旱区地下水文与生态效应研究现状与展望

围绕旱区地下水文与生态效应面临的科学问题以及国家生态文明与"一路一带"建设对地下水学科研究需求的紧迫性,分析了旱区地下水形成演化机理,研究了旱区地下水的功能。在此基础上,围绕6个重大科学问题分析了国内外研究现状、存在的问题与发展趋势,针对旱区地下水文与生态效应研究存在的瓶颈和国家的需求,提出了亟待解决的关键科学问题,助力于我国地下水科学的创新发展和国家经济建设。

吉兰泰沙漠盆地高氟地下水分布规律与形成机理

【目的】分析吉兰泰沙漠盆地高氟地下水分布规律,探究绿洲径流区地下水超采对氟解离、迁移和富集的影响机理。【方法】基于SPSS24.0和ArcGIS软件对水化学特征进行数据统计和空间分析;采用Piper三线图、离子比值、Gibbs图解与饱和度指数等方法,结合1980—2020年查哈尔滩绿洲地下水位监测数据和开采数据,探究其高氟地下水水化学特征及成因。【结果】(1)从山地补给区→绿洲径流区→沙漠盐湖排泄区,地下水化学具有分带规律,矿化度、钾离子、钠离子、F-质量浓度逐渐增大,F-质量浓度为0.2~3.4 mg/L;(2)盐湖区地下水F-呈环形岛状分布;沙漠盆地地下水化学的形成主要受含氟岩石的风化作用和蒸发浓缩等自然因素影响;(3)绿洲径流区地下水超采驱动吉兰泰盐湖劣质地下水入侵沙漠绿洲,灌溉回归水的淋滤作用改变了土壤氟解离和迁移模式,导致地下水咸化、高氟化。【结论】综上可知,盐湖排泄区和绿洲径流区地下水氟富集反映了沙漠盆地水文生态环境退化,应采取管灌、滴灌等节水灌溉方式和压缩耕作面积等措施,使查哈尔滩绿洲年地下水开采量减少至700×10^(4)m^(3),以抑制吉兰泰沙漠盆地绿洲灌区的地下水高氟化趋势。

基于自适应多保真度Co-Kriging代理模型的地下水污染源反演识别

为高效率高精度地进行地下水污染源反演识别,综合运用高保真度和低保真度地下水溶质运移数值模拟模型,研究应用集成差分进化算法的Co-Kriging方法建立模拟模型的多保真度代理模型;在此基础上,探索应用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)-DREAM_((D))算法,并采用自适应更新多保真度代理模型策略进行地下水污染源反演识别.为验证上述方法的有效性和可行性,开展了数值算例研究.结果表明:相比仅基于高保真度模型输入-输出样本构建的Kriging代理模型,联合运用高保真度和低保真度模型输入-输出样本构建的Co-Kriging代理模型对模拟模型的逼近精度更高;耦合多保真度Co-Kriging代理模型和MCMC-DREAM_((D))算法能够得到较高精度的污染源反演结果,且能够大幅度减小计算负荷;同时,采用自适应更新多保真度代理模型策略能够进一步提高污染源反演识别精度.

耦合敏感性分析与两阶段马尔科夫链蒙特卡洛算法的地下水污染溯源辨识

为高精度地开展地下水污染溯源辨识,在对污染源参数进行敏感性分析的基础上,研究应用两阶段马尔科夫链蒙特卡洛(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)算法辨识确定污染源参数;同时,探索应用多层感知机(Multi-layer Perceptron,MLP)方法构建地下水污染运移数值模型的代理模型,用以提高地下水污染溯源辨识的效率。为验证上述方法的有效性和可行性,开展了两个数值算例研究。结果表明:采用MLP方法构建的代理模型对地下水污染运移数值模型的逼近精度高,不仅能够有效提升地下水污染溯源辨识效率,还能保持良好的计算精度;所提出的耦合敏感性分析与两阶段MCMC算法能够显著提升低敏感性污染源参数的辨识精度。

干旱区绿洲新疆石河子垦区地下水生态系统安全评价

为评价干旱区绿洲新疆石河子垦区的地下水生态系统安全状况,基于自然、生态、环境、社会和经济5个属性构建了地下水生态安全评价指标体系,运用主成分分析法和灰色关联分析方法筛选16个指标作为干旱区绿洲地下水生态安全评价指标,制定了适合于干旱区绿洲的地下水生态安全等级与评价标准,基于层次分析法和熵值法进行了指标权重分配,确定了各项评价指标在不同安全等级的隶属函数,应用模糊综合评判法对研究区内5个灌区的地下水生态安全状况进行评价.结果表明:(1)石河子灌区、金安灌区和玛纳斯灌区对基本安全级别的隶属度最高,分别为32.2%、35.4%和27.5%,3个灌区的地下水生态系统处于基本安全状态,区域面积占垦区总面积的51.8%;(2)莫索湾灌区地下水生态系统处于危机状态,相应的隶属度为27.2%,区域面积占垦区总面积的16.8%;(3)下野地灌区地下水生态系统处于不安全状态,相应的隶属度为28.8%,区域面积占垦区总面积的31.4%.研究显示,评价结果与实际情况基本相符,综合反映了该区域人类活动与地下水、生态系统的相互关系,证明了模糊综合评判法在干旱区绿洲地下水生态系统安全评价中具有一定的应用价值.

浮游生物对渭河水环境的响应机理及生态效应

【目的】为探究浮游生物对渭河陕西段水环境的响应机理及生态效应,【方法】以渭河陕西段为研究区,于2021年4月共设置14个采样点,采集14份水样,分析浮游生物群落结构空间分布特征;评估浮游生物群落的均匀性、物种丰富度和多样性时,常用Pielou指数、Margalef指数和Shannon-Weiner指数,并评价断面水环境质量;利用典范对应分析(CCA)和冗余分析(RDA)识别环境因子对浮游植物和浮游动物群落空间分布的影响程度。【结果】结果表明:渭河陕西段浮游植物共有7门55种,硅藻门种类数最多(49.09%),优势种有6种;浮游动物共3门22种,轮虫占比最高(68.18%),优势种有4种;浮游植物的H′、J及d变化范围分别为1.017~4.025、0.267~0.890、0.446~1.099,浮游动物其指数变化范围分别为0.811~2.459、0.754~1.000、0.126~0.542;CCA分析显示,影响浮游植物群落空间分布变化的环境因子主要有TP、NH_(3)-N和pH;根据RDA分析结果显示,对于浮游动物群落结构的主要影响因子,化学需氧量(COD)和水温(WT)起到了关键作用。【结论】结论显示:渭河陕西段浮游生物指数变化显示研究区域呈现清洁—中污染状态;根据《中国淡水藻类—系统、分类及生态》《环境和指示生物(水域分册)》中浮游植物和浮游动物的水污染指示物种判断水环境状况,对比本研究浮游植物和浮游动物的多样性指数评价水环境质量,得出浮游动物对水质评价的响应结果更加准确。通过构建水环境-浮游生物对比判断模型,选择区域更加准确的评价指标,有助于提高浮游生物对水生态环境指示作用的准确性,进而揭示浮游生物对水生态环境的响应机理。以上结果可为渭河流域水生态环境保护提供理论参考。

定边县山前平原地下水水化学特征分析及水质评价

为掌握定边县山前平原地下水水化学特征和水质情况,针对采集的93个地下水水样,使用WQI水质指数法、人类健康风险评价模型、离子比值法、Piper三线图和Gibbs图等对地下水水质、水化学特征以及硝酸盐引起的人类健康风险进行评估。结果表明:研究区地下水水化学成分主要受蒸发结晶、溶滤作用和阳离子交替吸附作用的影响;研究区水质整体较差,主要受地质条件和人类活动的影响,其中NO_(3)^(-)污染较为严重,水质由南向北、由山区向平原逐渐变好;地下水中的硝酸盐污染会对人体健康产生危害,儿童因硝酸盐产生的健康风险高于成年人。

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。

地下水回灌过程中水文地质参数的反演

根据回灌过程中水文地质参数的特点,建立相应的反演优化模型,以西安市北郊某回灌试验为例,利用改进遗传算法求解,并将求解结果与瞬时渗透系数进行对比。结果表明,回灌过程中渗透系数符合指数衰减函数;在渗透系数为常量和变量2种情况下,对比4种求解方法,结果显示,在回灌过程中,将渗透系数设为随时间衰减变量的优化模型,更符合回灌实际情况,利用相应的改进遗传算法进行求解,误差更小,结果更可靠。

天山北麓地下水基于生态水位的调控模拟分析

针对地下水资源可持续利用与表生生态协调发展的问题，在对天山北麓野外调查及已有研究结果分析的基础上得出细土平原区生态水位埋深为3～6m。应用数值模拟技术对现状及调整开采布局后地下水位引起的表生生态效应进行对比，结果表明：现状地下水资源开发布局不仅易诱发表生生态负效应，而且造成了水资源浪费；通过调控地下水状态可以实现地下水资源可持续利用与表生生态协调发展的目的，并确定了不同地貌单元地下水开采阈值即山前戈壁带、细土平原区和沙漠边缘分别为7．3亿m^3／a，16．4亿m^3／a和2．4亿m^3／a。

面向生态的矿区地下水位阈限研究

分布在干旱半干旱地区的植被,由于降水不足以维持其长期生存,需要地下水提供部分或全部水源,因而对地下水有一定的依赖性。煤层开采破坏含水层后地下水位会大幅降落,这在一定程度上会给依赖地下水植被造成水分胁迫,进而控制生态系统演化过程。针对榆神矿区煤层开采引起地下水位变化的基本特征,提出了生态安全约束下矿区地下水位控制阈值的确定方法。研究表明,植物根系与地下水毛细上升带保持接触时,植物就可以吸收利用地下水,因此本文将最大毛细上升高度与根系长度之和作为植被利用地下水的最大临界埋深。在毛管流理论指导下,以颗粒排列方式与孔隙直径大小的关系建立了最大毛细上升高度计算公式,并给出了通过颗粒级配曲线确定最大毛细上升高度的方法。据此计算的毛乌素风积沙最大毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0 m,进一步确定了榆神矿区生态安全约束下的矿区水位控制下限为4.0 m。在此基础上,以2016年地下水流场基准,以水位埋深4.0 m为界将榆神矿区划分为生态约束区和无约束区。水位埋深小于4.0 m的区域植被对地下水依赖程度高,属于生态约束区,煤层开采造成地下水位下降极易使植被遭受水分胁迫,因而是矿区生态环境保护的重点。研究成果阐明了榆神矿区生态环境及地下水位对煤层开发的限制条件,为进一步推进保水采煤技术的发展奠定了理论基础。

地下水库综合效益评价研究

地下水库综合效益评价对地下水库的规划、建设和管理具有重要的科学意义和应用价值。为研究地下水库在修建和运行过程中对水资源、生态环境、社会经济的影响,在对地下水库综合效益内涵探讨的基础上,从整体角度构建地下水库综合效益评价指标体系,以拟修建的陕西省石川河富平地下水库为例,选取适宜的指标,采用实数编码的加速遗传算法优化投影寻踪分类模型,对基准年2018年和规划年2030年石川河富平地下水库综合效益进行评价。结果表明:石川河富平地下水库效益良好,地下水库修建后运行至2030年时,具有较好的生态维护价值和水资源恢复效果,间接论证了修建该地下水库的必要性,为其后续规划设计和管理运行提供了重要的决策支持。该评价指标体系切实可行,可广泛应用于地下水库综合效益评价。

石川河河谷区地下水人工补给潜力与补给方式

为实现石川河地下水位的有效回升进而维持采补平衡,需在该区实施地下水人工补给工程,并确定合理的补给位置及有效的补给方式。选取地下水埋深、坡度、含水层厚度、含水层渗透系数、与环境敏感区距离和给水度6个指标,运用空间分析技术对人工补给地下水地点适宜性进行评价;在此基础上建立三维地质模型分析典型人工补给潜力区的地层结构,探索可行的地下水人工补给方式。结果表明:适宜进行人工补给的高潜力和较高潜力区域主要分布在研究区中部及东南部,面积达48.01 km^(2),占研究区总面积的32.0%。建议:在石川河河道中上游高潜力和较高潜力区域的北部修建地表入渗池或渗坑;在河道中上游高潜力和较高潜力区域南部和河道中下游的较高潜力区域布设反滤回灌井群;可沿石川河河道中上游高潜力与较高潜力区域之间布置一条长约4.5 km的渗渠,利用河道进行入渗补给。研究结果可为地下水库的修建提供参考。

榆神矿区地下水与生态环境演化特征

采矿活动一般都会造成矿区水文地质条件的变异,进而影响地下水流场及生态环境。为研究榆神矿区近15年采煤活动对地下水及生态环境的影响,通过对比2000年和2016年榆神矿区地下水流场形态,指出了煤炭资源开采后榆神矿区地下水位变化规律;采用同时段2期ETM+遥感影像解译了煤炭资源开采后土地荒漠化演化特征。结果表明:矿区开发建设中矿井涌水量占萨拉乌苏组水资源总量的3.22%,造成968 km2矿区地下潜水位下降幅度超过1 m,占矿区面积的18.4%,其中下降幅度大于8 m的区域集中在麻黄梁镇;2000—2016年间榆神矿区土地荒漠化呈逆转趋势,重度荒漠化和中度荒漠化土地面积锐减与非荒漠化土地面积剧增是其主要特征;矿区地下水位下降较大的地区土地荒漠化并未发生明显变化,二者之间没有统计相关性;干旱半干旱区煤炭资源开发受地下水的制约,水位上限必须小于最大毛细高度,水位下限以植被根系长度与地下水最大毛细上升高度之和来确定。据此,榆神矿区水位埋深上限为0.5 m,下限为4.0 m。榆神矿区地下水位下降明显的区域并未引起土地荒漠化发展,是由于这些地区植被对地下水依赖性较弱,尽管如此,干旱半干旱区矿区开发建设仍要重视地下水位阈限的约束,推行保水采煤技术。

石川河富平地下水库渗透系数空间变异性研究

渗透系数的空间变异性研究是进行地下水库人工回灌的基础。为研究石川河富平地下水库渗透系数的空间变化规律,引入Box-Cox变换及Johnson变换对库区65组野外双环渗水试验及勘探孔数据进行预处理,并以变异函数为工具,运用传统统计学和地统计学方法分析渗透系数的空间变异性。结果表明:库区等效渗透系数变化范围为0.02~6.44 m/d,既服从对数正态分布也服从Box-Cox变换的正态分布。渗透系数空间相关程度中等,最优拟合模型为高斯模型。基于最优模型,渗透系数插值结果整体上呈现西北方向较大、东南方向较小的特点,在梅家坪镇及南社乡附近最大,范围为2.84~6.44 m/d,空间变异尺度小;在觅子乡、庄里镇附近变化明显,空间变异尺度大;在东上官乡南部最小,均小于0.2 m/d,变异尺度小。空间变异受地形、地貌、地层岩性、水文气象条件、试验点及勘探点分布、人类活动等因素的综合影响。回灌位置应选择在梅家坪镇等渗透系数大,空间变异尺度小及受人为扰动影响小的地段。研究结果可为地下水库建设提供理论参考。

关中盆地浅层地下水水文地球化学分布特征研究

以揭示地下水化学场的形成机理为研究目的,在了解关中盆地水文地质的基础上,分析了地下水的水化学特征,讨论了其形成机理。结果表明:水化学类型、矿化度、硬度均具有明显的水平分带特征,但由于受到地质地貌和水文地质不同的制约,又各有特点;离子含量的分布与pH值、矿化度、硬度和水化学类型的分布规律有着一定的联系;离子的变化趋势的大小明显受到矿化度大小的约束,且地下水动力场对化学场起着控制性作用。

天山北麓面向生态的地下水资源优化配置研究

为了实现地下水资源开发与表生生态协调发展,针对天山北麓水资源开采现状存在的问题,应用数值模拟技术对地下水资源进行了优化配置。结果表明:地下水可开采量与水位埋深呈反相关关系,水位埋藏越浅,可开采量越大,沿着山前戈壁—冲洪积扇—冲积平原—沙漠边缘的格局,地下水分配比例依次为5%、19%、73%、3%,开采阈值为24.1×10~8m^3·a^(-1),较现状年增加的开采量主要来自夺取潜水的无效蒸发量。

过硫酸盐缓释材料的制备及其在地下水有机污染修复中的应用研究

作为一种可控缓释技术,过硫酸盐缓释材料可以持续稳定释放过硫酸盐,延长了活性组分的作用时间,对地下水中污染物的修复起到了长效的积极作用,缓释过硫酸盐在地下水污染修复领域中引起广泛关注。文章从多角度对过硫酸盐缓释材料的缓释过程和作用机理进行综述,总结了过硫酸盐缓释材料的制备方法和释放机制,概括了影响过硫酸盐缓释材料综合性能的因素,以及过硫酸盐缓释氧化材料在地下水有机污染修复中的研究及应用进展,并对硫酸盐缓释材料未来的研究方向和关键问题进行展望。

生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响

为研究生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响机制,结合野外裸土区和植被覆盖区两个原位试验点的观测数据,以两种模式下的降水—土壤水—地下水转化过程为研究对象,在遥感解译和野外原位观测试验的基础上,采用数值模拟分析不同叶面积指数条件下的植被耗水特征和降水入渗系数。研究结果表明:矿区尺度的植被指数和植被净初级生产力都呈持续增加现象,表现为低覆盖区连续减小,中、高覆盖区持续增大;裸土区20 cm处土壤总水势最大,表现为土壤水自20 cm处向上、下两侧运移,较易接受大气降水的补给。植被覆盖区土壤总水势远低于裸土区的土壤水势,在根系密集区出现水势低点,表现为上部、下部和侧向的土壤水向植被根系处运移,不易接受大气降水的补给;裸土区地下水位表现出缓慢上升的趋势,以低强度的入渗补给为主;植被覆盖区地下水位表现出明显的持续下降趋势,以高强度的蒸发排泄为主。受植被蒸腾耗水影响,地下水面处水分垂向交换量由-0.035 cm/d(入渗)增加至0.480 cm/d(排泄),使得水分运移方向和水分垂向交换量都发生明显改变;随着叶面积指数的增加,植被耗水量呈增加趋势,土壤中向下运移的水流通量逐步减小,导致地下水接受降水的补给量减小,表现出随着叶面积指数的增加,降水入渗系数逐步减小。数值模拟结果表明,裸土条件下风积沙的入渗系数为0.54,随着叶面积指数由0增大至3.5,入渗系数减小至0.198,减小幅度高达63.3%,对榆神矿区的地下水补给产生重要的影响。在榆神矿区植被恢复的工程实践中,应优先考虑植被类型和植被覆盖度两个基本要素,选择耗水量较小的植被类型和适宜的植被覆盖度,避免出现由于区域生态耗水量过大引发的降水入渗补给量大幅减小的现象发生,以实现生态脆弱矿区植被恢复与地下水资源保护的协调发展。

保定平原区地下水生态水位阈值的探讨

地下水具有重要的生态价值,地下水生态系统中的地下水位、水质和包气带含水率与含盐量的变化驱动着表生生态格局的演变,但目前对各变量的生态阈值研究尚处于起步阶段,理论与方法体系还不完善。以保定平原区为例,采用地下水位及地下水生态环境的历史回归法、GIS法、差分网格计算法等方法,从时空角度分析了地下水位变化的驱动力以及生态效应,在此基础上确定不同水文地质单元的生态水位阈值。研究表明:(1)20世纪50—60年代,研究区依赖于地下水的生态格局基本维持着天然状态;1959—2000年,地下水位持续下降,局部地段出现降落漏斗;2000—2008年,地下水位骤降,降落漏斗迅速扩张,地下水与地表水补排关系发生变异;2008年至今,部分区域地下水位逐渐上升。(2)研究区内山前地带地下水生态水位埋深为10~15 m,拒马河冲洪积扇群与漕河—瀑河冲洪积扇群为5~10 m,唐河—大沙河冲洪积扇群为3~5 m,冲积平原中定州—望都范围为3~5 m,保定市为10~15 m,其余均为5~10 m,冲湖积平原环淀区域小于3 m。(3)以确定的地下水生态水位为标准,初步估算研究区现状地下水位恢复至生态水位的需水量为57.14×10^(8) m^(3)。研究成果对恢复当地地下水生态环境格局有重要意义,对华北平原地下水生态水位的确定也具有借鉴意义。