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。

地下水与地表水的相互作用及其生态影响

地表水与地下水作为水圈的重要组成部分,其广泛存在于自然界中,并通过多种途径相互作用,这种相互作用不仅会影响水资源的数量和质量,还会直接关系到流域生态系统的稳定与健康,近年来随着全球气候变化和人类活动的加剧,地表水与地下水的相互作用关系变得更加复杂多变,对水资源管理和生态保护提出了新的挑战,因此本文就地下水与地表水的相互作用及其生态影响进行阐述,希望能够对广大读者有所帮助。

地下水与地表水相互作用对水源涵养功能的影响研究

地下水地表水相互影响,为水文地质重要现象,对水资源的利用具有积极作用。为深刻认识这种相互关系以及对环境与地下水系统的作用,采用数值模拟技巧与现场调查信息加以研究。构建了地下水与地表水的互动模型,并运用定量分析方法总结分析其对地下水水位、水质、湿地生态以及补给量的影响。通过选取不同类型湿地的实证分析,探讨地下水处于各水位条件下,地下水与地表水交换对地下水资源形成所产生的作用。研究结果表明:地下水与地表水的相互作用会显著影响地下水的涵养功能,具有高水位湿地的涵养功能会更强;同时,也发现地下水和地表水交互作用强度与湿地类型和气候变化也有密切关系。这项研究可以为理解和预测地下水与地表水之间的相互作用提供理论支持,并有助于实现水资源的可持续管理和保护。

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。

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。

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。

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。

水-土相互作用对浅层地下水硬度升高的影响

浅层地下水硬度呈逐渐升高的趋势,已成为地下水污染的一个普遍问题。设计淋溶试验模拟水-土相互作用的过程,研究地下水硬度升高的机理,对区域地下水水质保护、地下水资源合理开发利用都是十分必要的。试验使用的水样采自地下水,土样包括污染土、农田土、清洁土。试验结果表明:水-土相互作用会导致淋滤液总硬度升高,淋滤液中易溶盐、K+、Na+阳离子及TDS和硬度生成有密切的关系;在水-土相互作用过程中发生溶解作用、阳离子交换作用和盐效应,导致游离态钙镁,交换态钙镁及化合态钙镁进入地下水,引起地下水总硬度升高。

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。

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。

沿海中小河流域地表-地下水库联合调控洪水资源利用研究:Ⅰ.方法与模型

针对沿海中小河流域地表-地下水库复杂工程系统,因缺少联合调控方法而导致洪水资源利用难的问题,解析地表-地下水库系统结构与功能,定量模拟地表水库调度、闸坝调控下河流和地下水动力过程,并利用智能替代模型提升水动力过程计算速度;在此基础上通过研发时/日/月多时间尺度模型耦合嵌套方法,构建了兼顾计算精度与效率的地表-地下水库联合调控模型。该模型实现了洪水、地表-地下水相互作用和供水等时间尺度差异明显的调节过程的统一调配,可为沿海中小河流域洪水资源利用提供新思路与技术支撑。

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。

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。

同位素技术解析安阳河与地下水相互作用

河流与地下水相互作用研究是水文学研究的难点和热点。安阳河与地下水相互作用研究,对于安阳市水资源科学开发与管理具有重要意义。安阳河冲洪积扇地表水与地下水转化率为17%~27%。潜水位标高为80 m,向下游逐渐变成多层含水层(水位40 m)。当地降水环境同位素监测数据表明,当地大气降水线与全球大气降水线接近平行,表明该线代表本地区大气降水的氢氧同位素特征。地表水同位素值较集中,2016年8月δ18 O值变化范围为-9‰^-8.7‰,δD值变化范围为-65‰^-63‰,2017年1月δ18 O值变化范围为-8.5‰^-8.2‰,δD值变化范围为-63‰^-61‰,河水水化学类型为HCO 3·SO 4—Ca型,表明流域内地表水的同位素值受距离的影响较小。地下水稳定同位素值变化较大,2016年8月δ18 O值范围为-10.4‰^-5.5‰,δD值范围为-75‰^-46‰,2017年1月δ18 O值范围为-10.2‰^-5.4‰,δD值范围为-75‰^-45‰,即从接近降水值到最大值形成一条“蒸发”线。河流出山口一带地下水同位素值呈现最大蒸发值,表明地表水补给地下水,地下水化学类型为HCO 3·SO 4·Cl—Ca,存在明显人为污染成分。下游为大气降水补给浅层地下水,中深层地下水主要来源于中游侧向径流,水化学类型主要为HCO 3—Ca·Mg型,综合分析表明,安阳河中下游(冲洪积扇)地带“三水”转换积极,并影响其水质、水量。

脱节型河流与地下水相互作用研究进展

河流与地下水的脱节现象广泛存在于干旱及半干旱地区,二者间的相互作用已成为目前的研究热点。在简要分析河流与地下水关系的基础上,综述了河流与含水层之间由饱和连接,经过渡脱节,演化为完全脱节系统的物理过程及机理和脱节系统形成的必要条件。总结分析了最大渗漏量法、临界地下水位法、水位波动法等河流与地下水关系判别方法以及优缺点。讨论了非稳定演化过程中河水的入渗规律以及介质时空非均质性对脱节系统的影响。分析认为目前脱节形成机理仍不完全明晰;简便有效的判别方法还需进一步研究;介质时空非均质性对河水渗漏的影响是未来研究的重要方向。