基于SWAT-MODFLOW耦合模型的巴音河中游泽令沟盆地地表水-地下水转换关系研究

为准确刻画资料缺乏、地表水–地下水转换频繁的泽令沟盆地地表水-地下水不同时空尺度上的转换关系,利用河道径流数据、遥感蒸散发数据、地下水位观测数据等对SWAT-MODFLOW耦合模型进行率定和验证,在此基础上对泽令沟盆地水循环过程进行模拟分析。结果显示:(1)SWAT-MODFLOW耦合模型模拟效果较好,率定期和验证期月径流量的R~2≥0.73,NSE≥0.67,PBIAS在-20%~20%。其各子流域实际蒸散发的R~2均大于0.91,NSE均大于0.85,PBIAS在-10%~10%。此外,模拟地下水位与实测值误差在0.6 m以内,R~2为0.94。(2)地表水补给地下水的河道占整个河道长度90.31%,年平均补给量占年总交换水量的50.20%;季节尺度上,补给的最大值出现在7月,为331043.31 m~3/d,最小值出现在12月份,为41208.33 m~3/d。地下水对地表水的补给量较为稳定,季节性变幅在-2.5%~2.5%,年际变幅处于-6.5%~0.6%之间。

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%。

黑河流域地表水与地下水转换关系的几点质疑

张掖、高台和临泽沿着黑河一带泉水总量在（10～13）×10^8m^3／a之间，泉水对张掖地区的农业生长、生态环境、工业和人民生活极为重要，近年来虽然泉水量在减少，但基本保持稳定状态。对于泉水的补给来源基本被认为是由黑河等地表径流转换而来的，认为河流在山区排泄地下径流，进入山前平原以后，变成河水补给地下水，而在适当条件下地下水以泉的形式溢出地面，因此构成地表水与地下水相互转化的复杂过程。很多人认为这种过程是水循环的一个组成部分，其表现形式为河水渗漏-溢出-再渗漏-再溢出等，是一种反复转化过程，并称此过程为水资源相互转化多巡回性。笔者结合同位素分析对这种地表水-地下水-泉水-地下水-泉水的多次转换模式产生一定质疑。

考虑水体面积变化的鄱阳湖平原区地表-地下水相互作用模拟

湖泊的水情变化会影响其与地下水之间的物理水文过程和生态行为,鄱阳湖独特的“河湖相”转换特征使得该地区地表-地下水交换过程更加复杂。采用Visual MODFLOW构建三维非稳定流地下水流数值模型,利用LAK3子程序模块,通过输入五河入湖以及鄱阳湖流入长江的水量,实现湖水面积的动态模拟。结果表明,2019年湖水位模拟值与实测值的均方根误差为0.225 m,地下水水位模拟值与实测值的均方根误差为0.571 m;模型模拟鄱阳湖水面积环比变幅−41%~83%,与遥感影像结论吻合。该模型减少了湖泊作为边界条件的约束,可以有效刻画鄱阳湖频繁变化的湖水位和水体面积,准确模拟地下水流场和地表-地下水相互作用关系对湖泊水体高度动态变化的响应。枯水期主要由地下水补给湖水,交换量为2.03×10^(7)~10.58×10^(7) m^(3)/mon;丰水期湖水补给地下水,交换量为2.04×10^(7)~16.53×10^(7) m^(3)/mon,湖区及周边地下水水位相比枯水期平均抬升2~3 m,地下水由湖区流向周边地区。本研究为地表水体剧烈变化地区提供了有效的数值模拟方法,研究结果可为鄱阳湖平原区未来水资源管理和环境评价提供基础。

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。

基于同位素技术的冬奥会崇礼赛区地表水-地下水转化关系研究

为深入理解崇礼区清水河流域地表水-地下水转化关系,通过D、18O、222Rn环境同位素技术开展了区域地表水-地下水的转化关系研究。结果表明:通过D、18O监测结果可知,东沟中游地区表现为地下水溢出补给地表水,地表水接受地下水泄流补给的贡献为56%,接受上游河水补给为44%;通过222Rn监测结果可知,上游段地表水向地下水转化,地表水向地下排泄27.8 m^3/(d·m);下游段地下水向地表水转化,地下水向地表水补给平均速率为17.6 m^3/(d·m)。由此可见,地表水-地下水的频繁转化是清水河流域水资源循环的主要特征,地下水泄流补给地表水是区内旱季水资源的主要补给来源。

基于稳健回归-去趋势波动分析法的山前平原地下水转换关系研究

以大别山-云应盆地北部山前平原为研究区,以区内浅层含水层中地下水为研究对象,在查明研究区双层含水层结构条件的基础上,利用降雨量和地下水水位动态数据,采用稳健回归-去趋势波动分析(r-DFA)方法,对降雨和地下水水位动态的全局标度指数α进行量化,分析研究区各类型含水层中地下水之间的转换关系。结果表明:研究区地下水水位波动为分形布朗运动,且分形行为具有场地特异性;QbW风化裂隙水受到侧向径流的影响,含水层渗透性差,地下水水位标度指数最大;在双层含水层中,垂向上从上到下地下水水位标度指数增大,指明Qhal和Qpal3孔隙水均可转化为Ey孔隙-裂隙水;沿澴水东侧径流方向上,地下水水位标度指数增大,指明QbW风化裂隙水可转换为Qpal3孔隙水和Ey孔隙-裂隙水,Qpal3孔隙水也可转化为(排泄至)Qhal孔隙水。该研究结果可为山前平原区地下水资源的合理开发利用和科学管理提供依据。

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。

利用^(222)Rn、EC及断面测流分析黑河中游地表水与地下水转换关系

本文以黑河中游为研究对象,采用222Rn、EC及断面测流法对莺落峡至正义峡河段地表水、地下水转化关系进行了分析。结果表明,莺落峡至张掖黑河大桥段为地表水补给地下水,其单长渗漏率为0.248～0.433m3/s.km;张掖黑河大桥至正义峡段为地下水补给地表水,其单长渗出率为0.042～1.057m3/s.km。在相互补给率计算基础上对不同河段不同时段可分别计算相互的补给量,为水资源评价及规划提供科学依据。

基于GSFLOW的青土湖生态输水量-湖水面积关系研究

西北地区水资源匮乏,生态环境脆弱,如何科学处理生产用水与生态用水的关系一直是西北干旱区水资源开发利用中关注和研究的热点难点课题之一。关于流域中上游生态输水与尾闾湖水域面积(或湿地面积)关系的定量化研究较少。以我国西北干旱区河西走廊石羊河流域的尾闾湖—青土湖为例,利用GSFLOW建立了区域地表水-地下水耦合模型,其中采用LAK模块及SFR2模块分别处理湖泊和输水渠道,在此基础上预测了不同生态输水方案下湖泊湖面面积的变化情况,分析了青土湖生态输水量-湖水面积关系,确定了青土湖生态输水的合理范围。研究结果显示:当前3100×10^(4) m^(3)/a的生态输水量可以保证青土湖维持年内最高湖水水位1212.23 m(平均水位1211.68 m),稳定最大面积可达16.27 km^(2);当输水量为2000×10^(4)~3700×10^(4) m^(3)/a时,随输水量增大水面面积线性增加,面积变化率相对稳定;当输水量为3700×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水量增多,面积增大率逐渐减小;当输水量大于4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水增多增大幅度很小,特别是当生态输水量大于5500×10^(4) m^(3)/a时,面积变化率趋近于0。从维持当前青土湖水面面积和向青土湖生态输水的效益考虑,红崖山水库向青土湖的生态输水量应保持在3100×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a。研究成果对于确定西北干旱区合理生态需水,协调生态、经济、社会用水可持续发展具有一定的参考价值。