基于GRACE的新疆平原区地下水干旱时空变化及其对气象干旱的响应

地下水资源具有重要的资源保障和生态安全维系功能,随着全球气候变暖及人类活动强度增大,导致新疆平原区地下水资源量呈减少趋势,进一步加剧地下水干旱发生的风险。揭示新疆平原区地下水干旱时空变化特征及其对气象干旱的响应关系,对区域经济可持续发展、生态系统安全有重要意义。基于GRACE重力卫星数据和全球陆地同化系统(GLDAS)数据估算2003—2022年新疆平原区地下水储量变化,在此基础上对地下水储量变化进行标准化处理,构建地下水干旱指数,分析新疆平原区地下水干旱时空变化特征,最后使用最大相关系法分析地下水干旱对气象干旱的响应关系。结果表明:(1)新疆平原区地下水储量变化呈下降趋势,其下降速率为0.60 cm·a^(-1),下降较为明显的区域主要集中在天山区域山前平原区,上升区域主要集中在昆仑山北麓山前平原区及阿尔泰山南麓西部山前平原区。(2)地下水干旱指数监测到新疆平原区于2014年4月—2015年4月、2022年5—12月分别发生了历时13个月、8个月的地下水干旱事件。整体来看,新疆平原区地下水干旱频率为0.21,地下水平均干旱强度为1.0~2.0,地下水平均干旱历时为4~28个月;其中,平均干旱历时为4~10个月、11~16个月、17~22个月、23~28个月的面积占比分别为80.68%、9.54%、4.15%、5.63%。(3)新疆平原区地下水干旱对气象干旱的平均响应时间为18个月;响应时间为1~3个月、4~6个月、7~9个月、10~12个月、13~24个月的面积占比分别为11.00%、2.13%、2.75%、2.00%、82.12%。其中,近20 a来天山北麓山前平原区的响应时间呈增大趋势,响应时间由1~3个月增大为18~24个月,昆仑山北麓山前平原区部分区域的响应时间则先由9~12个月减缓至1~3个月,后延长至12~24个月。

新疆玛纳斯河流域地下水砷氟碘分布及共富集成因

为了更好地掌握新疆玛纳斯河流域地下水中As、F、I的分布及富集成因,通过相关性分析和地球化学模拟,分析了高As、高F、高I地下水的水化学特征及空间分布状况;结合地质条件和地下水赋存环境进一步阐明地下水As、F和I的来源、迁移与富集的水文地球化学过程.结果表明:地下水砷、氟、碘含量变化范围分别为1.13~41.35µg/L、0.06~8.02mg/L、<0.025~0.249mg/L,地下水As、F、I超标分别为62.9%、45.7%、45.7%,有31.4%的地下水砷氟碘均超标.砷氟碘共富集的地下水主要分布在玛纳斯河流域东部靠近沙漠边缘的平原区,水化学类型主要为HCO_(3)·SO_(4)·Cl-Na型.自山前单一结构潜水区至平原承压水区,地下水As含量沿流向先增大后在沙漠边缘区减小,水平方向上,地下水的淋滤作用导致南部富As岩层中的As向平原承压水区富集,且碱性条件下SO_(4)2-的还原有助于As的解吸附;地下水F含量沿地下水流向逐渐增大,在古尔班通古特沙漠边缘达到2.5mg/L.高HCO_(3)^(-)、高Na^(+)、高pH值的地下水还原环境是F从含水层基质向地下水释放的重要原因;地下水I含量沿地下水流向整体呈上升趋势,在承压水区潜水中主要受蒸发浓缩作用的影响,在承压水中主要受岩石风化作用的影响.砷氟碘共富集地下水主要分布于100~310m的承压水中.在封闭的承压含水层,碱性还原环境下矿物溶解与沉淀和水岩相互作用是地下水砷氟碘共富集的主要机制.

基于“四水”转化模型的新疆开都-孔雀河绿洲农业节水潜力研究

为探讨绿洲水资源可持续利用模式,挖掘流域农业灌溉节水潜力,以新疆开都-孔雀河绿洲为研究区,基于“四水”转化模型分析农业节水潜力。结果表明:规划年平水年农业用水量为38.42亿m 3,较现状农业水量节约5.51亿m 3;生态用水12.38亿m 3,较现状增加3.98亿m 3,仍超出红线水量5.47亿m 3;在保持灌溉面积和种植比例不变的前提下,渠系水利用系数的提高对流域绿洲耗水量减少有显著作用;防渗能力的提高,减少了渗漏量,进而减少了非灌溉作物耗水量,故渠系水利用系数在灌溉节水和生态保护间存在一个阈值。研究成果为指导绿洲高效节水农业发展、地表水与地下水协同利用提供了指导。

新疆尉犁县绿洲区微咸水水化学特征及可利用潜力分析

为探明新疆尉犁县绿洲区微咸水水化学特征、成因及可利用潜力,促进非常规水资源利用与水资源优化配置,综合采用Piper三线图、描述性统计分析、Gibbs图、离子比值法、水均衡法等对研究区地下水进行分析计算。结果表明:研究区微咸水水化学类型主要为SO_(4)·Cl-Na、SO_(4)·Cl-Na·Ca、SO_(4)·Cl-Na·Mg型,蒸发浓缩作用是微咸水形成的主要因素,其次是岩石风化作用;微咸水分布面积3851.35 km^(2),占研究区总面积的56.18%,可利用量为19237万m^(3)/a,开利用潜力较大。

新疆温泉地下水库成库水文地质条件分析

新疆博尔塔拉河流域水资源短缺且时空分配不均,用水过程与来水过程不相匹配,修建地下水库对水资源优化配置具有重要意义。对新疆温泉县地下水库从水文地质条件、水源与水质、储水条件、补水条件、取水条件、生态环境条件等方面进行了全面分析,基本明确了温泉县地下水库“渗得进、存得住、取得出”的建库基本条件。初步讨论了地下水库的回补、取水方式,平均每天需回补量为41.64×10^(4)m^(3),所需渗渠最小面积为11.90×10^(4)m^(2),全年人工回补量为4837×10^(4)m^(3);取水方式采用地下集水廊道自流式取水工程,运用隧洞稳定涌水模型计算出不同含水层厚度下的廊道长度,提出合理的回补工程布置方法,为地下水库建设提供设计依据。

新疆某工程分散性土的综合判别方法

分散性土的抗冲蚀能力很低,易发生管涌、冲沟等破坏,对于分散性土的判别尚未形成统一的标准。以新疆某工程黏土心墙填筑土样为研究对象,在测定其基本性能的基础上,采用针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验和交换性钠离子百分比试验对土样的分散性进行鉴别,将土体的分散性统一划分为高分散性、分散性、过渡性、非分散性4个等级。针对不同鉴别方法出现分散性结果不一致情况,对土的分散性从高到低分别赋分值为4、3、2、1,结合5种鉴别方法的原理,分别赋予针孔、碎块、双比重、孔隙水可溶盐和交换性钠离子百分比试验不同权重,最终依据赋分值及权重,将土样的分散性综合判定为高分散性、分散性、过渡性和非分散性4个类别。该方法可有效避免各试验方法的不足,对准确评价土的分散性提出了一种新的评价方法。

面向绿洲安全和干旱区可持续发展的农业节水潜力研究

为确保用水总量控制下绿洲安全及干旱区可持续发展目标的实现,以新疆开孔河流域为例,提出基于用水总量控制指标、地下水安全等约束条件的干旱区灌溉节水潜力计算新方法。结果表明:1)开孔河流域现状年(2020年)地下水开采量为12.97亿m^(3),灌溉用水总量为34.85亿m^(3);传统节水模式下,流域中期规划年(2030年)节水潜力为0.74亿m^(3),远期规划年(2050年)节水潜力为5.02亿m^(3)。2)在节水潜力新内涵下,开孔河流域中期规划年没有节水潜力,且需要休耕18667 hm^(2),远期规划年节水潜力为1.77亿m^(3)。3)为防止干旱区次生盐渍化,实现水资源短缺的干旱区可持续发展,在节水后应控制绿洲地下水位在3.5~4.0 m之间。对于水土不均衡的干旱区灌区而言,传统节水思路对绿洲安全的重视程度不够,对节水潜力评价过高。

基于KY PIPE的管道输水工程停泵水锤分析及防护方案研究

当长距离有压输水工程因事故突然断电停泵时,易产生停泵水锤,危害输水系统的安全运行。为减轻停泵水锤对泵站等管道输水系统的危害,基于实际工程,使用KY PIPE 2022软件建立了相应的水锤计算模型,通过数值模拟探究输水系统停泵水锤水力过渡全过程,讨论了两阶段缓闭式止回阀不同关阀程序和气囊式空气罐不同布置方式对水锤防护效果的影响规律。结果表明,止回阀两阶段关阀程序优于线性关阀程序;对于管线前端负压较轻的输水工程,气囊式空气罐在管线中部串联布置相较于首尾布置有更好的经济性和可行性。气囊式空气罐、空气阀和两阶段缓闭式止回阀联合防护方案可有效抑制水泵倒转和水体倒流现象,有效控制管内最大正压和负压,使各项关键参数满足规范要求。

新疆玛纳斯河流域地下水砷氟分布及共富集成因

砷(As)、氟(F)污染水体及其共存问题是环境领域的热点问题,长期暴露其中对公众的身体健康存在巨大威胁。以新疆玛纳斯河流域为研究区,分析高As、高F地下水的水化学及空间分布特征,结合地质条件、赋存环境和人类活动的影响进一步阐明地下水As和F的来源、迁移与富集的水文地球化学过程。结果表明:研究区地下水整体为弱碱性、还原环境的淡水,地下水As、F质量浓度变化范围分别为1.13~41.35μg·L^(-1)、0.06~8.02 mg·L^(-1),高As、高F地下水水样占总水样的62.9%、45.7%,砷氟共富集占总水样的37.1%。砷氟共富集地下水主要分布在平原区北部靠近沙漠边缘,水化学类型主要为HCO_(3)·Cl型和HCO_(3)·SO_(4)·Cl型。研究区南部山区高As、高F岩层是地下水As、F的原生来源,区域地质构造与水文地质条件是影响地下水砷氟富集的重要因素。玛纳斯河流域高As地下水具有高pH值、低γSO_(4)^(2-)/γCl^(-)比、低Eh等特征,说明弱碱性的还原环境有利于地下水中As富集;高F地下水具有高pH值、高HCO_(3)^(-)、高Na^(+)和低Ca^(2+)等特征,说明高Na^(+)和低Ca^(2+)的碱性环境有利于地下水中F富集。

2011—2020年新疆鄯善县地下水位时空动态变化规律

[目的]分析新疆鄯善县2011—2020年地下水位时空动态规律及未来变化趋势,为该区地下水超采治理和地下水位管控指标确定提供科学支撑。[方法]利用聚类分析与相关性分析结合的方法,划分地下水动态类型,采用时间序列分析法、地统计学法,结合多元Logistic回归模型,分析地下水位时空变化规律及主要驱动因素,并利用R/S分析法预测地下水位未来变化趋势。[结果]①地下水动态类型分为开采型、径流型、径流—开采型及蒸发型,以开采型为主,所占比例达75%。②2015—2018年北盆地地下水位由下降趋势变为上升趋势,2018年后又变为下降趋势;南盆地地下水位一直呈下降趋势,2015年后下降速率显著减缓。③北盆地地下水位变化主要驱动因素为地下水开采及地表水径流量,贡献率分别为68.46%,28.37%;南盆地主要驱动因素为地下水开采,贡献率为89.74%。④在外界环境稳定情况下,预计七克台镇及南盆地北部灌区地下水位将会持续下降,辟展乡地下水位持续上升,其他区域呈不明显的变化趋势。[结论]地下水开采是地下水位变化最重要的影响因素,为遏制地下水位下降,应在地下水位下降显著区域继续加大压减地下水超采量。

干旱区受损植被生态恢复需水量——以新疆哈巴河县平原区为例

[目的]分析干旱区受损植被恢复过程中生态需水量,为生态恢复不同阶段所需水资源量及水资源优化配置提供科学依据。[方法]基于1990,2000,2010,2015,2020年Landsat系列影像,采用遥感技术,结合改进的彭曼公式法,对新疆哈巴河县平原区植被耗水量时空演变特征及生态恢复需水量进行了定量研究。[结果]①1990—2020年天然植被平均耗水量为7.55×10^(8)m^(3),以3.60×10^(7)m^(3)/5 a的速率减小,与之对应的是天然植被面积以17.36 km 2/a的速率减小,植被覆盖度从高植被覆盖度向中植被覆盖度转化,生态受损严重。②区域内植被耗水量时空分布均存在较大差异:空间上高值主要分布于哈巴河流域,别列则克河流域植被耗水量整体偏低;时间上年际变化以2000年植被耗水量为最高,年内植被耗水量则主要集中在生长中期。③绿洲区生态恢复需水量如下:维持现状(2020年)生态需水量为4.62×10^(8)m^(3),恢复到1990—2020年生态平均水平生态需水量为6.65×10^(8)m^(3),达到1990—2020年生态最佳水平(2000年)生态需水量为9.55×10^(8)m^(3)。[结论]在人为与自然二元作用下,灌区1990—2020年生态环境整体呈现退化趋势,生态耗水空间分配失衡,受损植被生态恢复需水量时空配置应根据耗水时空分布进行优化完善。

新疆博尔塔拉河中游地表水与地下水转化关系及原因

新疆博尔塔拉河流域水资源短缺且时空分配不均,定量计算出中游不同河段、不同时段地表水与地下水的转化量,对地下水开采与回补、地表水与地下水优化配置具有重要意义。基于2021年12月1日—2022年11月30日博尔塔拉河中游5个监测断面的逐日测流资料,运用河道径流分析法,结合P-III(Pearson-Ⅲ)型分布频率曲线、各监测断面来水量对比图和水文地质剖面图等对地表水与地下水转化进行了定量分析,并对渗漏河段入渗率与来水量关系进行了拟合。结果表明:(1)5个监测断面中,博乐水文站年来水量最多,查乡大桥监测断面年来水量最少。(2)博尔塔拉河中游2021年12月1日—2022年11月30日来水处于平水年份。(3)博尔塔拉河中游上段,地下水转化补给地表水;中段昆得仑渠首-查乡大桥段地表水大量入渗补给地下水,入渗系数为0.67,入渗率与来水量呈显著负相关关系;下段,地下水再次溢出地表。博尔塔拉河中游河段共经历了3次地表水与地下水转化,总体表现为地下水溢出补给地表水。

新疆焉耆盆地农田耗水有效性评价

西北干旱地区受监测资料匮乏等因素,难以实现区域尺度的水资源消耗效用评价。使用MODIS遥感数据驱动混合双源梯形蒸散发模型(HTEM),对焉耆盆地陆面蒸散发的时空过程进行了连续模拟,并对灌区耗水量进行有效性评价。结果表明:(1)2013—2020年焉耆盆地灌区多年平均蒸散发为624.4 mm,其中作物生育期4—10月蒸散发占全年的89.6%。(2)焉耆盆地灌区植被蒸腾与土壤蒸发多年平均分别为508.9 mm和115.5 mm,各占总蒸散发的81.5%和18.5%。(3)焉耆盆地灌区多年平均蒸散发耗水量13.82×10^(8)m^(3),其中高效、中效和低效耗水分别占总耗水量的81.5%、5.6%和12.9%,且耗水有效性与植被覆盖度密切相关。在区域尺度以时空连续的方式揭示了焉耆盆地灌区蒸散发水分消耗的有效性,可为干旱区水资源管控提供可靠的理论依据。

水工建筑物虚拟仿真实验教学项目探索——以新疆农业大学为例

以新疆农业大学水利与土木工程学院的水工建筑物课程为例,分析了传统的水工建筑物专业教学及实践性环节模式已不能满足当前教学的需要,为了高质量建设学院特色专业、重点学科,完善和弥补本科教学工作和实践环节中存在的不足,虚拟仿真实验能够克服传统教学不足,强化学生对水工建筑物课程知识的理解,提高对水工建筑物特别是土石坝工程安全问题的分析能力。项目通过收集和阅读国内外现有的相关资料,制定水工建筑物虚拟仿真实验教学的详细实施方案,并建设以图片、动画、视频为主的水工建筑物典型工程案例库,为下一阶段水工建筑物虚拟仿真实验教学平台的搭建提供基础。

新疆水资源空间均衡评价

为弥补单一基尼系数法在新疆水资源空间均衡评价上的不足,需系统评价水资源与社会发展的匹配关系。选取新疆耕地面积、人口数量、工农业产值、生产总值作为影响水资源承载力的指标,采用联系数法与洛伦兹曲线相结合的方法定量分析区域水资源及子区域水资源与各指标间的均衡性,结合五元减法集对势识别子区域水资源均衡性发展态势。结果表明,2011~2018年新疆整体水资源均衡性呈先升后降趋势,且年际间均处于不均衡状态;从各指标分析可知水资源均衡性在较不均衡与不均衡间波动;从子区域水资源均衡性与态势分析可知大部分地区处于不均衡、反(偏反)势状态,加剧了水资源的不均衡性,明确了需进行水资源均衡调控的对象,为合理改善水资源均衡性指明了方向。

基于投影寻踪回归方法的微压过滤冲洗池水头损失与过滤效率预测模型

以微压过滤冲洗池的水头损失与过滤效率为考核指标,考虑进水流量、矿化度、含沙量与滤网孔径4个因素进行正交试验设计,采用投影寻踪回归方法PPR分析各个因素对考核指标的影响权重,选取20组试验数据建立含沙微咸水条件下微压过滤冲洗池水头损失和过滤效率的预测模型,探究了含沙微咸水对微压过滤冲洗池的水头损失和过滤效率的影响。研究结果表明,影响微压过滤冲洗池水头损失的因素由大到小依次为进水流量、含沙量、矿化度、滤网孔径;影响过滤效率的因素由大到小依次为含沙量、进水流量、矿化度、滤网孔径;构建的PPR预测模型的预测精度整体合格率达100%;当进水流量为6~7 m^(3)/h、含沙量为0.5~1.0 g/L、矿化度为0~2.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.180 mm时,水头损失存在最小值;当进水流量为9~10 m^(3)/h、含沙量为1.75~2.00 g/L、矿化度为0~3.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.150 mm时,过滤效率存在最大值。物理模型的试验结果可为微压过滤冲洗池的实际应用提供研究基础。

基于ERA5再分析数据的伊犁河流域干旱灾害风险评估与区划

依据ERA5再分析数据的分布特点,以0.25°×0.25°的网格为旱灾风险评估的基本单元,从危险性、脆弱性、易损性和防灾减灾能力4个方面选取12个指标,采用AHP-熵值法确定指标权重,对基础数据资料匮乏的伊犁河流域构建干旱灾害风险指数模型,进行干旱灾害风险评估与区划。结果表明,分时段校正后的ERA5再分析降水数据精度显著提高,可用于干旱灾害风险评估;次高、高危险性区域主要分布在研究区西北部和东北部,次高、高脆弱性区域主要分布在海拔较高的山区,次高、高易损性区域主要分布在伊宁市及周边地区,次高、高防灾减灾能力主要分布在研究区西北部,分别占研究区总面积的33.45%、31.04%、16.13%、15.09%;旱灾风险区划图显示,低、次低风险区主要分布在研究区西南部,次高、高风险区主要分布在研究区西北部,分别占研究区总面积的44.69%、22.53%。

奎屯河流域地下水水化学特征及成因分析

了解地下水水化学特征及其成因,有助于评估地下水水质、识别污染源、制定水资源管理策略,保障人类健康和环境。基于2017年和2023年在新疆奎屯河流域相同点位采集的共78组地下水水样,采用Piper三线图、Gibbs图、饱和指数(SI)和离子比值法分析该区域地下水特征及成因。结果表明:(1)奎屯河流域2023年地下水水化学特征类型相较于2017年趋于集中,阳离子和阴离子分别向Na型和Cl型转化。(2)山前洪积倾斜砾质平原和冲洪积细土平原主要受岩石风化作用控制,冲湖积细土平原主要受蒸发浓缩作用控制且有增强的趋势。中下游细土平原的离子组分主要来源于蒸发岩溶解且有增强的趋势,山前洪积倾斜砾质平原的离子组分主要源于碳酸盐和硅酸盐矿物溶解。下游冲湖积细土平原受阳离子交替吸附作用较强,导致Na~+浓度上升。奎屯河流域地下水离子在冲洪积细土平原北部和冲湖积细土平原出现富集,部分指标已超过中国饮用水标准,且已有10%的水样不适合灌溉。研究成果可为奎屯河流域地下水合理利用以及防治提供参考。

新疆平顶山胶凝砂砾石坝的设计与施工

胶凝砂砾石坝是近年来发展的一种介于土石坝和重力坝之间的新型坝,其剖面设计是在上游设置防渗层,坝体依靠填筑低强度的胶凝砂砾石材料维持稳定。文章主要阐述了胶凝砂砾石作为坝体填筑材料在木垒平顶山挡水坝中的应用,为了解胶凝砂砾石坝的工作性状,对该坝的设计与施工进行实例分析。通过该工程的实践以及现场质量检验结果分析,表明该坝型具有对坝基承载能力要求低、坝体断面小、经济环保等优点;并且胶凝砂砾石的强度指标离散性较小,坝体施工强度和施工质量均能满足大坝工作性能要求。该胶凝砂砾石坝的成功建设对类似工程设计与施工具有重要的实践意义。

新疆祁漫塔格地区地下水化学特征及成因分析

为了解新疆祁漫塔格地区地下水化学特征及主要离子来源,依据地下水采样调查数据,综合利用数理统计分析、Piper三线图、Gibbs图、离子比值和水文地球化学模拟等方法进行分析探讨。结果表明:研究区地下水总体呈弱碱性;地下水化学类型主要为Na-Cl·SO_(4)型、Na·Mg-Cl·SO_(4)型和Na·Mg-Cl·SO_(4)·HCO_(3)型;蒸发浓缩作用和岩石的风化溶解是影响和控制研究区地下水化学成分的首要因素,其中,岩石的风化溶解以蒸发岩(石膏和盐岩等)和硅酸盐(钾长石、钠长石、钙长石和镁长石等)的溶解为主。