雄安新区白洋淀湿地地表水和地下水转化关系及其对芦苇分布的影响

查明地表水和地下水作用关系对湿地生态保护与修复具有重要意义。采用地表水和地下水位监测、氢氧稳定同位素分析、湖床沉积物温度示踪等方法,研究了白洋淀渗漏对周边浅层地下水的影响范围和深度,评价了地表水垂向渗漏速率,并探讨了芦苇分布面积和地表水位以及地下水位埋深的关系。结果表明：白洋淀渗漏受地质结构和水力梯度等因素影响,对浅层地下水垂向上影响深度为20 m,水平向上影响范围存在较大空间变异。周边浅层地下水的补给来源为大气降雨和地表水,其中地表水渗漏的补给比例为0~90.5%。淀区渗漏速率0.01~0.59 mm/d,和含水层埋深关系密切,埋深越小,越有利于地表水渗漏。1976-2020年,白洋淀芦苇分布面积和地表水位关系密切。当地表水位为6.3~6.8 m时,芦苇分布面积最大,在水位小于6.3 m条件下芦苇面积随着水位增高而增加,大于6.8 m条件下随着水位增高而减少。芦苇台地下水位埋深和地表水位显著相关,在2020年4-9月芦苇生长期,除雨季前期外多数时段台地地下水埋深均适宜芦苇发育,建议在雨季前期实施生态补水,通过降低台地地下水位埋深促进芦苇生长发育。研究结果可为白洋淀生态补水、渗漏防治和生态保护提供参考。     

潜流交换温度示踪方法研究进展

潜流带是河流生态系统中活跃的生态群落交错区,是地表水和地下水相互作用的重要界面。研究潜流带内存在的潜流交换机制对评估水资源的开发利用以及维持和修复河流生态系统健康有着重要意义。系统介绍了温度示踪方法的一维垂向稳态和瞬态热运移解析模型,梳理归纳了基于温度示踪的时序数据采集方法、信号分析方法和数值方法的相关研究进展,最后对比论述了温度示踪方法的优势和存在的主要问题,同时指出了地下水的多维流动、温度测量的不确定性以及非理想条件对解析模型的影响仍是未来温度示踪方法需要进一步研究的重点。     

鄱阳湖洪泛区碟形湖域与地下水转化关系分析

湖水-地下水转化关系研究对水资源调节与分配具有重要理论和实践意义。以鄱阳湖洪泛区碟形湖域(蚌湖和沙湖)及其洲滩为研究对象,利用水文学、热力学和水动力学方法来综合分析碟形湖-地下水转化关系与交换通量。研究发现,碟形湖与洲滩地下水的水位变化过程呈明显季节动态性,两者水位变化在春夏季节基本保持同步,而秋冬季节地下水位变幅要明显大于碟形湖水位变化,两者水位差约1~6m;碟形湖与洲滩地下水的水温变化范围分别为3-30℃和15~18℃,两者在春夏季节水温差异可达14℃,秋冬季节可达20℃;应用VFLUX 2模型与地下水达西定律,发现碟形湖-地下水之间的垂向交换在季节尺度上存在相互转化,两种方法估算结果在量级上比较吻合,碟形湖-地下水交换通量约8.6~43.2cm/d。     

白洋淀湿地地下水系统水化学变化特征及演化模式

在气候变化和人类活动影响下探究区域地下水系统水化学特征及演化规律,对于揭示地下水循环变化、水资源安全与管理、区域生态环境保护等具有重要作用.本研究以白洋淀湿地地区为研究对象,通过对比分析地表水、地下水水化学特征及空间分布规律,研究白洋淀地区地下水系统水化学演化作用及分区模式.研究结果表明白洋淀地区地表水、地下水水化学具...     

地下水温度示踪理论与方法研究进展

对地下水温度示踪理论与方法的相关研究做了评述,介绍了当前地质体中温度场与渗流场耦合作用模型、数值模拟技术和渗流参数反演方法,并从温度示踪方法的两个主要应用领域:地表水与地下水交换和工程地下水渗漏探测(以堤坝为例),说明地下水温度示踪的应用研究.在地质体中温度场与渗流场耦合模型方面,裂隙介质、非饱和带、复杂边界条件和非D...     

单孔示踪稀释法测定含水层渗透系数的初步应用

的平荡然地区地下水资源评价中,含水层的渗透系数无疑是重要参数之一,传统的方法是利用抽水试验求参。我们在黄泛平原邓集试区通过单孔示踪稀释法测定含水层的渗透系数,取得了部分成果,认为在地下水的运动服从达西定律时用示踪稀释法求参是可行的。试验用I—131作为示踪剂。由于投放剂量勿需过火(一般可不大于100微居里),半衰期短(T_(1/2)=8.07天),不致造成对地下     

毛乌素湖盆滩地湖水与地下水交互作用分析

湖水与地下水交互作用对于水资源合理开发与利用有着重要意义.基于温度示踪的原理,采用解析法、数值法2种方法,分析了湖床底部埋深0～0.4 m湖水与浅层地下水交互关系,并与水动力学方法进行了对比.结果 表明,2018年5月20日至28日,湖水与地下水之间的垂向渗流速度为2×10-7～1×10-6 m/s,且在埋深0.4 m...     

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。     

基于数值模拟的岩溶地下水源保护区划分技术研究

以山东省邹城市某岩溶水源地为例,研究数值模拟方法在岩溶地下水水源地保护区划分中的应用,以及水文地质参数对于水源地保护区划分结果的影响。基于GMS软件构建了研究区三维非稳定流地下水数值模型,采用质点追踪技术,通过反向追踪示踪粒子在运移100 d、1 000 d以及25 a后的位置及迁移轨迹,对该岩溶水源地进行保护区划分;改变数值模型中的主要水文地质参数,以变化后的保护区面积作为衡量参数敏感度的指标,并计算各参数的敏感度系数,研究水文地质参数对于保护区划分范围的影响。结果表明:当参数改变幅度在20%范围内时,一层垂向渗透系数(VK1)的敏感度系数最大可达到2.63×10-3,二层垂向渗透系数(VK2)的敏感度系数最大可达到3.64×10-3;垂向渗透系数的敏感度明显高于其他参数,说明垂向渗透系数对保护区划分范围的影响最大。因此,在应用数值模拟法对岩溶地下水源地进行保护区划分时,应尤其注意模型中各含水层垂向渗透系数取值的准确性和合理性。      

基于野外Guelph入渗法与室内变水头达西法的土壤饱和渗透系数变化规律

为揭示土壤饱和渗透系数的变化规律,在江汉平原杨林尾-陆溪口地区分别采用Guelph入渗仪和改进的TST-55型土壤渗透仪开展了土壤饱和渗透系数实验。结果表明:采用Guelph入渗法在粉砂质黏壤土中测得冲积物饱和渗透系数相对较大,数量级在10~(-2)～10~(-1)之间,最高达到7.50×10~(-1) m/d,最小为1.40×10~(-2) m/d;湖积物饱和渗透系数在1.86×10~(-3)～4.99×10~(-2) m/d之间;而残积物的为6.05×10~(-3) m/d,相对较小;同为粉砂壤土,相同水位埋深条件下甘蔗地和小麦地(同为耕地)的土壤饱和渗透系数明显比林地的大,这与土壤翻耕及根系、虫孔发育等有关;在相同水位埋深条件下,粉砂壤土的土壤饱和渗透系数普遍比粉砂质黏壤土的大,主要是因为粉砂质黏壤土比粉砂壤土的黏粒比重大、孔隙比相对较小的缘故。室内变水头达西法和Guelph入渗法测得的土壤饱和渗透系数分别介于5.43×10~(-5)～2.10×10~(-3) m/d和1.57×10~(-3)～7.50×10~(-1) m/d之间。室内变水头达西法所测结果明显偏小,主要原因包括:①Guelph入渗法进行现场原位测试时,土壤有效直径相对于室内变水头达西法使用的环刀直径要大得多;②室内变水头达西法所用土样为单一岩性,而Guelph入渗法为原位土层,常常具有双层或多层结构;③Guelph入渗试验期间恰逢雨季,地下水位埋深小,当支持毛细水带接近地表时,Guelph入渗试验将受支持毛细水的影响,从而使Guelph入渗法所测得的结果产生误差。     

人工补水条件下白洋淀湿地演变研究

近几十年来,在自然因素和人类活动的双重作用下,白洋淀湿地及其周边环境发生了明显变化。本文采用综合识别遥感提取技术,对近40年来白洋淀湿地面积信息进行提取并分析其变化特征,在1986—1989年间,湿地面积增加253.29 km~2;1989—1994年间,湿地面积减少181.61 km~2;1994—1997,湿地面积增加158.17 km~2;1997—2004年间,湿地面积减少170.37 km~2;2004—2016年,湿地面积增加106.09 km~2。根据湿地面积提取结果,分析湿地面积与地表水位和地下水位的关系,确定了白洋淀湿地面积变化的主要控制因子为地表水位,其与白洋淀湿地面积的相关性非常好,相关系数达0.99;白洋淀湿地面积与周边区域的地下水位动态变化呈正相关性,说明湿地渗漏量对周边区域的地下水位动态变化有一定影响。针对白洋淀湿地地表水位,采用水均衡法,分析了影响白洋淀地表水位的主控因素,主要为白洋淀湿地的入淀流量和蒸发蒸腾消耗量。通过白洋淀湿地演变及其影响因素的分析,初步揭示了白洋淀湿地与水文过程的相互影响机制,可为制定白洋淀湿地生态修复和水资源可持续利用方案等提供技术支撑和理论参考。     

高寒山区河水与地下水相互作用的温度示踪:以黑河上游葫芦沟流域为例

高寒山区的地表水与地下水相互作用的定量研究对水资源的评价及管理等具有重要意义,而目前在高寒山区开展的地表水与地下水相互作用的定量研究相对较少.以黑河上游葫芦沟流域为研究区域,采用温度示踪方法对高寒山区河水与地下水的相互作用进行了研究,并对温度示踪方法在高寒山区的适用性进行了讨论.监测了研究区两个时段的地温、河水水位、地下水水位以及河床沉积物底部不同深度处的温度,并对温度系列数据进行定量分析,计算了不同位置处河水入渗流速.结果表明:研究区河水水位普遍高于地下水水位;河床底部温度在9月份整体低于7月;流速计算结果表明监测时段内主要为河水入渗补给地下水,入渗速率整体介于2×10-6~5×10-5 m/s.温度示踪法在高寒山区的适用性分析表明:在地下水受多途径补给时,温度示踪法仅指示河水对地下水的补给,而其他水源对地下水的补给还要通过同位素方法和数值模拟等其他手段进行计算.影响高寒山区河水对地下水补给的因素主要有:河水与地下水水位、河床沉积物的水力传导系数与热容.      

原位“Darcy实验”方法研究与实践

在室内Darcy实验原理和装置的基础上,设计了一套原位“Darcy实验”装置,原位试验条件满足Darcy定律的假定条件,能够应用Darcy定律确定包气带浅表层土的渗透系数.与室内“Darcy实验”相比,原位“Darcy实验”的测试结果更能准确地反映结构性土野外状态下的渗透性能.与其它原位试验相比,该方法在获取渗透系数方面具有试验装置简单、操作方便、观测数据直观的优点.应用该方法在中国西北部半干旱的黄土台塬开展了3组测试,成功地求取了区内包气带浅表层饱和黄土的垂向渗透系数,并将测试结果与双环试验、室内渗透试验、抽水试验及颗粒分析方法求得的渗透系数结果进行对比分析,发现应用原位“Darcy实验”求取的渗透系数更能准确地反映包气带浅表层土的渗透性能.同时,总结和探讨了一套原位“Darcy实验”的技术方法.     

白洋淀渗漏对周边地下水的影响

为查明受污染的白洋淀地表水渗漏范围,对周边地下水主要离子水化学的影响,并评价地下水是否适用于灌溉,在该区域现场测定了地表水及地下水pH、EC(Electric Conductivity)和ORP(Oxidation-Reduction Potential)等参数,采样分析各水体D、¹⁸O和主要离子组成,结合判别分析和钠吸附比R_SA(Sodium Adsorption Ratio)讨论。结果表明,淀水渗漏使浅层地下水电导率升高,氧化还原电位值降低,且更加富集重同位素;唐河污水库周边浅层地下水SO₄^2-和Na⁺含量明显增大。浅层地下水的δ¹⁸O值结合水位埋深有效地标记了淀水渗漏影响地下水的范围。浅层地下水主要受到白洋淀渗漏的影响,唐河污水库附近的浅层地下水受污水库渗漏影响。污染地表水渗漏使得浅层地下水水质普遍下降,白洋淀西部和唐河污水库周边浅层地下水不适宜用于灌溉。     

地下水流动对砷迁移的影响: 大同盆地试验场的观测与模拟

地下水流动特征对水文地球化学特征具有重要控制作用, 研究分析了大同盆地地下水流动特征对高砷水迁移的影响.以山阴县桑干河南岸地下水试验场(SYFS)的监测数据为基础, 建立了河岸带三维非稳定地下水流模型.结果表明, 灌溉在很大程度上影响着地下水位动态变化.灌溉活动减慢了地下水埋深和水平地下水流速, 加速了不同岩性地层之间的垂向水量交换.粉土(L1、L2、L3和L4)、粘土1(L5)和砂1(L6)之间始终存在由上至下的垂向水量交换, 粘土2(L7)、砂2(L8)、粘土3(L9)和砂3(L10)以水平水量交换为主.灌溉水和大气降水从地表向下垂直入渗至含水层的过程中, 推动了地表和包气带沉积物中的砷逐渐向下迁移; 到达含水层后, 水平交换量占主导, 地下水在水平方向上频繁的水量交换促使As在含水层中发生水平迁移.      

Redox zonation for different groundwater flow paths during bank filtration: a case study at Liao River,Shenyang, northeastern China

The spatial and temporal distribution of redox zones in an aquifer is important when designing groundwater supply systems. Redox zonation can have direct or indirect control of the biological and chemical reactions and mobility of pollutants. In this study, redox conditions are characterized by interpreting the hydrogeological conditions and water chemistry in groundwater during bank infiltration at a site in Shenyang, northeast China. The relevant redox processes and zonal differences in a shallow flow path and deeper flow path at the field scale were revealed by monitoring the redox parameters and chemistry of groundwater near the Liao River. The results show obvious horizontal and vertical components of redox zones during bank filtration. Variations in the horizontal extent of the redox zone were controlled by the different permeabilities of the riverbed sediments and aquifer with depth. Horizontally, the redox zone was situated within 17 m of the riverbank for the shallow flow path and within 200 m for the deep flow path. The vertical extent of the redox zone was affected by precipitation and seasonal river floods and extended to 10 m below the surface. During bank filtration, iron and manganese oxides or hydroxides were reductively dissolved, and arsenic that was adsorbed onto the medium surface or coprecipitated is released into the groundwater. This leads to increased arsenic content in groundwater, which poses a serious threat to water supply security.     

Comparative analysis of groundwater formation in arid and super-arid deserts (with examples from Central Asia and northeastern Arabian Peninsula)

Groundwater formation within arid and super-arid deserts is discussed through comparative analysis. Although fresh groundwater is being formed in both types of deserts, mainly from infiltrated surface runoff, in arid deserts, infiltration is currently taking place, whereas in super-arid areas, it occurred mainly in the Pleistocene pluvial epoch. Groundwater discharge conditions are also different. In arid deserts, the discharge occurs mainly through transpiration by phreatophytes, which form phyto-hydrogeological ecosystems where the dominant factor is an interaction between groundwater and vegetation, with transpiration reaching over hundreds of mm/year and the thickness of the groundwater evaporation zone extending over 10 m. Active subsurface water exchange does not favor the preservation of Pleistocene fossil groundwater. Super-arid deserts, however, have an extremely scarce vegetative cover (low, if any), physical evaporation, a thin zone of evaporation influence, and slow water outflow. Favorable conditions therefore exist for the preservation of relict low-mineralized waters. Furthermore, arid and super-arid deserts differ by types of groundwater accumulation and horizontal and vertical zonalities. In arid deserts, hydrogeological problems are connected with the anthropogenic influence upon groundwater, and with control on rational use of surface water and groundwater. In super-arid deserts, the basic problem is depletion of fossil groundwater.     

A review on using heat as a tool for studying groundwater–surface water interactions

In terms of the research on groundwater–surface water heat-tracing methods, investigation of the interactions within the compound system of the groundwater–surface water–hyporheic zone can effectively reveal the relevant physicochemical processes and microbial properties. The evaluation of these properties represents a key component in qualitative and quantitative research on groundwater–surface water interactions. Therefore, this paper reviews the research results on groundwater–surface water interactions achieved by related researchers using heat as a natural tracer over the last decade. In connection with the application of heat-tracing theory to the basic principles of hyporheic exchange between groundwater and surface water, research on groundwater–surface water interaction through one-dimensional steady-state and transient-state heat transport analytical models, techniques to collect and analyze temperature time series data, and numerical simulation technology is reviewed. In addition, directions for future research using groundwater–surface water heat-tracing methods are suggested. First, hypothetical, difficult temperature boundary and hydrogeological conditions require further research. Second, hydrodynamic exchange capacity and the processes of heat exchange and solute concentration exchange in the hyporheic zone alongside riverbeds should be appropriately and accurately measured under multi-scale influences. Third, the overall study of the heat transport process inside the hyporheic zone induced by complex riverbed forms should be performed, and the response mechanism of riverbed hyporheic exchanges driven by riverbed form, the hydrodynamic force of surface water, and sediment permeability should be revealed. The objectives and goals of this paper are to encourage scholars interested in analyzing groundwater–surface water interactions using heat as a tracer to creatively solve practical problems and to improve the ecological functions of river aquatic habitats through new research results.