近40年来华北平原地下水位演变研究及其超采治理建议

华北平原是中国三大平原之一,同时也是粮食主产区之一,京津冀协同发展区,雄安新区皆位于区内,地理位置极其重要。地下水是华北平原主要的供水水源,占总供水量70%左右,自20世纪70年代末以来地下水开采强度不断增大,长期处于严重超采状态,形成规模巨大地下水位降落漏斗,进而引发地面沉降、地裂缝、湿地退化、海水入侵等一系列环境地质问题,制约社会经济可持续发展。研究地下水位演变可以为地下水超采治理及降落漏斗修复提供支撑,本文基于华北平原2019—2020年高密度地下水位统测数据及历史水位资料,研究了2020年现状地下水位流场及漏斗分布状况,系统分析了近40年来地下水位变化特征。研究发现:华北平原东西部浅层地下水位呈现差异化发展,20世纪80年代至2014年平原西部浅层地下水位持续快速下降,累计降幅达20~60 m,太行山前冲洪积扇缘一带水位降幅最大,2014年南水北调工程供水后,西部山前主要城市水位止跌回升;中东部地区水位呈现自然波动状态。深层地下水位20世纪80年代至2014年,总体呈下降趋势,中东部地区水位降幅度最大,累计达到40~90 m;2014年后城市区与农业区深层地下水位呈差异化发展,城区水位回升明显,周边农业区仍呈快速下降趋势。此外,在地下水演变分析基础上,以地下水采补平衡及水位恢复为目标,提出了开展超采区防控目标水位阈值研究、制定地下水减采和回补精准治理方案、优化地下水位监测网以及南水北调农业水源置换可行性研究等建议。研究成果对支撑华北平原地下水超采精准治理,地下水位降落漏斗修复和地下水资源合理开发与管理都具有重要意义。

保定平原南部超采区地下水化学特征研究

了解一个地区的地下水化学特征有助于为该地区地下水资源的可持续性开采提供重要依据。保定平原区大量开采地下水以及地下水环境恶化,对该地区地下水资源的可持续性有着一定的影响。为了解地下水超采对地下水水化学特征的影响,为此2016年在两条典型剖面上采集水化学样品40组,综合运用数理统计分析了地下水水化学特征及成因。结果表明,研究区非漏斗区采样点地下水化学类型主要类型为HCO_(3)-Ca·Mg型和HCO_(3)-Ca·Na型;进入漏斗区后主要地下水水化学类型变为HCO_(3)-Na型和HCO_(3)·SO_(4)-Na型。人类开采活动对地下水的影响强烈,随降落漏斗产生,改变了地下水水化学特征。

海河流域地下水资源特征和开发利用潜力

海河流域水资源严重短缺,地下水长期超采是制约社会经济可持续发展的主要瓶颈。开展流域地下水资源及开发利用潜力研究,对支撑服务地下水超采治理、地下水资源可持续利用和生态环境保护都具有重要意义。经系统评价,海河流域天然资源量252.99×10^(8)m^(3),生态水位约束条件下的浅层地下水开采资源量172.98×10^(8)m^(3),可更新的深层水可利用量4.68×10^(8)m^(3)。海河流域山区地下水质量总体较好,Ⅰ~Ⅲ类水占比40.83%,平原区浅层地下水质量较差,Ⅰ~Ⅲ类水占比14.10%,深层地下水质量优于浅层地下水,Ⅰ~Ⅳ类水占比74.25%。海河流域山区地下水开采潜力总体较小,燕山和太行山北部山区,地下水资源禀赋较差,基本无开采潜力,太行中部山区地下水开采程度较高,无开采潜力或开采潜力较小,太行南部山区地下水资源禀赋良好,开采潜力较大;平原区浅层地下水在不同水文地质单元开采潜力差异较大,山前平原浅层地下水长期超采形成大范围降落漏斗,无开采潜力或潜力较小,中东部平原浅层地下水资源禀赋较差,以微咸水为主,开采潜力较小,山东省鲁北平原区浅层地下水开采程度较低,聊城—德州一带开采潜力较大;雄安新区地下水总体无开采潜力。平原区深层地下水基本无开采潜力。

北京东部平原区地面沉降时空演化特征及预测

地面沉降是地表高程下降的一种自然地质现象,若发生在人口密集、社会发展程度较高的城市,将对城市基础设施具有严重的破坏性,威胁着城市安全。地面沉降演化特征分析可以反映其对地面基础设施的影响程度,建立一个高效的地面沉降预测模型对于地面沉降的防治和保障城市安全有着重要意义。首先,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量方法(persistent scatterer interferometric synthetic aperture Radar,PS-InSAR)获取到地面沉降时空信息,且与水准验证得到较高的精度。其次,利用经验正交函数对地面沉降场整体时空特性进行分析,发现研究区域空间模态1方差贡献率很大,几乎代表研究区域空间的整体演化情况,对应时间系数线性趋势显著;模态2有一定的方差贡献率,但占比很小,对应的时间系数季节性显著。最后,分别利用长短期记忆(long short term memory,LSTM)与嵌入注意机制的长短期记忆(Attention-LSTM)模型对区域地面沉降进行时序预测,发现Attention-LSTM模型优于LSTM模型,其均方误差损失函数(mean square error loss,MSE-loss)可低至0.01。该预测方法扩大了深度学习在地面沉降研究方面的应用。

利用趋势化随机参数场的地下水流数值模拟优化方法

水文地质参数场的刻画是建立地下水流数值模拟模型的关键问题和难点问题。通常来讲,参数场合理性程度越高,模型拟合精度越高。本次研究将随机方法和参数空间分布表达进行结合,提出了趋势化随机参数场的构建方法。以渗透系数为研究对象,首先利用MCMC采样和样本数据特征确定水文地质参数的基本数据结构,进而根据样本空间分布特征对其进行趋势化处理,最终形成趋势化的渗透系数场。通过算例分析,利用趋势化处理后的渗透系数场能够大幅提高模拟精度,相比传统赋均值方法其误差可降至原来的1/3。在北京大兴跌隆起地区进行的实例应用说明,趋势化渗透系数场对提升岩性粒径较大(中砂以上)地区模拟精度效果显著,案例中粗砂区域渗透系数经趋势化处理后平均拟合误差由2.76 m下降至0.64 m;而对岩性以细砂及以下粒径为主的区域模拟精度提升并不明显。总体来说,该方法可为地下水流数值模型的优化提供借鉴,提升模型拟合精度,从而更加合理地刻画地下水流系统。

基于k-means聚类与泰森去丛聚的代表性地下水位计算方法

在总结前人常用的区域水位变化值计算方法的基础上,结合k-means聚类分析、泰森多边形去丛聚和水均衡法等方法,提出一种基于群井多年连续观测水位数据和储变量数据求解代表性地下水位的新方法,并在数值模拟算例与实例研究区分别进行了计算和验证。结果表明:在算例中使用本方法得到的代表性地下水位结果与传统水均衡法计算结果相比准确度可达90.5%;在实例计算中使用定兴县8口井连续5年水位数据和储变量数据计算得到定兴县2019年代表性地下水位变化值为0.16 m,相较水均衡法计算结果新方法的准确度达到93.3%,算例与实例结果均较为准确,计算结果可用于代表性地下水位变化值快速、科学表征,在实际工作中能够有效简化代表性地下水位变化的计算工作并为结果提供科学依据。

西宁盆地地下热水的TDS分布特征及富集机理

西宁盆地大部分地下热水中TDS含量较高,极大限制了地热水的可利用性,研究盆地地下水TDS的成因机理,可为后期指导地热资源开发利用提供参考价值。通过对西宁盆地药水滩至盆地中心沿线地下水的常、微量组分的分析,探讨了区内TDS的分布特征及富集机理。结果表明:从盆地边缘到盆地中心,地下水由HCO_(3)-Ca·Mg型淡水逐渐向SO_(4)·Cl-Na、SO_(4)-Na型盐、卤水变化,地下水具有陆相沉积水特征,且变质程度逐渐增强;盆地内不同区域TDS的富集机理也有显著差异,盆地边缘以降水入渗、溶解混合作用为主,湟水中心区域以蒸发浓缩作用和混合、水-岩相互作用为主,而盆地中心区域则以深部沉积物质随热液上涌的混合作用和封闭环境下的水-岩相互作用为主。

南水北调前后京津城际铁路北京段地面沉降演化特征

京津城际铁路北京段全长50 km,铁路线穿越北京东八里庄-大郊亭沉降区,沿线不均匀沉降给高速铁路的安全运行带来一定威胁。南水北调工程给北京带来了新的水源,平原区地下水开采减少,地面沉降发展态势有所减缓。以京津城际铁路北京段为研究区,选取雷达卫星二号(Radarsat-2)(2011—2015年)与哨兵一号(Sentinel-1)(2016—2019年)卫星影像,采用永久散射体干涉测量(permanent scatterer interferometric synthetic aperture radar,PS-InSAR)技术获取铁路沿线及其附近区域的时序沉降信息。重点分析了研究区南水北调前后铁路沿线沉降演化的差异性。在此基础上,结合铁路沿线地质资料和地下水动态监测数据,分析可压缩层厚度差异、地下水位变化与地面沉降的响应关系。结果表明:南水北调前(2011—2014年)铁路沿线年沉降量大于30 mm区域长度的均值为13.25 km,占北京段全长约26.50%,南水北调后(2015—2019年)已减少至8.87 km左右,占北京段全长约17.74%;同样地,铁路沿线年沉降极值的均值由105 mm减小至78 mm,极值位置有明显东移,由DK17处右移至DK20附近。铁路沿线的沉降与区域沉降漏斗的发展趋势较为一致,主要受地下水长期超量开采带来的地下水位下降和可压缩层厚度影响。京津城际铁路的正常运行与铁路沿线沉降之间未见明显相互影响。

渤海湾西北岸MIS3阶段以来的海侵特征

晚更新世以来渤海湾沿岸普遍出现三期海侵,不同学者通过钻孔以及古海岸遗迹分析探讨了渤海湾西岸、南岸晚更新世以来的海侵沉积演化及海平面变化,而渤海湾西北岸地区晚更新世海侵沉积特征、古生物特征及海侵层对比缺乏系统的研究。本文通过对渤海湾西北岸多个钻孔岩心进行年代学、沉积学和微体古生物研究,建立了研究区不同构造单元的40 m以浅的标准地层层序、年代格架,划分了微体古生物组合带。研究区MIS3阶段以来共发育两期海侵,MIS3阶段海侵年代为35210~37658 cal.a BP,MIS1阶段海侵年代为7050~11310 cal.a BP。受古气候变化、古地貌和新构造运动影响,两期海侵层的空间分布和岩相古地理特征差异明显,MIS1阶段海侵规模大于MIS3阶段,MIS1阶段海侵为潟湖沉积体系,MIS3阶段海侵为潮坪-河口砂坝沉积体系。