黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:(1)补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。(2)张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20%;草滩庄—G312大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×10^(8) m^(3)/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m^(3)/(s·km)。(3)研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×10^(8) m^(3)/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均减少0.16×10^(8) m^(3)/a;而2002—2020年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×10^(8) m^(3)/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均增加0.08×10^(8) m^(3)/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。(4)位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。(5)内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。

石羊河流域的水化学特征及其地表水与地下水的相互转化

通过分析石羊河流域地表水与地下水的水化学特征,可以了解石羊河流域地表水与地下水的相互转化关系。研究结果表明:(1)武威盆地,在山前地带,出山河水入渗转化为地下水;溢出带地下水以泉的形式转化为地表水;进入细土平原后,河水又补给地下水;在农灌区引河水又通过田间入渗反补地下水。(2)民勤盆地,地下水主要通过引水灌溉和河水补给。

傍河水源地地表水地下水转化SFR模型的应用

傍河水源地开采地下水是一个地表水与地下水转化的复杂过程。目前,模拟傍河开采量的数值模型常把河流概化为第一类定水头边界或河流边界。第一类定水头边界处理把河流概化为无限补给水源,对季节性河流来说明显不切实际,而河流边界不具备SFR模型的汇流功能。为弥补第一类定水头边界模型及河流边界模型对地表水与地下水转化量计算精度不够的缺陷,采用SFR模型概化白马河-吉利河,设置河床与地下水之间的河床水力传导系数、河床厚度、水深及断面形状等,将SFR模型与MODFLOW模型进行耦合,计算丰、平、枯水期河流流量与上下游水位,建立SFR地表水与地下水耦合模型。分别使用第一类定水头边界模型和河流边界模型概化河流,将SFR耦合模型、第一类定水头边界模型及河流边界模型的模拟结果进行对比,结果表明SFR耦合模型在表达丰、平、枯水期地表水与地下水转化关系及转化量计算方面更为准确。按SFR耦合模型、第一类定水头边界模型和河流边界模型计算的研究区地下水可开采量分别为2779万、3511万、2576万m^3/a,SFR耦合模型模拟结果与研究区已知的地下水可开采量2870万m^3/a更为接近,所得结论更为合理。

雎水流域的水化学特征及其地表水与地下水的相互转化

为了解特定流域的水化学特征及其运移和转化的历史,为水资源科学管理提供依据,分析了小流域雎水河的水化学特征。结果表明:(1)雎水河流域主要是大气降水补给的地矿化度的溶滤水。(2)雎水河全线都是地下水补给地表水。(3)部分泉点矿化度相对较高与SO24-较高有关,可能是因为流经了含煤地层。

柳江盆地地表水与地下水转化关系的氢氧稳定同位素和水化学证据

地表水与地下水相互作用是水循环研究的重要组成部分,是研究区域水资源量的基础。通过实地水文地质调查和采样,在对水体氢氧稳定同位素和水化学组成测定的基础上,分析了盆地内枯水期河水和地下水的水化学和氢氧同位素组成特征及空间变化规律,旨在揭示河水与地下水的相互转化关系。研究表明:盆地内地下水主要为HCO3-Ca和HCO3-Ca·Mg类型低矿化度水,各区域地下水具有统一联系性,经历了相同或相似的水化学形成作用;河水水化学类型与地下水相同,且水化学成分来源一致。地下水和河水氢氧同位素组成相接近,最终来源主要为大气降水补给。其中河水在径流过程中受蒸发浓缩作用影响,重同位素略富集。受地形地貌、地质及水文地质条件影响,盆地内地下水与河水之间的补给—排泄相互作用关系具有明显的分段性,相互转化频繁。大石河上游区域和东宫河流域总体上表现为河水受两侧地下水补给;大石河下游区域,表现为河水补给两侧地下水。

黑河流域地下水与地表水转化研究进展

地处我国干旱内陆区的黑河流域,其地表水与地下水在不同的地貌单元发生着大数量的、有规律的、重复的转化过程,极大地提高了水资源的利用率。早在20世纪80年代,甘肃省地矿局等单位率先开展了有关黑河流域地表水与地下水转化过程研究的国家"七五"、"八五"科技攻关项目,取得了丰富的勘查研究成果,促进了这一地区有限水资源的合理开发利用。进入21世纪以来,随着勘查研究理论的丰富和环境同位素技术的广泛应用,黑河流域地表水与地下水资源及其循环转化引起了学术界的广泛关注,并相继完成并发表了一批具有较高水平和学术价值的科研成果,进一步提高了干旱区水资源的开发与保护。但仍存在着水资源转化关系和转化规律还缺乏流域系统研究、中下游盆地深层地下水的补给来源尚不能确定等方面的不足,不利于协调社会经济发展与生态环境保护之间的用水矛盾。

运用水热运移模拟定量评价地表水与地下水的转化

地表水与地下水相互转化关系和转化水量的时空变化规律是干旱地区水资源评价和合理利用的基础。河床沉积物的水力参数对于河流渗漏量评价具有很高的敏感性,使用温度观测数据约束和校正,可以提高河床沉积物水力参数和地表水与地下水转化量的可信度。以新疆玛纳斯河流域炮台镇附近头道沟渠道的排水干渠为研究对象,通过野外原位试验实时监测渠道横断面地下水温度、地下水水位、渠道地表水水位和不同埋深处河流沉积物的温度变化,分析渠道地表水与地下水相互转化关系变化前后温度的规律特征,并建立二维均质多孔介质变饱和土壤水热运移耦合数值模型,模拟分析与计算头道沟干渠渠道地表水与地下水的相互转化关系和转化量。结果表明:浅层河床沉积物的温度信号及温度梯度可有效示踪渠道地表水与地下水的相互转化关系,反演模型参数,提高数值模型的可信度;模型反演得到的土壤饱和水力传导系数为7.05 m/d;监测模拟时段内,0~28.6 d内渠道地表水补给地下水,渠道研究断面单位长度累计入渗量为35.3 m2/d,28.6~37 d内地下水向渠道排泄,渠道研究断面单位长度累计排泄量为9.626 m2/d,监测的37 d内渠道研究断面单位长度累计入渗量为25.674 m2/d;2015年7月27日22∶00至8月25日12∶30,头道沟干渠渠道地表水入渗补给地下水,地表水入渗补给量约为4.448×105 m3;2015年8月25日12∶30至9月2日22∶00,头道沟干渠排泄地下水,地下水排泄量约为1.213×105 m3。该研究结果可为研究区或类似地区水资源评价和地表水与地下水联合调度提供参考。

应用AMT研究祁连山大断裂与地下水转化之间的关系

黑河流域水资源的短缺制约了河西走廊地区的经济发展。祁连山-河西走廊平原地表水与地下水相互转化关系研究是长期困扰水文地质学家的一个大难题。根据祁连山-河西走廊平原地区地层的物性差异,结合地质资料,采用音频大地电磁法,进行了祁连山大断裂性质的勘查研究,查明了祁连山-河西走廊平原地表水与地下水之间的相互转化关系。结果表明,应用音频大地电磁法研究祁连山大断裂的性质以及地表水、地下水的相互转化关系,具有十分明显的地质效果。

基于GMS的傍河应急水源地地下水资源评价

依据铜陵太平-钟仓应急水源地水文地质条件构建水文地质概念模型.在此基础上,利用三维可视化软件GMS建立水源地地下水流数值模拟模型,并对模型进行了识别和验证.模型模拟期为一个应急供水周期180 d(2017-01～2017-06),水源地开采层位为承压水.模拟结果表明:在采用均匀布井方案和限定开采井水位降深不超过承压含水层顶板的条件下,水源地允许开采量为11.94×104m3/d,达大型水源地规模(5×104m3/d<允许开采量<15×104m3/d);水源地承压水在应急开采条件下,激发了长江侧渗补给量,袭夺量占水源地开采总量的27.82%.同时,通过模型模拟数据对傍河水源地地下水与地表水转换规律进行了初步探讨.

额济纳绿洲浅层地下水动态监测研究及其进展

浅层地下水动态是影响与制约我国西北干旱区黑河流域下游额济纳绿洲生态系统维持与修复的根本要素之一.本文通过梳理近年来额济纳绿洲浅层地下水动态变化的研究成果,结合典型观测站点的地下水水位与盐分自动监测（2010～2013年）,回顾了该地区地下水监测站网的发展阶段,归纳了地下水年际动态变化特征及其空间变化类型,综述了其驱动因素.地下水动态长期观测的综合分析结果表明,该地区浅层地下水水位自20世纪50年代起开始下降,一直持续到20世纪90年代末期,2000年生态输水之后,地下水位整体得到回升.根据地下水时空动态变化特征及其驱动因素,可以将研究区划分为4个典型区域：以河道渗漏补给与植被蒸腾作用为主的河岸带;以区域地下水侧向补给与潜水蒸发作用为主的荒漠戈壁带;以地下水依赖型生态系统蒸散发与区域地下水侧向补给作用为主的天然绿洲区;以地下水开采与人工回灌作用为主的人工绿洲区.研究认为,间歇性河流的渗漏补给以及荒漠-绿洲生态系统的蒸散发是该地区浅层地下水系统动态变化的主要驱动因素.此外,人为配置地表水资源与局部开采地下水资源加剧了地表水与地下水之间的相互转化,改变了浅层地下水系统的天然动态.为了定量识别生态输水配置下的地表水-地下水相互转化及其与生态环境之间的关系,下一阶段的研究应以地表水/地下水系统动态联合监测为基础,深入开展关键水文过程野外试验研究,同时强化人类调控下的水文过程多尺度综合模拟.