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。

面向地下结构-土-地表隔震结构相互作用体系的性能评估框架研究

地下结构-土-地表结构相互作用(USSI)对周边场地及结构产生不可忽略的影响,为此,文章提出了一种考虑USSI的滑板隔震结构性能评估框架。该框架通过一系列振动台试验与数值模拟研究为目标隔震结构提供了性能评估参考模型数据库。以隔震结构参数设计与性能评估为目标,研究开展了地下结构-土-地表隔震结构动力相互作用系列振动台模型试验,基于试验结果建立了考虑USSI的隔震结构动力分析模型,对隔震结构在地震作用下的响应指标进行了分析与评估。研究表明:地下结构对地表及周边结构地震响应影响较大,其中以层间位移最为显著。本案例中的隔震结构不仅在控制加速度、层间位移以及层间剪力等方面效果显著,而且可有效削弱地铁车站对地表结构抗震安全的不利影响。所提性能评估框架可靠有效,可作为基准框架为此类重要隔震建筑进行评估与分析。

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。

一个综合植被地表径流与饱和地下水流之间相互作用的数值模型

构建一个综合的数值模型,用来处理植被地表径流与饱和地下水流之间的相互作用问题.综合了早先提出的准三维植被地表径流模型,与二维饱和地下水流模型建立起该数值模型.植被地表水流模型被构建为,二维浅水方程(SWE)显式的有限体积解,耦合了Navier-Stokes方程(NSE)隐式的有限差分解,得到了竖向速度的分布.地下水流模型是以二维饱和地下水流方程(SGE)显式的有限体积解为基础构建.通过在连续方程中引入源-汇项,达到植被地表径流和地下水流之间的相互作用.单一的规则将2个解紧密地耦合在一起.最后,应用4个案例来验证本综合模型,结果是令人满意的.

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。

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。

考虑地表-地下水相互作用的地下水流动研究

地下水是水文系统的重要组成部分,对保护和开发日益枯竭的水资源具有重要的战略意义。地下水作为一种自然资源,对供水和水质起着至关重要的作用。地下水模拟是水资源可持续管理的重要组成部分。因此,地下水的物理机制应该通过建立详细的水文和污染物运移模型来确定。此外,为了建立准确的地下水模型,应考虑地表-地下水相互作用。虽然许多研究将地下水作为一个单一系统,研究地下水水力学和水文学,但通过在不同情况下进行敏感性分析来研究地表水-地下水相互作用和地下水行为的研究很少。因此,本文将地表水和地下水视为一个独立的系统,并进行相应的模拟。本研究利用三维有限差分法地下水流动与污染物运移模拟模型,建立了一个概化的河流-含水层模型。研究了地表水与地下水相互作用对水文特性的影响。利用概化河流-含水层系统的水文模型,在不同的水流边界条件和水流路径下进行分析,得到地下水位波动和河流与含水层之间的流量。

一个地表-地下径流耦合模型在西苕溪流域的应用

提出了一种地表-地下径流联合模拟的分布式水文模型,该模型综合考虑了地表径流、土壤水、地下径流之间的相互作用和水量交换,更真实地模拟了径流系统。选取太湖西苕溪流域进行了模型的应用研究,采用1km×1 km网格,就1988-2001年横塘村、范家村两水文站逐日、月实测径流资料进行径流模拟,确定了模型的基本参数。从模拟精度、参数需求、模型稳定性、水量平衡等方面分析模型的特点,研究表明:该模型参数相对简单,模拟精度较高,耦合运行稳定、快速,水量平衡分析详尽。模型可用作地表-地下径流相互作用、流域水量平衡分析和水资源管理的有效计算工具。

基于水文要素过程的流域地下水与地表水交换径流成分定量分析

流域地表水-地下水相互作用中包括枯水季节深层地下水向河流稳定补给的基流,降雨入渗后形成的快速与慢速壤中流和洪水时期河道水位抬升引起的地表水补给地下水。目前对于地下水-地表水交换量的组成并没有清晰的定义,已有的水文实验和模拟方法不能准确辨析地下水-地表水交换组分。利用水文要素过程线,提出了综合新安江水文模型、改进马斯京根-康格(Muskingum-Cunge, MC)法和基流分割方法的技术框架,研究地下水-地表水交换量的组成情况,并以婺源江小流域出口断面为例进行了方法应用。研究结果表明:婺源江小流域的地下水-地表水交换量占出口断面总径流的43.54%~54.66%。饱和带中的浅层地下水占出口流量的8.41%~10.57%;降雨下渗进入浅层土壤补给河道的水流占6.81%~20.59%;深层地下水的稳定补给量占河道总径流的23.34%~26.54%。本研究提出了可以精细化辨析地下水-地表水交换分量的技术框架,结果可为类似流域水资源保护与管理提供理论依据。

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。

结构-土-结构相互作用体系地震响应研究综述

依托土体为媒介,相邻地表结构和相邻地下结构在地震作用下彼此相互作用,从而影响相互作用体系的地震响应。现今地下结构的尺寸向大型化发展的同时,与地表结构的距离也越来越近,相互作用效应不容忽视。首先将地表结构-土-地表结构相互作用和地下结构-土-地表结构相互作用统称为结构-土-结构相互作用,拓展了传统结构-土-结构相互作用的内涵,然后分别归纳总结了目前地表结构-土体-地表结构、地下结构-土体-地表结构相互作用体系的研究现状和进展,已有研究表明相互作用效应主要受到相邻结构间距、结构尺寸、土体特性以及地震波特性等因素的影响;而针对材料非线性、土体非线性、地震动的空间效应等因素以及大型三维计算分析的研究相对较少。因而极有必要明确目前已有的研究进展和研究成果,提炼该复杂相互作用体系尚需解决的关键性问题。

地下结构对地表加速度峰值影响分析

地下结构对地震动传播路径有较大的改变,集中表现为改变地表的地震动特性,导致建立在地表的邻近建筑产生复杂的地震响应。通过建立包含矩形地下结构的土-结构模型和自由场模型,结合所定义的地表水平加速度峰值放大系数,分析了地下结构埋深、地下结构弹性模量、地震动频率等因素对地表水平方向加速度幅值的影响。结果表明:地表距离地下结构侧边0.5~1.5倍结构宽度位置会出现一个明显的放大系数峰值点;增加地下结构埋深有利于减小地下结构对地表加速度的影响;地表水平加速度放大系数随着结构弹性模量的增大而增大;低频地震动对地表加速度改变较小,而高频地震动对地表加速度的影响显著。

湖泊集水域地表—地下径流联合模拟

研制了流域尺度的地表-地下径流联合模拟的分布式水文模型。模型考虑了地表径流、土壤水、地下水之间的相互作用和水量交换,更真实地模拟径流系统。特别是,考虑了湖泊-流域系统的特点,例如,多条入湖河流、直接入湖的坡面水流和地下入湖径流等,使模型比现有水文模型更适合于湖泊集水域径流系统的模拟。模型在云南抚仙湖集水域作了初步应用研究,模拟结果与河道径流、土壤含水量和地下水位等观测数据的比较显示,模型模拟效果理想。此外,模拟结果与SCS模型结果的对比分析,进一步验证了模型的有效性。该模型可用于研究湖泊与流域的相互作用、模拟流域水文过程对自然条件改变或人类活动的响应、探究地表径流-地下水-湖泊之间的相互作用。模型也可用作湖泊-流域系统水量平衡分析和水资源管理的有效计算工具。

栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文模型

为了提高地表地下双重人类活动干扰下的流域洪水模拟精度,基于调蓄水库概念提出了考虑地表水利工程和地下水超采影响下的网格化降雨径流模拟方法,通过在栅格新安江模型基础上引入地表地下双调蓄模块,构建了栅格新安江-地表地下双人工调蓄分布式水文(GXAJ-DAR)模型,将该模型同半分布式新安江-海河模型在海河的典型流域清水河流域进行了验证比较。结果表明:GXAJ-DAR模型在清水河流域的模拟精度高于新安江-海河模型;基于栅格的双调蓄结构能根据水利工程控制区域和地下水埋深的实际空间分布对地面和地下径流人工调蓄过程进行准确模拟;GXAJ-DAR模型对自由水蓄水库蓄水容量参数的取值较新安江-海河模型更加合理,能有效提高清水河流域的洪水模拟精度。

冻土区地下水流过程及其与地表水转化关系研究进展

针对地下水流过程及其与地表水转化关系研究中,冻土分布特征及融冻过程对地下水系统的影响机制相关研究较少的问题,通过分析国内外冻土区地下水对河道径流的贡献、地下水流动路径和地下水-热耦合模型的相关文献,对地下水流过程及其与地表水转化研究进行综述,认为:①受土壤中冻土空间异质性的影响,不同冻土区地下水对径流的贡献比例不一致;②利用水化学和同位素示踪剂研究地下水流动路径,有助于冻土区地下水流动系统概念模型的构建,但只能获得定性或半定量的结果;③地下多相流系统的水-热耦合模型可将冻土的变化与其相应的水文响应过程耦合在一起,实现了地下水流过程及其与地表水转化关系的定量刻画,但在实用性方面仍需进一步完善,是未来的主要研究方向。

滨海地区地表水-地下水相互作用研究进展的文献计量分析

滨海地区水文条件复杂,地表水-地下水-海水三者间相互影响关联紧密,人类活动和气候变化导致的一系列影响在这一地区也更加显著。了解滨海地区地表水-地下水方向的重点知识及研究现状,是后续研究的重要前提。基于CiteSpace软件对Web of Science核心数据库中该领域相关文献进行分析,有利于系统梳理该领域内的研究成果,挖掘潜在研究热点。分析结果显示:①该研究领域内的高被引文章及高突发性文章自2010年后显著增多,目前该领域仍处于发展阶段,具有广阔的研究前景。②美国、澳大利亚、中国、德国等国针对该问题进行的研究较多。中国国家自然科学基金委员会支持的该领域研究成果数量处于世界领先地位。③海水入侵、海底地下水排泄(SGD)、潮汐及含水层中水动力条件间关系是该领域的主要研究方向。水化学及同位素分析、数值模拟是该领域的重要研究方法。④海底地下水排泄、滨海红树林湿地的演化、营养盐的迁移转化、滨海地区复杂的水动力条件变化及诱因、气候变化对滨海地区的影响以及新的同位素示踪技术的发展是该领域内潜在的研究方向和突破点。综合来看,未来滨海地区地表水-地下水相关研究的发展离不开各学科间的交叉融合、多方法的相互印证和新技术手段的引入。

河北平原小青龙河流域地表径流变化分析

为了解小青龙河流域地表径流变化特征,采用线性回归法、M-K检验法、双累计曲线法、典型年分析,法,分析了小青龙河流域径流深、降雨量、地下水位变化趋势、突变年份,并定量分析了降雨和地下水位对径流变化的影响。结果表明,小青龙河流域降雨量变化不显著,径流深、地下水位减少显著,降雨径流关系、地下水位径流关系突变年份在1998年,突变期比基准期年径流深减少48.1 mm,降雨对径流减少的影响量为4.7 mm、贡献率为9.8%,平水年份地下水位变化对径流减少的影响量为42.4 mm、贡献率为88.1%,说明地下水位下降为平原地表径流衰减的主导影响。

穆兴平原地下水开采对乌苏里江流量的影响

为分析地下水开采对乌苏里江流量的影响,利用地下水流数值模拟模型,模拟分析了不同开采强度下地下水向乌苏里江排泄量的变化。结果表明,2017~2027年,穆兴平原地下水开采量在维持现状和增大开采至11×10^8 m^3/a的条件下,地下水流向基本无变化,在乌苏里江沿岸的地下水变幅基本在±1m以内。现状持续开采条件下,汇入乌苏里江的地表径流量有所减少,但地下水开采量每增加1×10^8 m^3/a,地下水和地表水向乌苏里江的排泄量仅减少0.2×10^8 m^3/a,相对于乌苏里江流量而言可忽略不计。因此,可认为穆兴平原地下水开采对乌苏里江的流量影响不明显。