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。

河床地形起伏变化对地表水-地下水-湿地水交互过程的影响研究

地表水动力条件变化及河床沉积物岩性空间差异造成河床地形在空间上起伏变化是水沙界面压力空间分布的主要影响因素,影响地表水-地下水、地下水-傍河湿地水交互过程。为研究河床地形起伏变化对地表水-地下水-湿地水交互过程的影响机理,在黄河下游开封柳园口设置研究断面,统计分析河床地形起伏变化特征数据,建立半理想化地下水流数值模型,分析地表水-地下水-湿地水相互作用过程。结果表明:(1)与平整河床相比,河流横断面河床地形空间起伏变化可增大地表水-地下水转换量及地下水-湿地水转化量;(2)河床地形空间起伏变化使河床下伏含水层发育不同级次的地下水流系统,改变了地下水流路径及其径流时间,与平整河床地形相比,河流横断面河床地形起伏变化使得河流下伏含水层地下水流路径复杂化,近河床界面的浅部含水层不同位置发育有滞留区,且随着河床地形起伏程度越大,湿地侧河床下伏含水层及湿地附近含水层地下水年龄增大。研究结果可为黄河下游悬河段地表水-地下水-湿地协同保护提供理论依据。

秦岭北麓沣河流域地下水-地表水化学特征及转化关系

秦岭北麓沣河是“长安八水”之一,对其水环境现状、影响因素及地表水-地下水转化关系进行深入研究是河流生态修复的关键。根据2022年7月在沣河流域采集的62个地下水样和17个地表水样的分析结果,采用数理统计法、Piper图、Gibbs图、离子比法和氢氧同位素分析了地下水和地表水化学特征及其影响因素,探究了地下水和地表水的转化关系。结果表明:①研究区地下水为弱碱性,约有50%为极硬水、25%为硬水,溶解性总固体(TDS)较大,最大值高达1916 mg·L^(-1),NO_(3)^(-)浓度较高;地表水为弱碱性,为软水或微硬水,溶解性总固体较小,有机物含量较高;地表水和地下水阳离子均以Ca^(2+)为主,阴离子均以HCO_(3)^(-)为主,地表水基本是HCO_(3)-Ca型水;地下水化学类型主要有HCO_(3)-Ca、HCO_(3)·SO_(4)-Ca、HCO_(3)-Ca·Mg和HCO_(3)·SO_(4)-Ca·Mg型,分别占比24.19%、24.19%、16.13%和9.68%,且水化学类型空间变化较大。②研究区水化学特征主要受到岩石风化作用的控制,蒸发浓缩和大气降水也有一定影响;水中Na^(+)除岩盐溶解外,还有硅酸盐风化的影响,Ca^(2+)、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)主要来源于方解石、白云石等碳酸盐的风化溶解;地下水中阳离子交替吸附作用普遍发生,对Ca^(2+)和Na^(+)浓度影响较大;人类活动增加了部分地下水中SO_(4)^(2-)、NO_(3)^(-)和Cl^(-)浓度,相比之下地表水受到人类活动的影响较小。③研究区洪积扇扇顶-扇中主要是地表水补给地下水,补给比例为46.62%;洪积扇前缘主要是地下水补给地表水,补给比例为13.62%;下游平原主要是地表水补给地下水,补给比例为38.39%。

宁夏平原鸣翠湖地表水与地下水转化关系

为深入理解人工补给湖泊地表水与地下水之间的转化关系,针对宁夏平原人工补给的鸣翠湖建立湖岸带监测剖面,分析水位动态、水化学、稳定同位素,探讨湖岸带地下水补给来源。结果表明,地下水动态显示鸣翠湖属于典型的饱和流-补给型湖泊,高水头是驱动湖水向近岸区浅层地下水转化的直接动力因素。受区域水动力的影响,湖水与西岸地下水的动态响应密切,与东岸地下水动态响应较弱。水化学结果显示湖西岸浅层地下水化学组分含量存在丰水期和枯水期差异,而湖东岸较稳定,距离湖泊较远的ML05表现出与其它孔组不同的离子浓度特征。Piper图表明在丰水期地表水大量补给地下水,样点分布聚集,浅层地下水与地表水化学类型一致;枯水期随着地表水补水量的下降,地下水样点分布离散,尤其30 m深度地下水与地表水化学组分相差更大。δD和δ^(18)O分析结果表明,地表水对近岸区埋深小于10 m的地下水的补给作用明显,30 m深度以下地下水受侧向径流补给作用增强。鸣翠湖岸带10 m以上浅层地下水受湖水和灌溉水的补给比例超过80%。通过对比宁夏平原南部、中部和北部不同湖岸带局部流场和不同深度(5 m、10 m、30 m)地下水的稳定同位素特征,得出人工补给湖泊湖岸带地表水与地下水的交换深度在10 m以上,在人工补给条件下地下水与地表水的补排关系是单向固定的。

氡(^(222)Rn)在地下水-地表水相互作用中的应用研究进展

地下水地表水相互作用是水资源管理和地表水生态系统保护中重要的一个环节,氡同位素(^(222)Rn)由于其在地下水与地表水中含量差异显著、性质保守、检测难度低,广泛运用于地下水地表水相互作用的研究当中。本文通过总结分析^(222)Rn在不同地表水体(海水、河水、湖水等)中的应用,指出刻画地下水氡浓度的异质性是估算地下水排泄的重点和难点。在估算海底地下水排泄(SGD)时,氡的混合损失项估算不确定、海水氡浓度时空变异性、SGD的多组分特征等可能给估算结果带来较大不确定性;在估算河流地下水排泄时难以确定氡的大气逃逸量;研究人员对氡在示踪地表水补给地下水方面的研究程度相对不足。本文从科学研究和实际生产方面,对^(222)Rn的研究应用提出以下潜在方向:(1)降低地下水氡空间变异性对估算地下水排泄量的影响;(2)针对不同水体、不同水文条件,准确刻画氡的大气逃逸量;(3)拓展^(222)Rn示踪能够解决的科学问题;(4)将氡质量平衡模型计算与不确定分析相结合,实现软件化。

水平衡模型在地下水-地表水相互作用研究中的应用

为更好地了解水平衡模型的应用,笔者分析了水平衡模型的原理,利用河流段流量、地下水流量、溶质浓度和同位素比率的测量值,研究地下水-地表水相互作用。通过选取某河流段作为研究区域,对河流段的流入量、流出量、溶质浓度和同位素比率进行了测量,并采用水平衡模型对模型流入量、模型流出量和模型净平衡进行了分析。结果表明,研究的河流段存在失水情况,通过质量和溶质平衡法可量化模型中的失水率。水平衡模型可作为水资源评价的工具,通过确定河流失水机制来增强水资源的有效利用。

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。

蒲河流域多情景地表水-地下水联合模拟

以蒲河流域为研究对象,通过构建地表水-地下水耦合模型,模拟多情景下流域径流变化过程,并分析径流减少原因。结果表明,SWAT-MODFLOW模型在该流域适用性较好(R 2和NS系数均超过相应阈值);自然条件下的径流年际变化基本与近天然条件下(不考虑人类取用水和下垫面变化)类似,基本呈现丰枯交替的平稳状态;直接人类活动对径流减少的贡献约占83%,强直接人类活动的影响使自然条件下的地表水资源量减少最多;在不同程度人类取用水影响下,7月、8月、9月蒲河水量最多,5月最少;在不同强度人类取用水情况下,毛家河站在75%保证率下的多年平均月径流量最大。

基于CiteSpace的地表水-地下水相互作用研究文献分析

为分析地表水-地下水相互作用研究的现状和趋势,挖掘知识基础与研究热点,基于1985—2020年Web of Science(WoS)数据源,利用CiteSpace软件对检索的文献进行分析,梳理地表水-地下水相互作用领域的研究成果。结果表明:该领域发文数量分为缓慢增长、波动增长、稳定增长3个阶段,引文量逐年上升,反映该领域越来越受到研究学者的关注;地表水-地下水相互作用研究涉及多门学科,为研究提供了广泛的思路和手段。Journal of Hydrology、Environmental Earth Science、Hydrological Processes在该领域载文数量排名前3;研究力量主要分布在美国、中国和澳大利亚等;发文作者多且分散,在研究时段内发文数量最多的作者是Chunmiao Zheng(郑春苗)教授;中国科学院、美国地质调查局和澳大利亚弗林德斯大学等机构影响力较大。该领域研究的发展趋势为:较单一的地下水研究→地表水-地下水相互作用研究→陆地-水域生态系统的水体交互作用对各因素的响应研究。研究热点为:热追踪定量探究地表水-地下水交互的作用与强度;研发或改进数值模型对作用界面及不同研究对象水体交互作用进行模拟;探究水循环驱动下地表水-地下水交互作用对人类活动及气候系统等的生物学、物理学和化学过程的响应。未来将注重地表水-地下水交互作用的多尺度多学科交叉研究,增强团队间合作交流。

基于水文集成模型ParFlow的黑河流域下游地下水-地表水相互作用模拟研究

地下水-地表水相互作用是水文循环过程中的重要环节,研究地下水-地表水相互作用的机理过程及其对环境变化的响应对流域生态环境和可持续发展具有重要意义。利用基于三维物理过程的开源、大规模并行模拟计算软件ParFlow求解紧密耦合的地下水和地表水偏微分方程组,建立流域水文集成模型,从而精确解译土壤水分运移的动力学机制,最终实现定量化表征高时空分辨率的地下水-地表水文循环过程。以黑河流域下游巴牙吉呼(Bajajihu,BJH)地区为研究区,建立二维剖面尺度的地下水-地表水耦合模型,先将数值模拟结果与观测数据进行对比,验证了水文集成模型的准确性,进而分析了降水、蒸散发驱动下的水文响应。结果表明:ParFlow模型模拟的土壤水分与观测值相比,Pearson相关系数(R)大于0.93,均方根误差(RMSD)小于0.007。该研究结果可为利用水文集成模型模拟流域水文循环过程提供借鉴。

基岩海岛地下水与海水相互作用研究

中国北方基岩海岛水文地质条件独特,气候变化和人类活动不同程度地影响着海岛地下水与海水相互作用过程,然而对包括海水入侵(SWI)和海底地下水排泄(SGD)的水文过程的定量认识比较缺乏。本研究基于2012—2016年我国北方某基岩群岛降水、地下水水位、水质动态监测数据,运用数理统计、空间插值和水力学方法,分析了基岩海岛地下水与海水相互作用的特征和影响因素。结果表明,降水和开采是影响地下水、海水相互作用的主要因素,地下水水位变化滞后于降水事件约10 d;南岛东北岸、南岸的大部分地区没有发生海水入侵,地下水向海排泄过程较稳定,2012—2016年SGD速率均值为0.2 m/d,向海NO3-N通量均值为81.8 mmol/(m^(2)·d);北岛东南地区是海水入侵的严重区域,地下水水位长期低于海平面且逐年下降,2012—2016年SWI速率均值为0.3 m/d,向陆NO3-N通量均值为69.6 mmol/(m^(2)·d)。分别计算南、北两岛枯水季(2014年4月)、丰水季(2013年9月)SGD水量,北岛SGD水量为3.5×10^(4)~4.5×10^(4)m^(3)/d,南岛SGD水量为0.4×10^(4)~1.1×10^(4)m^(3)/d。相关结果可为基岩海岛地下水资源管理和生态环境保护提供重要参考。

湖泊湿地系统地表水-地下水相互作用及“三氮”迁移转化

湿地系统作为地球上最重要的自然生态系统,被称为“地球之肾”,在保护物种多样性、调节径流、改善水质、调节气候等方面发挥着重要作用,但有关湖泊湿地系统中地表水-地下水相互作用以及“三氮”在其中的迁移转化过程研究尚缺乏系统分析与总结。目前关于湖泊湿地水文以及地表水-地下水相互作用这两大问题的研究已取得一定发展,深刻揭示了湿地水文过程及地表水-地下水相互作用在自然因素和人类活动影响下的变化机制和规律。“三氮”作为水体中的重要污染物,一直以来是湿地研究中的热点问题,其在湖泊湿地系统中的迁移转化过程不仅受到自身和人类活动的影响,水文条件和地表水-地下水相互作用的改变对其迁移转化也具有一定的影响。梳理了近年来国内外文献,系统总结了湖泊湿地系统的水文地质条件、地表水-地下水相互作用及研究方法、“三氮”迁移转化过程及氮氧同位素的应用等方面的研究进展,对湖泊湿地系统水文过程和物质循环研究有重要借鉴意义和参考价值。

分布式地表水-地下水耦合数值模型研究进展

系统梳理地表、地下各水文过程中常见的控制方程以及数值求解方法,指出单一地下水模型和单一地表水模型在解决耦合问题中的短板。回顾近年来的相关研究,归纳出11种常见的耦合模型。从模型原理和适用方向2个方面对已有研究概括总结,将耦合方法划分为松散耦合型、半松散耦合型和紧密耦合型,分析耦合模型在变化环境下的地下水-地表水转化关系、河道生态流量以及地表水-地下水联合调度方面的应用。未来可以重点关注耦合模型在复杂地貌、多样化参数、模型识别验证方法、运算效率以及多学科交叉等方面的研究。

西苕溪流域地表水与地下水相互作用特征!

为探寻西苕溪地表、地下水体的来源和补排关系,对西苕溪流域丰水期和平水期的地表、地下水进行了氢氧同位素(δD和δ18O)组成分析,并结合水体的水化学参数,推断其来源和补排关系。结果表明:西苕溪流域地表、地下水体主要接受降雨补给,在上游山区中的泉水运移过程较为缓慢,上游地表水与地下水补排关系不明显;中游丘陵地区地表、地下水体相互联系紧密,具体补排关系为3号、4号、6号样点处地表水接受地下水补给,其余样点处为地表水补给地下水;下游农田密集区地下水接受河水补给较少。

地表水与地下水相互作用带中氮素污染物的反应迁移机理及模型研究进展

在地表水-地下水作用带内,水流途径、流速、滞留时间的差异及地表水-地下水的交换量从不同方面控制着氮素污染物的反应迁移过程,并影响污染物在地表水与地下水间的通量。因此,精细刻画地表水-地下水作用带内的水流模式是研究氮素污染物反应迁移及归宿的关键问题。受含水介质异质性、水流模式的复杂性及其与地球化学和生物地球化学过程的耦合作用影响,地表水-地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿极为复杂,研究十分困难。水流和污染物反应迁移耦合模型可将地下水流、污染物的物理迁移过程及其地球化学和生物化学过程有机整合在一起,能更好地揭示氮素污染物反应迁移的过程和机理,预测其发展趋势,可为研究地表水-地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿提供有力工具。

武汉市地表水-地下水交互带识别与变化模拟

地表水-地下水交互带是地表水与地下水混合交换的重要区域,该混合特性也是识别其范围的难点。为确定地表水-地下水交互带的识别方法与变化特征,选取地表水-地下水相互作用明显的武汉市汉江-府河河间地块冲湖积平原为研究区,构建了研究区内的地下水数值模型,得到了研究区内地下水流场轨迹,分析了研究区区域和局部的水流系统,总结了地表水-地下水交互作用模式,并结合MODPATH模块追踪地下水流运动轨迹,识别地表水-地下水交互带及其变化特征。结果表明:研究区地表水-地下水完全混合交互带的范围在汉江顺流方向由40 m不断拓宽至180 m,沿长江流向地表水-地下水交互带范围整体缩小但保持在70~100 m范围内;粒子运动轨迹分析结果显示,影响地表水-地下水交互带范围与交互作用强度的因素主要有地形、地表水形态、含水层水文地质条件。该研究结果可为确认地表水-地下水交互带范围及其动态变化特征提供依据。

地表水-地下水混合比例对沉积物活化分子氧降解三氯乙烯的影响

沉积物活化分子氧(O_(2))产生的羟自由基(HO^(·))可以有效地氧化氯代烃,然而水文动态过程对HO^(·)氧化去除氯代烃的影响尚不清楚。采用三氯乙烯(TCE,初始浓度为7.6μmol/L)作为代表性氯代烃,在100 g/L沉积物悬浊液体系中,探究不同地表水-地下水混合比例(0∶10~10∶0)对沉积物活化分子氧(O_(2))产生HO^(·)与其降解TCE的影响规律与机制。结果表明:随着地表水-地下水混合比例的增加,24 h内沉积物活化O_(2)产生HO^(·)的累积浓度呈线性增加,但只有地表水-地下水混合比例大于4∶6时沉积物中HO^(·)氧化途径才可有效地降解TCE,并且TCE的降解效率随着地表水-地下水混合比例的增加而增加;当地表水-地下水混合比例为4∶6时,TCE的去除率仅为3%,但是当其混合比例增加至10∶0时,TCE的去除率可达到22.5%;地表水-地下水混合比例对TCE去除的影响机制为:随着两种水体混合比例的增加,一方面促进了HO~·产生,另一方面降低了Cl^(-)、HCO_(3)^(-) 和Fe(Ⅱ)的含量,从而降低了共存组分对HO^(·)的淬灭效应。

地表水与地下水相互作用研究进展

指出了地表水与地下水存在着紧密的联系,两者的相互作用模式和转换规律是水文学以及水文地质学长期研究的重点问题之一。收集并整理了现有的最新成果资料,总结出地表水与地下水相互作用的研究方法,提出了地表水—地下水耦合模型的校正关键点在于获取非模型本身的信息;对地表水与地下水交互界面的确定和提高地表水—地下水耦合模型的精确度两大方面研究工作分别作出了展望,并给出了可行的解决方案:提高研究对象实时资料观测与反馈效率,建立实体与模型同步调度机制,即时优化仿真模型,实现可视化交互界面;针对不同研究尺度的区域实际情况,采用多种模型相互结合,不断完善耦合度,提高耦合模型精确性。

地下水与地表水相互作用的识别和量化方法研究

结合国内外研究现状,将地下水与地表水相互作用的识别和量化方法归纳总结为直接测量法、调查分析法、模拟计算法和环境示踪法4类,并对各类方法的优缺点和适用范围进行了比较,最后对其未来发展趋势作出了展望。

头寨滑坡地下水化学特征及其反映的水-岩(土)相互作用

文章以头寨滑坡为对象,分析滑坡岩土体的矿物组成和组构等特征,研究表明造成滑体玄武岩岩体性质劣化的风化过程是一种物理-化学耦合的水-岩(土)相互作用过程,在多尺度(微观、细观、宏观)岩(土)体的"石夹土"结构中得到体现,水岩作用产物主要有绿泥石、伊利石和蒙脱石等黏土矿物。采集滑坡体剪出口处的地下水样测试水化学组成,选取前四个主因子P_1、P_2、P_3和P_4(分别占总方差的39.9%,21.9%,16.7%和13.5%)分析地下水的水化学特征。主因子P_1主要反映玄武岩原生矿物的溶蚀作用对地下水化学成分的控制作用,主因子P_2反映岩(土)体孔隙中有柱状硫酸钙矿物的结晶析出,主因子P_3反映岩(土)体同地下水之间存在阳离子交换,主因子P_4反映岩(土)体水岩作用产物——Si O2矿物在地下水中溶解性与水溶液中CO_2含量的关系。地下水主成分分析的结果能反映出滑坡地下水与岩土体的相互作用的主要过程。