鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研究

地下水系统研究是正确评价和合理开发利用区域地下水资源的基础,也是区域地下水资源规划的重要依据。在对鄂尔多斯盆地白垩系岩相古地理和含水介质空间展布研究的基础上,应用区域地下水动力场、水文地球化学场和深井Packer系统所获得的不同深度的水位数据以及同位素资料,将白垩系地下水流系统概括为局部水流系统、中间水流系统和区域地下水流系统3种类型。以盆地中部的白于山地表分水岭为界,划分为南北2个地下水亚系统和5个分支系统,其中南部黄土高原地下水亚系统为典型的自流水盆地,而北部沙漠高原地下水亚系统则具有潜水盆地的特征。     

改变入渗强度的地下水流模式实验

自Tóth提出地下水流系统理论以来,大多学者基于定水头上边界的解析解或数值模拟研究地下水流系统发育特征,尤其是多级水流系统模式。认为复杂的盆地"地形势"就会发育多级地下水流系统,简单地形发育单一地下水流系统。利用自主研发的地下水流系统砂槽模型进行系列实验发现,实验条件下(模型尺寸、介质和多个河谷不变)水流系统的发育受控于降水入渗强度。得出随着降水入渗强度的增大,水流系统模式由单一的区域水流系统,到复杂的多级次水流系统,再到局部的水流系统的结论;盆地多个势汇中,只有实际成为地下水排泄点的汇势才能影响地下水流系统模式,而其他的势汇只是可能的潜在势汇。实验表明,用定流量上边界(降水入渗强度)能够更好地揭示盆地地下水流系统模式发育与变化机理。     

通量上边界与水头上边界方法的地下水流系统模拟对比

水头上边界方法（简称水头法,GHB）给定了潜水面形态和固化了排泄点,限制了不同地下水流系统模式的形成与转化。分别用数值法进行了通量上边界（简称通量法,FUB）与水头上边界的地下水流系统对比模拟。结果表明：嵌套式多级地下水流系统（Tóth典型模式）在运用水头法和通量法进行系统转化模拟时,得出的水流模式可能相似或完全不同;通量法在条件（盆地形态、入渗强度等）改变时潜水面能够自动形成,从而得出不同变化条件下的水流系统特征;水头法由于给定了潜水面和固化了排泄点,在改变盆地其他因素时,盆地补给（排泄）也发生同步改变,此时地下水流模式不是单因素变化的结果,因此在给定条件下不能得出完整的地下水流系统变化模式。基于通量法与水头法在地下水流系统模拟中的优势与不同,在进行盆地地下水流系统理论和实际研究时,应该综合2种方法的特点,结合实际资料条件进行方法的选取与应用。     

鄂尔多斯盆地多级次地下水流系统中硝酸盐分布特征及其成因

水资源短缺的鄂尔多斯盆地内地下水遭受硝酸盐(NO3-)污染等问题日益突出,识别盆地不同地下水流系统的NO3-分布规律及其成因,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义.选取鄂尔多斯盆地北部湖泊集中区白垩系地下水系统为研究对象,基于水化学和聚类 主成分分析划分地下水流系统级次,在此基础上对比分析不同级次地下水流系统中NO3-分布特征,综合水化学和环境同位素分析识别多级次地下水流系统中NO3-来源及其潜在过程.研究表明:研究区ρ(NO3)超出地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准的地下水样品集中在局部-中间地下水流系统,其超标率达到28％;区域地下水流系统中ρ(NO3)均值约为1 mg/L.研究区不同级次地下水流系统中ρ(NO3-)分布特征主要与人类活动影响程度有关,而地下水蒸发富集和反硝化衰减作用对ρ(NO3-)的影响可以忽略.其中,局部-中间地下水流系统受到人类活动产生的污染影响显著,其NO3-污染主要来源于无机铵肥和粪便污水等;区域地下水流系统可能尚未受到人类活动污染,其NO3-来源于天然有机氮矿化.     

盆地地下水流模式及其转化与控制因素

Tóth(1963)在复杂盆地给定上边界水头条件下, 推演出多级次地下水流系统.运用此方法探讨水流模式, 改变盆地介质或盆地深度等条件, 盆地水均衡会同步发生变化; 同时, 给定上边界水头也固化了盆地的势源与势汇的位置与数目, 这与实际条件不相符合, 也限制了地下水流模式的转化研究.在总结实验条件下多级水流系统特征的基础上, 提出了通量上边界的地下水流系统模拟方法(简称CUG-GWFS方法), 并进行了水流系统数值模拟.结果表明: (1)在多个可能势汇的盆地中, 可以发育5种地下水流模式, 即: 简单区域水流系统(RS)、局部+区域两级嵌套水流系统(LS+RS)、局部+中间+区域三级嵌套水流系统(LS+MS+RS)、局部+中间两级嵌套水流系统(LS+MS)和简单局部水流系统(LS).(2)盆地地下水流模式受盆地入渗强度、介质条件、盆地长度与深度比值, 以及盆地可能势汇的多少与位置的影响.(3)保持其他条件不变, 单独加大盆地入渗强度比R_ic, 或加大盆地长深比R_ld, 盆地水流模式按照上述5种模式呈现有序转化.      

通量上边界渗透系数随埋深增加指数衰减的地下水流系统

地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,研究不同控制因素对盆地地下水流系统发育模式的影响具有重要意义。近年来的研究表明利用通量上边界能够更好地揭示盆地不同要素对地下水流系统模式转化的影响。基于通量上边界,采用数值模拟方法,研究稳定流条件下,渗透系数随埋深呈指数衰减的非均质含水层对盆地地下水流系统模式转化的影响。结果表明:随着渗透系数随埋深指数衰减程度的加大,盆地潜水面整体抬升,盆地上部地下水流速增大,水力梯度增大;同时,盆地地下水流系统由复杂的多级次水流系统到单一的局部水流系统,顺向局部水流系统占据的空间消减,而逆向局部水流系统占据的空间增大,流速近似为零的局部滞留区域向左下方移动。     

多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

20世纪60年代初期,Tóth基于定水头上边界条件推导出解析解,得出多级次地下水流系统,是水文地质学里程碑式的突破,成功地解决了一系列理论和实际问题.但T6th解析解存在的缺陷也长期沿袭:单纯重视数学模拟而忽视物理机制;将地形控制地下水位看成是普适性规律;忽视给定水头上边界数学模拟的失真.这些缺陷,尤其是忽视物理机制探...     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

反向地球化学模拟技术在深层地下水14C年龄校正中的应用——以鄂尔多斯白垩系盆地典型水流路径为例

本文以鄂尔多斯白垩系地下水盆地为例,利用反向水文地球化学模拟技术识别出影响区内深层地下水碳酸演化的主要作用并进行深层地下水14C年龄的校正.结果表明:控制鄂尔多斯白垩系地下水盆地南区深层地下水化学演化的主要反应路径为碳酸盐矿物、伊利石或绿泥石的沉淀反应、长石、石膏矿物等的溶解以及Ca-Na的离子交换;北区为方解石溶解、白云石沉淀的非全等溶解反应、伊利石的沉淀反应、长石的溶解反应以及Ca-Na的离子交换.南区地下水流路径上所发生的水文地球化学反应对路径上14C的浓度变化影响较小而北区影响较大.地下水14C年龄校正结果表明,盆地南区深层地下水14C年龄(22969 a)明显老于北区(3 967 a).     

大陆裂谷盆地演化的流体驱动力动态研究

本项研究是应用连续压实作用、实密度地下水流动力和热传导／对流交换等的二维有限元模型，定量反映大陆裂谷初始断陷和挠曲坳陷阶段的流体动力学。分析过程中为了确定地质上相关的盆地沉降和基底热流的边界条件，也结合了两个阶段裂谷下岩石圈热演化的伸展／冷却地球动力模型。在确定盆地演化期主要的流体驱动力（压实、密度和地形）方面，通过该模型获得的动态研究能反映渗透性和地下水位结构的控制作用。动态分析中考虑了许多代表     

半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

内蒙古鄂尔多斯西北土壤水流动示踪实验及自流井群补给源讨论

降水模拟实验证明,鄂尔多斯北部沙土层单次降水入渗最大深度小于1 m,降水在土壤中受到蒸发后排泄到大气中。实验证实,只有当土壤含水率达到最大田间持水率,吸附在土颗粒表面的薄膜水才能克服电磁引力转化为重力水,在重力的作用下继续下渗。鄂尔多斯北部的年降水量小而蒸发量大,降水入渗土壤不能形成累积效应,无法形成连续下渗的重力水流。同位素示踪分析表明,土壤水主要来源于地下潜水,结合土壤含水率与TDS分析证实,地下水是通过薄膜水与蒸发-凝结方式补给到土壤水中,薄膜水从高温区向低温区流动,对于等温的薄膜水而言,薄膜水从厚层向薄层流动。同位素分析表明,都思兔河流域的河水、泉水、井水、湖泊、土壤水接受相同的外源水补给。鄂尔多斯盆地降水比地表水与地下水明显富集重同位素,不符合补给区降水同位素特征。鄂尔多斯盆地地下水分水岭与基底断裂带重合,据此推断,外源水以深循环方式通过基底断裂带补给鄂尔多斯盆地,在干旱地区形成自流井群。     

鄂尔多斯盆地上古生界储层现今地下水动力场及其流体特征

油气的运移、聚集与地下水动力场的形成与演化紧密相关。含油气沉积盆地地下水动力场的理想模式可以归纳为两种,即对称型和不对称型,其中局部地下水动力单元可以划分为：（1）泥岩压水离心流;（2）大气水下渗向心流;（3）越流、越流－蒸发泄水;（4）滞留4种类型。本文试通过讨论鄂尔多斯盆地现今地下水动力场的特征,推断其油气的运移和聚集,这对分析鄂尔多斯盆地上古生界气田的形成,以及资源评价和勘探决策都具有极其重要的意义。     

玛纳斯河流域地下水水位变化及水量平衡研究

天山北坡玛纳斯河流域地下水长期大规模开采引发了一系列生态环境问题,地下水均衡状态和地下水流动模式明显发生了改变。为研究节水灌溉条件下的地下水系统流动模式及其对地下水均衡要素的改变规律,以平原绿洲区为研究对象,采用三维地下水数值模拟方法,研究玛纳斯河流域地下水水位动态变化及水量平衡规律。结果表明:研究区地下水水位的抬升和回落受农业灌溉的影响显著,具有一定的周期性,存在着明显的时空差异;地下水均衡处于负均衡状态,补排差为-2.81×108m3。模拟期内观测水头与计算水头两者相关系数各月均在0.81以上,模拟效果较好。     

Mass balance simulation and its application to refining flow field in Binchang area,China

Groundwater flow fields in aquifers are often determined by water level data measured in monitoring wells. The flow field can be further refined by mass balance simulations, especially when groundwater level data is limited. The mass balance simulation is based on the principle of mass conservation and relies on water quality data in the same aquifer. The approach is applied to the Luohe aquifer in the Binchang area, China. The water-rock interactions and the hydrogeochemical evolution were studied along four typical flow paths. The study indicates that groundwater in the Luohe formation flows from the southern border to the interior of the Ordos Basin. The southern border, approximately 1,400 km², is a recharge zone, where the Luohe formation outcrops. The total dissolved solids of the groundwater in the southern boarder are less than 1 g/l, and the hydrochemistry type is HCO₃–Na. This new finding refines the flow field of the water-bearing formation, and an additional 1,400 km² is included in the water resource planning of the area.     

鄂尔多斯盆地南部彬县地区侏罗系直罗组古地貌及其对铀成矿的影响*

以鄂尔多斯盆地南部彬县地区侏罗系直罗组下段为研究对象,采用层拉平法精细恢复彬县地区直罗组下段各个时期的古地貌特征并划分古地貌单元,探讨古地貌特征对有利沉积相带分布的控制,揭示直罗组下段铀储集层的空间演化特征,明确不同时期地下水流的流向,探讨古地貌特征对层间氧化带的控制作用。辫状河道砂体为有利的铀储集层,铀矿(化)体主要赋存于辫状河砂体中,受沉积古地貌控制,主要发育在下切谷中。古地貌控制了地下古水流的流向,从而控制着氧化带的发育和铀成矿。晚侏罗世,彬县地区北部为古隆起区,容易被淋滤氧化,不利于铀矿的预富集;早白垩世—古新世主成矿阶段,直罗组底部古地貌变为“东南高、北西低”特征,含氧含铀水主要来自盆地东南缘,呈扇形沿着直罗组下段辫状河道砂体渗流,形成层间氧化带。古地貌恢复对铀储集层砂体的分布特征和铀成矿规律的研究具有重要的指导意义。     

鄂尔多斯盆地西缘煤田构造演化及其控制因素

鄂尔多斯盆地西缘位于华北陆块和秦祁昆山造山带两个一级大地构造单元之间的过渡带内,特定的大地构造背景使其具有复杂的构造演化历程及特殊的煤田构造格局。鄂尔多斯盆地西缘由贺兰山逆冲推覆构造系统和六盘山东麓逆冲推覆构造系统组成,具有"南北分段、东西分带"的特点。为了进一步探讨鄂尔多斯盆地西缘煤田构造格局的形成演化及区域构造控制因素,本文基于野外地质调查和煤田勘查资料,恢复了本区自晚古生代以来的沉降抬升史和古构造应力场特征。印支期:研究区北部最大主压应力方向为北西-南东向,南部最大主压应力方向为北东-南西向;燕山期:北部最大主压应力方向为北西西-南东东向,南部最大主压应力方向为北东东-南西西向;喜马拉雅山期:北部受北西西-南东东向拉张应力,南部最大主压应力方向为北东-南西向。采用有限元数值模拟,探讨了鄂尔多斯盆地西缘煤田构造格局的形成与区域构造的演化的关系,强调北段贺兰山逆冲推覆构造系统的形成与阿拉善地块的向东挤出逃逸密切相关。     

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用领域的研究等。