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。

地下水与地质环境的相互作用与影响机理研究

本文主要围绕地下水与地质环境之间的相互作用和影响,机理展开分析,准确把握地下水对于岩石和地层结构所产生的影响,同时也能够深入了解地下水的化学特性,从而正确认知地下水在地质演变中所扮演的角色。此外聚焦于地下水对于地表地貌的侵蚀和溶蚀作用,包括相关联的地质灾害以及生态系统变化,以更加科学合理的手段处理地下水产生的负面影响,实现水资源的科学管理,预防各种生态灾害。

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。

黄河流域煤炭开发区地下水污染成因分析及防治建议

[研究目的]黄河流域内由于煤炭资源开发导致地下水污染严重,从整体角度对流域内重点煤炭开发区地下水进行归纳总结,为其可持续健康发展和地下水资源改善提供防治建议。[研究方法]从黄河流域战略地位出发,对地下水污染成因和污染模式进行归纳总结。采用改进后的综合水质指数法对流域内九大煤炭基地的地下水进行水质评价。选用主成分分析法赋权指标,并引入改进的内梅罗污染指数法,按照WPI分级法进行评价。[研究结果]通过对黄河流域各重点断面水质评价,得到目前流域内煤炭基地水质结果中Ⅲ、Ⅳ类占比较多,水质较差。分析成因当前流域内存在高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊组分矿井水污染,同时阐述污染地下水形成的浅层和深层两种污染模式。[结论]对3种矿井水采用相应防治方法,并提出膏体充填技术和微生物修复技术2种防治技术建议,通过应用实际矿山为例,印证污染防治技术能够改善由煤炭开采引发的流域内地下水污染严重的问题,以期研究结果能够对成功推动中国绿色矿山的快速发展具有参考意义。

分布式水文模型中河流水深及其与地下水相互作用的耦合模拟

大尺度流域水文模型一般只模拟河道径流,对河流水深和流速并不关注。在进行河流-地下水相互作用模拟时,河流水深(水位)是一个重要因素,其时空变化及其对河流-地下水水量交换的影响应加以考虑。本文就流域分布式水文模型中河流水深的时空变化计算及其与地下水的实时耦合模拟进行了研究,提出了相应的计算方法,改进了大尺度水文模型WATLAC,并通过V-型流域考题进行了检验。模拟结果显示,模型有效地模拟了V-型流域的河流水深、地下水水位沿河道的时空变化以及河流与地下水的水交换量,揭示了河流-地下水相互作用关系在降雨过程中的变化规律及主控因子。此外就河床糙率对河流水深及河流与地下水间水交换量的影响做了模拟分析,发现河床糙率的改变将影响河流水深,从而进一步影响河流与地下水的水交换量。本文提出的算法较为真实地模拟了河流洪水演进过程及其对河流-地下水相互作用的影响,模型适用于河流-地下水相互作用明显的区域,可作为评估地表-地下水相互影响的有效计算工具。

黄河流域地下水储量时空演变特征及影响因素分析

基于GRACE和GRACE Follow-On卫星及GLADS数据,考虑气候、植被等影响,构建了时间序列分解和随机森林算法耦合模型,揭示了2003—2022年黄河流域地下水储量时空变化特征及主要驱动过程。结果表明:近20 a黄河流域地下水储量显著减小,减小变率为-3.3 mm/a,其中汾河盆地和关中平原地区减小速度最快,变率为-15~-30 mm/a;气候呈暖干化趋势,植被绿度提高,蒸散发量显著增加;地下水储量的减小是植被覆盖增加、气温升高和蒸散发量增加共同作用导致地下水消耗量增加的结果;地下水储量空间变化主导因素差异显著,不同区域主导过程均由植被状况和气温的相互作用驱动。

新疆开孔河流域地下水依赖型植被生态系统的遥感识别

在干旱-半干旱地区,识别地下水依赖型植被生态系统(GDVEs)的位置和范围,对水资源和生态环境保护至关重要。针对传统识别方法的不足,以新疆开孔河流域为研究区,探索基于遥感技术的GDVEs识别方法。选取相对干旱年为研究期,基于植被指数、土壤湿度和潜在蒸散发,利用叠加分析和自然间断点分级法,确定开孔河流域GDVEs的空间分布,利用湿地分布、河流影响带及野外实地调查数据对识别结果进行验证。结果表明:开孔河流域GDVEs较高和高潜力区主要位于博斯腾湖周围和孔雀河下游荒漠平原区,主要为湿地生态系统和荒漠河岸林植被生态系统,约占天然植被区面积的10.3%;验证表明,本文提出的GDVEs识别方法可在西北干旱内陆河流域推广。

基岩海岛地下水与海水相互作用研究

中国北方基岩海岛水文地质条件独特,气候变化和人类活动不同程度地影响着海岛地下水与海水相互作用过程,然而对包括海水入侵(SWI)和海底地下水排泄(SGD)的水文过程的定量认识比较缺乏。本研究基于2012—2016年我国北方某基岩群岛降水、地下水水位、水质动态监测数据,运用数理统计、空间插值和水力学方法,分析了基岩海岛地下水与海水相互作用的特征和影响因素。结果表明,降水和开采是影响地下水、海水相互作用的主要因素,地下水水位变化滞后于降水事件约10 d;南岛东北岸、南岸的大部分地区没有发生海水入侵,地下水向海排泄过程较稳定,2012—2016年SGD速率均值为0.2 m/d,向海NO3-N通量均值为81.8 mmol/(m^(2)·d);北岛东南地区是海水入侵的严重区域,地下水水位长期低于海平面且逐年下降,2012—2016年SWI速率均值为0.3 m/d,向陆NO3-N通量均值为69.6 mmol/(m^(2)·d)。分别计算南、北两岛枯水季(2014年4月)、丰水季(2013年9月)SGD水量,北岛SGD水量为3.5×10^(4)~4.5×10^(4)m^(3)/d,南岛SGD水量为0.4×10^(4)~1.1×10^(4)m^(3)/d。相关结果可为基岩海岛地下水资源管理和生态环境保护提供重要参考。

基于温度示踪的高寒地区河水与地下水相互作用:以黑河上游流域为例

高寒地区是世界众多大型河流的源区,了解区内河水与地下水的相互作用对流域水资源科学管理具有重要意义。因广泛发育多年冻土,高寒地区河床底部局部融区的形成和动态变化控制着河水与地下水的转换,导致两者间水力关系的复杂性和特殊性。受观测条件限制,目前高寒地区河水与地下水相互作用的研究极少,少量已有研究也多采用同位素和水化学示踪方法,成本高且精度低。采用观测成本更低但精度与密度更高的温度信号作为示踪剂,以量化河水和地下水之间的交换;利用垂向一维瞬态热运移解析模型,定量计算不同深度处河水与地下水的交换流速;利用分布式测温光纤系统的观测结果,分析河水与地下水相互作用的时空动态变化特征。研究结果表明:高寒地区河水与地下水的交换存在强烈的时空差异,季节与气候的转换对河水与地下水的交换量起着控制作用,甚至能够改变河水与地下水的交换方向,河水与地下水的交换量随着冻土活动层加深而增加。温度示踪方法适用于高寒冻土区河水与地下水相互作用研究,2种温度示踪方法的联合使用可有效提高研究精度与准确性,为缺乏基础水文地质数据的高寒地区提供一种可行的研究思路。

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。

淮河流域及山东半岛地下水超采原因与管理对策

针对淮河流域及山东半岛地区地下水严重超采的问题,从地下水开发利用趋势、水位动态变化、生态与环境地质问题等方面分析了该地区地下水超采的状况,从水资源禀赋条件、水资源承载能力、城镇用水需求变化、地下水监管能力等方面剖析了地下水超采的原因。针对地下水双控指标体系、监测计量、信息化监管等方面存在的问题,从强化流域对地下水资源统一管理的角度提出了相关对策建议。

黄河流域中游地下水干旱演变规律及其对植被变化的响应

【目的】明确黄河流域中游地下水干旱时空演变规律。【方法】基于GRACE/GRACE-FO卫星数据和GLDAS数据计算标准化地下水干旱指数SGDI,利用改进的Mann-Kendall趋势检验研究和识别黄河流域中游的地下水干旱时空演变规律,利用Spearman相关分析研究地下水干旱对植被变化的响应。【结果】①黄河流域中游地下水储量异常以-0.027mm/d的速率变化,时空分布极不均匀。②地下水干旱时间上分布不均匀,在2018年之后发生中度甚至重度的地下水干旱,且SGDI的Theil-Sen变化率为-4.10×10^(-4)/d,未来地下水干旱有显著的增加趋势。③地下水干旱空间上分布不均匀,干旱增加趋势面积占比为63.02%,未来干旱恶化趋势增加,出现自西南向东北加剧现象。④植被变化对地下水干旱的驱动作用不显著。【结论】黄河流域中游地下水干旱较严重,地下水干旱对植被变化存在不显著的响应。

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%。

四川盆地农业区河流型水库流域地下水硝酸盐来源解析及健康风险研究

地下水硝酸盐(NO_(3)^(-))污染是一个全球性的环境问题,尤其在农业区普遍存在。地下水中NO_(3)^(-)可以通过交互作用进入地表水中,是地表水NO_(3)^(-)的潜在来源。研究地下水中NO_(3)^(-)的来源及其贡献率对防治周边地表水NO_(3)^(-)污染具有重要意义。本研究以四川盆地农业区河流型水库周边地下水为研究对象,综合运用水文地球化学、多种稳定同位素(δD-H_(2)O和δ^(18) O-H_(2)O,δ^(15) N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-))、贝叶斯同位素混合模型(SIAR)和人类健康风险评价(HHRA)解析地下水中NO_(3)^(-)的来源与转化过程、不同NO_(3)^(-)来源的贡献率及潜在的人类健康风险。结果表明:丰、枯水期地下水中NO_(3)^(-)-N浓度分别为1.24~42.91和0~42.96 mg/L,61%和40%的地下水样品超过了饮用水限值(10 mg/L)。δ^(15) N-NO_(3)^(-)和δ^(18)O-NO_(3)^(-)表明,研究区地下水中NO_(3)^(-)的主要来源为粪肥/生活污水。硝化作用可能是研究区地下水中重要的氮循环过程,存在加剧地下水NO_(3)^(-)污染的风险。SIAR模型得出丰、枯水期地下水中NO_(3)^(-)的主要来源为粪肥/生活污水,贡献率分别为50%和38%。HHRA表明长期饮用研究区NO_(3)^(-)浓度较高的地下水对人类健康具有潜在风险。

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。

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。

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。

地下水环境与运营期的城市地下空间相互作用

在城市地下空间整个运营期内(一般为50年以上),由于各种自然(如气象、水文等)和人为因素(城市水资源措施等)的影响,地下水环境会发生不同程度的变化,可能会对地下空间造成一系列不利影响(如结构的上浮问题、渗漏问题、高水压问题和地面沉降问题等);另一方面,地下空间结构自身也会在一定程度上改变地下水环境,若考虑不周,在运营期内将引起一系列的次生环境及工程问题。本文针对上述两个方面问题的成因、评价方法和控制措施进行系统探讨,为科学预测评价、有效控制乃至最终规避地下水环境和地下空间相互作用的不良影响提供借鉴。

石板山隧道与地下水环境相互作用评价技术研究

隧道与地下水环境相互作用科学评价一直是隧道工程界难以回避又备受困扰的技术难题之一。以石太客运专线石板山隧道为工程背景,考虑自然环境、工程地质与水文地质、设计因素、施工因素和运营因素5类评价指标,针对施工期隧道对地下水环境作用、运营期隧道对地下水环境作用、运营期地下水对隧道结构作用及限量排放必要性4个评价目标,建立隧道与地下水环境相互作用过程中预测与控制分项评价的百分制评价体系。对石板山隧道与地下水环境相互作用进行评价,并提出具体工程措施,以减小二者相互作用负效应,最大限度地保护地下水环境。