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。

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%。

极端干旱条件下岷江上游古溪沟流域地下水-地表水环境特征及地下水资源战略储备选址适宜性评价

古溪沟流域是岷江上游汇入紫坪铺水库重要的补水单元,为研究极端干旱条件下流域内地下水-地表水化学特征和影响因素,探讨地下水资源战略储备选址适宜性,通过采集16个地下水样和2个地表水样,综合运用Gibbs图、离子比值、绝对主成分-多元线性回归模型(absolute principal component multiple linear regression model,APCS-MLR)等方法分析水化学及其影响因素;运用熵权水质指数(entropy weighted water quality index,EWQI)进行地下水水质评价;采用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)构建流域地下水资源战略储备选址适宜性指标评价体系,探讨地下水资源战略储备选址的适宜性。结果表明:古溪沟流域地下水-地表水中主要阳离子为Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)、K^(+),主要阴离子为HCO_(3)^-、SO_(4)^(2-)、Cl^(-),地下水化学类型以HCO_(3)-Ca、HCO_(3)-Ca·Mg、HCO_(3)·SO_(4)-Ca为主;Gibbs图、离子比值、APCS-MLR模型等解译出水化学组分主要来源为水-岩作用(44.08%)、工业活动(12.17%)、原生地质环境叠加工业活动(11.83%)、农业活动叠加生活污染(9.04%),水-岩相互作用主导了地下水水质形成的水文地球化学过程的同时还受到人为活动因素和自然环境等其他因素的影响;EWQI评价地下水质量为Ⅰ级和Ⅱ级分别占比56.25%和18.75%,Ⅲ级的占比为6.25%,Ⅳ级和Ⅴ级分别占比12.50%和6.25%,地表水上游为Ⅰ级,下游为Ⅳ级,整体出现沿地下水径流途径,水质逐渐变差的现象,表明地下水-地表水已受到人类活动一定程度的影响;流域地下水资源战略储备选址综合适宜性指数AI介于1.0~9.8,适宜区面积占比48.57%,分布在流域中-东部下游区域,不适宜占比51.43%,不适宜区分布在流域上游区域,研究成果可在极端条件下为古溪沟流域-紫坪铺水库-都江堰的水资源安全开发利用及地下水资源战略储备选址布局提供参考。

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。

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。

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。

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。

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。

包头市地下水-地表水联合调度多目标管理模型

运用管理模型对地下水和地表水资源优化调度 ,解决包头市水资源短缺问题。首先建立双层含水层地下水流数值模拟模型 ,并求得地下水系统单位脉冲响应函数。考虑水资源与社会、经济和环境的关系 ,构建地下水 -地表水联合调度多目标管理模型。决策变量为潜水和承压水开采量、各地表水厂向各管理子区的供水量 ,主要目标为最大限度完成工业总产值、供水费用最小、最优控制地下水位和尽量满足农业灌溉用水。模型归结为求解线性目标规划问题。结果表明 ,优化总供水量为 6663 8 9× 1 0 4 m3·a- 1 ,其中地下水供水量为 1 3 5 0 6 2× 1 0 4 m3·a- 1 ;优化方案最大限度地满足规划需水量 ,使有限的水资源发挥最大的经济效益 ;通过对地下水开采量的控制 ,地下水流场趋于合理。

贵阳地表水-地下水的硫和氯同位素组成特征及其污染物示踪意义

喀斯特地表水和地下水的交换活跃,地下水系统容易受到地表污染物的污染。为了解喀斯特城市地表水—地下水系统污染特征和污染物质来源,对贵阳市地表水、地下水、雨水和城市排污污水的硫同位素和氯同位素组成变化进行了研究。贵阳市不同类型水体的δ37Cl值在-4.07‰～+2.03‰之间变化,δ34SSO4值变化为-20.4‰～+20.9‰。大气输入物质和城市排污污水的δ37Cl、δ34S及Cl-/SO42-比值与地表水和地下水的不同,稳定硫和氯同位素的结合研究为示踪地下水污染物来源提供了有效研究手段。贵阳市地下水中的Cl-和SO24-至少有4种来源,人为活动通过城市排污和大气输入向地下水系统大量输入了硫酸盐和氯离子。

西南喀斯特地区地表水和地下水环境污染特征与研究展望

西南喀斯特地区是长江和珠江上游的重要水资源安全屏障。随着全球变化和矿产资源的开发利用,西南地区地表水和地下水污染日益严峻。本文系统总结了西南地区地表水和地下水的污染特征,主要表现在:1)地表水和地下水之间独特的交互关系影响水循环和水资源利用;2)水动力条件驱动水环境中污染物的富集和迁移转化动力学过程;3)大宗固体废弃物引起地表水和地下水交叉污染;4)湖泊水库潜流带高内源污染负荷导致二次污染风险大;5)地下水环境极其脆弱,极易受到污染,脆弱性评价方法缺乏。水污染难以根治的主要原因在于未弄清污染物在地表水-地下水系统中的运移规律。未来研究亟需瞄准西南喀斯特地区水环境保护国家重大需求,构建地表水-地下水监测网络体系,揭示污染物的多尺度迁移转化动力学规律与健康风险,研发经济、高效的水污染综合防治技术,支撑西南生态文明建设和乡村振兴战略。

平原型水库地表水-地下水交互带特性研究——以石佛寺水库工程为例

目的研究平原型水库交互带的范围和特点,为平原型水库水资源治理和生态保护提供科学的参考价值.方法以辽河石佛寺水库工程为例,采用野外试验和动态资料分析法,整理布设各观测井的水文数据,计算水库地表水-地下水交互带的大概范围,绘制其折线示意图,同时分析其特性和功能.结果水库交互带影响范围纵向较浅,地表0.79 m至地下2.15 m之间,横向较广,为整个库区.库区北岸交互带纵向范围大于库区南岸,在枯、丰水期纵向边界变化范围不同.结论平原型水库地表水-地下水交互带边界随季节呈动态变化,受地表水与地下水相互作用的影响,对水库水资源的净化和污染物的降解起着积极的作用,对于水资源的修复也具有一定意义.

达尔罕茂明安联合旗地表水-土壤水-地下水同位素含量时空分布特征分析

为探明达尔罕茂明安联合旗地表水-土壤水-地下水时空分布特征,应用被视为水体“DNA”探索的同位素示踪方法,对达尔罕茂明安联合旗4个典型区进行地表水、土壤水和地下水进行采样分析,并根据同位素检测结果对各水体的时空分布特征进行探究,揭示出研究区地表水、地下水和土壤水的主要补给来源及其时空变化规律,发现研究区地表水、土壤水和地下水主要补给来源为大气降水,仅在部分时段和区域产生互补,从时空变化来看研究区地表水、地下水随时间变化不大但随着自西向东的空间变化同位素含量逐渐变大,而土壤水则是随着空间的变化不大,在随时间变化中,0~125 cm深度土壤水受外界环境影响随时间变化较大,而深层土壤水同位素含量则逐渐趋于稳定。

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。

基于水平衡和地电阻率的地表-地下水的连通性研究

本文通过测量地电阻率来表征水文地质环境。剖面视电阻率图像表明地下存在以低电阻率和高电阻率为特征的不同岩性结构。电阻率在300Ω·m到1000Ω·m之间的轻质土壤底下存在高达15 m的渗透带,因此浅水位和河水之间具有很强的连通性。在洪峰期间,河段周围的轻质土壤为河水提供了穿越通道。水平衡分析表明,灌溉区对降雨和河流中的峰值流量非常敏感。本研究有助于评估河流系统的损失与增益,对水资源的可持续利用具有重要意义。

柴达木盆地典型流域地表水-地下水转化关系及水化学特征

柴达木盆地是典型的干旱内陆区,认识其地表水-地下水转化关系、水化学特征及沿程变化规律,对区域水资源开发利用和生态保护有重要意义。在现场调查和水文地质条件分析的基础上,采用水化学、统计分析等方法,研究了典型流域地表水-地下水转化关系、水化学特征及差异性。结果表明:(1)根据地质构造、地层和地形对水力联系的控制作用,将地表水-地下水转化关系分为基岩阻隔+岩性控制型、岩性控制型和岩性控制+水文气象影响型。(2)从山区到尾闾,地表水和地下水水化学类型从Ca型转变为Na型或Mg型、从重碳酸根型转变为氯离子型;沿程水化学影响机制从水-岩作用为主逐渐过渡到蒸发-沉淀作用占主导;受基岩阻隔和岩性控制的影响,山间河谷和冲洪积扇前缘地表水-地下水转化关系的转变使沿程水化学特征的变化规律发生局部逆转。(3)因含水层岩性差异,盆地南部地表水、地下水中Na^(+)、Cl^(-)和SO_(4)^(2-)占主导,东部、北部Ca^(2+)和HCO_(3)^(−)占主导,且北部F-浓度较其他流域高。

拉萨河流域中下游地区水化学及地表水-地下水转化关系研究

为研究拉萨河流域中下游地区水化学及地表水地下水转化关系,利用水化学资料分析了不同水体水化学和稳定同位素特征,并探讨了地表水-地下水之间的转化关系。结果表明:拉萨河流域中下游地区不同水体中主要离子含量均较低,矿化度较低,呈弱碱性,水化学类型均以HCO3·SO4(SO4·HCO3)-Ca·Mg(Mg·Ca)型为主。不同水体的水化学组成主要受岩石风化作用控制,且以碳酸盐岩和硅酸盐岩的溶解风化为主。水化学及同位素分析表明:水样点可分为地表水、地下水以及混合区三个区域,说明研究区地表水和地下水水力联系密切,存在明显的转化关系;地表水、地下水、泉水的主要来源均为大气降水,不同水体均受到不同程度的蒸发作用影响;支流地表水主要受地下水补给,拉萨河中下游地表水和地下水存在地段性互补关系,拉萨河是区域地下水的主要排泄通道。

地表水-地下水交互下傍河土壤硝酸盐氮迁移规律试验研究

为了研究地表水与地下水不同补给关系下硝酸盐氮在傍河农田的迁移规律,选取大沽河河床沙样作为沙槽试验介质,设计地表水与地下水相互补给装置,模拟无补给、地表水补给地下水和地下水补给地表水3种方式下硝酸盐氮在土壤中的迁移,通过测定各取样点硝酸盐氮含量和到达时间,分析了其迁移规律。结果表明:纯淋洗实验中,淋洗强度与沙样颗粒越小,硝酸盐氮在表层沙中的累积越明显,硝酸盐氮的迁移也越慢。地表水与地下水相互补给试验中,补给水位上升,硝酸盐氮的积累量增加、迁移到饱水带的时间缩短;补给水力坡度为0.5时,硝酸盐氮在细沙饱水带中迁移速度约为5.3 cm/min;水力坡度变为0.7时,迁移速度约为9.4 cm/min;补给水力坡度为0.5时,硝酸盐氮在中沙饱水带的迁移速度约为12.3 cm/min。硝酸盐氮在包气带中的积累量随着沙层深度的增加而减少;淋洗强度、水力坡度及沙样颗粒越大,硝酸盐氮在包气带和饱水带中的迁移速度越快;补给水位越高,硝酸盐氮迁移至饱水带的时间越短。

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。