水4He同位素的过剩是基岩裂隙水和卤水的混合作用所致，祁连山前深大断裂带附近地下水的氮同位素具有明显的馒源氦特征，说明该断层的活动仍未停止。

太行山山前平原地下水补给规律分析:以河北栾城为例

采用水均衡法与通量法对太行山山前平原(河北栾城)进行了地下水补给评价,结果表明:近20a地下水入渗补给量为8～172mm/a(水均衡法),平均值49.3mm/a,变化幅度大。其中2004年入渗补给量(63mm/a)比采用通量法计算结果(28.2mm/a)大一倍,表明土壤优先流对入渗补给作用显著。年入渗补给量总体上随有效降雨量增加、地下水位下降速率减少、作物实际蒸发蒸腾量减少而增加,但与有效灌溉量和灌溉量之和的相关性不显著。通过长序列地下水位与灌溉量等数据估算得到研究区侧向净补给量为125.2mm/a,约占地下水总补给量的71.7%(175.4mm/a),说明地下水主要以侧向补给为主。同时计算了入渗补给与侧向补给地下水的延迟时间,分别为60a和1个月。

黑河流域民乐山前隐伏构造带地下水补给与更新

第四系地下水是民乐山前地区居民清洁饮水的重要水源,而复杂的隐伏构造对区内地下水的运移和更新具有重要的控制作用。本文应用环境同位素技术,深入讨论了该区地下水的补给、更新能力以及隐伏构造对地下水更新的影响。结果表明:(1)民乐山前第四系地下水的补给来源包括出山河水渗漏和当地降水入渗,二者对地下水补给的贡献分别为89%和11%;(2)地下水更新能力由山前向下游变差,山前一带地下水更新周期在20～30年之间,下游的六坝北部一带地下水更新周期大于50年;(3)隐伏构造具有明显的阻水作用,导致地下水径流速度减缓。

石羊河流域水化学演化与地下水补给特征

以地球化学和包气带氯质量平衡技术相结合,通过腾格里沙漠包气带沙芯记录和石羊河流域地下水、地表水地球化学的研究,探讨中国西北干旱区地下水补给历史及其气候特征和地下水地球化学演化规律。石羊河流域水化学在天然状态下具有水平分带性,上游地表水矿化度小于360mg l,下游达1000mg l;武威盆地洪积扇地下水主要为HCO3-SO4型水,至民勤终端湖演变为Cl-SO4型水,矿化度相应由500mg l增加为17g l左右。在腾格里沙漠的一个钻孔剖面记录了过去930年以来的补给量变化过程及其所反映的气候波动特征,氯质量平衡法计算的地区补给量平均仅为1 26mm,从剖面完整的记录可以将930aBP气候划分为4个干期和3个湿期。