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。     

华北平原地下水生态环境水位研究

华北平原地下水合理生态水位的上限为防止土壤盐碱化水位。下限为地下水获得最大补给的理想水位。研究表明,华北平原防治土壤盐碱化地下水位埋深一般为2～2．5m,有利于获得最大补给的地下水位埋深在山前平原为10m左右,中东部平原为3～5m。     

华北平原地下水补给量计算分析

采用溴示踪法研究华北平原山前冲积平原和中部平原有灌溉和无灌溉区域的地下水补给,得到研究区平均地下水补给量为126.10 mm,平均补给系数为0.185 2,有灌溉实验点的补给量和补给系数大于无灌溉实验点。同时对示踪剂运移深度和含水量分布、降雨灌溉量和地下水埋深等影响因素进行分析。将各实验点计算结果与国内有关学者采用示踪剂法所得到的补给系数进行对比分析,论证了研究结果的可靠性,此研究成果可为华北平原地下水资源分析提供重要参考。     

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:（1）补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。（2）张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312 大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312 大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20 %;草滩庄—G312 大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×108 m3/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312 大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m3/(s·km)。（3）研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001 年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×108 m3/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×108 m3,地下水溢出量平均减少0.16×108 m3/a;而2002—2020 年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×108 m3/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×108 m3,地下水溢出量平均增加0.08×108 m3/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。（4）位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30 多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。（5）内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。     

乌鲁木齐河流域北部平原地下水流模拟

本文运用数字水文地质概念模型的方法建立了乌鲁木齐河流域北部平原的地下水流模型,并用流量边界与柴窝堡盆地和河谷区的地下水流模型相接,构成一个统一的流域地下水模型,为乌鲁木齐河流域水资源整体规划利用提供了模拟分析工具。北部平原的南部倾斜平原为砂卵砾石组成的大厚度潜水含水层,北部细土平原为多层结构。地下水总体上由南向北径流,天然状态下在交界地带溢出成泉或流入沙漠。目前,地下水循环基本上由人为控制。农田灌溉回归补给量与河流和山前侧向补给量持平;而开采量已是绝对的排泄量。季节性开采造成地下水位季节性大幅度变化。水位的下降使蒸发蒸腾量减少,减轻了由于灌溉造成的土壤盐碱化问题。     

北京平原区域地下水流模拟

为深入研究北京平原地下水资源的现状及未来的变化趋势,探讨地下水资源可持续开发方案,文章建立了北京平原三维地下水流非稳定流模型。在充分分析北京平原区水文地质条件的基础上,建立了三维数字水文地质概念模型。从区域上将北京平原含水层系统划分为5个含水层和4个弱透水层互层的多层系统。在此基础上利用GMS模型软件建立了三维地下水稳定流模拟模型和非稳定流模拟模型。首先利用1995年丰水年的地下水均衡量建立和校正了稳定流模型。之后在稳定流模型的基础上建立和校正了非稳定流模型,非稳定流模型的模拟期为1995～2005年。最后用模型分析了北京平原区地下水流场的变化趋势。与20世纪60年代天然流场相比,北京市平原区区域地下水流场发生了巨大变化。除了区域地下水位整体下降外,在不同深度的含水层形成了规模不等的地下水位降落漏斗。自1999年以来的连续干旱,导致河流基本干枯,地下水补给量减少,加之应急水源地的投入运行,使地下水贮存量被持续地大量消耗,地下水位快速下降。长期以往,必将造成含水层地下水疏干。控制和减少地下水开采势在必行。     

黑河中游盆地南部山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算

山区地下水对平原区的侧向径流补给量是一个长期争议且悬而未决的难题,这个量在西北内陆干旱盆地,被估算得或很小或很大。在总结前人研究的基础上,采用地质水文地质调查、物探、钻探、抽水试验、地下水动态观测、水化学测试、盆地地下水水位统测和综合研究等技术方法,查明了黑河中游盆地南部山盆交接带的地质构造接触关系、地层岩性接触关系及梨园河口白垩系风化壳含水层结构和水文地质参数。通过山区不同流域等级的地表水与地下水转化关系分析,将山区地下水对平原区侧向径流补给带划分为大中型河流河谷补给段和小微型河流或冲沟群流域构成的浅山带补给段。河谷补给段勘探资料较为丰富,多用达西断面流方法计算;针对浅山带补给段极为缺乏勘探资料的实际,以梨园河口断面径流量为参照,构建了浅山带岩性、汇水区面积、降水量等3 个变量的山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算方法。估算出黑河中游盆地南部山区浅山带地下水对平原的侧向径流补给量为0.40×108 m3/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×108 m3/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×108 m3/a;3 项补给量之和为0.77×108 m3/a,占盆地地下水资源量的3.0%。该研究为西北内陆干旱盆地山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算提供了一个可供借鉴的实例。     

西北内陆盆地降水入渗补给季节性变化——以新疆昌吉地下水均衡试验场为例

西北内陆盆地降水稀少,一年中有较长时间的冻结期,了解其降水入渗补给规律的季节性变化对于准确评估其地下水资源量和解释气候变化对其地下水补给的影响非常重要。采用新疆昌吉地下水均衡试验站27套地中蒸渗仪1992—2015年试验资料,应用拉依达法则筛选出长系列观测资料中的异常值,结合昌吉试验场相关气象要素观测资料划分西北内陆盆地冻结期、冻融期和非冻结期的时间区间,分析不同时期影响降水入渗补给地下水的主要因素;计算不同时期多年平均降水入渗补给量占多年平均年降水入渗补给量的百分比,确定不同季节对年降水入渗补给的重要性;依据多年平均降水入渗补给量随潜水埋深的变化规律,确定冻融期、非冻结期不同土质降水入渗的最佳潜水埋深。结果表明:在试验条件下,砂卵砾石和细砂非冻结期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土非冻结期最佳潜水埋深0.1 m;细砂冻融期最佳潜水埋深为1.0 m,砂卵砾石冻融期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土冻融期最佳潜水埋深为0.1 m;冻结期地下水位埋深对土壤入渗能力的影响十分明显,潜水埋深和降水入渗补给量之间没有显著的线性关系;冻融期是西北内陆盆地浅埋型地下水降水入渗补给的重要时期,冻结期是西北内陆盆地深埋型地下水降水入渗补给的重要时期。     

不同气候条件下华北粮食主产区地下水保障能力时空特征与机制

华北平原是我国小麦、玉米等粮食作物主产区, 粮食产量占全国的10.6%。同时, 该平原也是我国地下水超采最为严重地区之一, 在13.92万km2的国土面积上分布着石家庄漏斗、保定漏斗和邯郸漏斗等地下水位降落漏斗群, 漏斗面积超过9 700 km2。该灌溉农业以开采地下水为主要供给水源, 农业开采量占华北平原地下水总开采量的65%以上。2009年12月《科学时报》刊发文章指出, 华北平原地下水危机影响我国的粮食安全。农业灌溉用水及其开采地下水的强度和超采程度, 与气候变化密切相关。气候变化不仅影响粮食作物灌溉需水量变化, 而且, 还显著影响农业开采量和地下水补给量变化, 尤其连年降水枯水或连年降水丰水, 对粮食主产井灌区地下水流场及其保障能力影响十分明显, 是一个重要研究课题。深入开展该课题研究, 对华北平原农业区地下水资源合理开发利用和提高粮食安全保障能力具有重要意义。     

地下水系统对水资源开发利用方案的时空响应

为科学研究北方典型地下水超采城市水资源开发利用模式对地下水系统的时空影响,设计了集中开采方案、逐步减采方案和广义地表水(地表水和中水等)-地下水联合调度方案3种不同的地下水开采、限采方案;结合济宁市,利用数值模型,对不同设计方案下地下水水位的时空变化规律及区域水均衡变化规律进行了研究.与基准方案对比结果显示:集中开采方案使地下水位在局部出现了缓慢回升,而水源地附近水位下降明显,最大中心降幅达到9 m,地表水补给的增加势必提高了污染的风险;逐步减产方案使局部地下水位恢复程度较前一方案偏小,而城北水源地漏斗中心水位下降超过12 m,城南水源地亦下降达8 m,诱发的地表水体和侧向补给量变化的减少使研究区含水层存量反而减少;联合调度方案使区域地下水位普遍回升,最大地下水位恢复幅度超过4 m;而水源地地下水降落漏斗最大的仅增加4 m,区域地下水系统得到了一定程度的涵养.     

Responses of groundwater system to water development in northern China

The increased demands on water resources in northern China have had a significant impact on groundwater systems in the last three to four decades, including reductions in groundwater recharge capacity and overall water quality. These changes limit the potential for groundwater uses in this area. This paper discusses the issues surrounding groundwater system use in the eight basins of northern China as water resources have been developed. The results demonstrate that the recharge zone has shifted from the piedmont to the agricultural area, and that the total recharge rate in the basins tended to decrease. This decrease in arid inland basins was mainly caused by both the excessive use of water in the watershed area and irrigated channel anti-seepage. In semi-arid basins, the decrease observed in the groundwater recharge rate is related to an overall reduction in precipitation and increasing river impoundment. In addition, intensive exploitation of groundwater resources has resulted in disturbances to the groundwater flow regime in arid and semi-arid inland basins. Arid inland basins demonstrated fast falling groundwater levels in the piedmont plains resulting in declines of spring flow rates and movement of spring sites to lower locations. In the semi-arid basins, i.e. the North China Plain and the Song-nen Plain, groundwater depression cones developed and intersected regional groundwater flow. The semi-arid basins of the North China Plain and the Song-nen Plain have experienced significant hydrochemical evolution of groundwater characterized by changing water type including increase of TDS and pollutants.     

松嫩平原地下水位动态影响因素分析

通过对实测数据进行统计、对比并绘制相关曲线,分析研究松嫩平原气候、水文、地形地貌、地质与水文地质条件、土壤与植被等自然因素以及地下水开采与回灌等人为因素对地下水位动态的影响,认为：除降水量减少等自然因素外,人类治水工程和开采地下水等因素是造成松嫩平原水资源减少的重要原因,是影响松嫩平原地下水位动态变化的主要因素.     

华北平原气候时空演变特征

地下水是华北平原主要的供水水源,大气降水入渗补给又是该区地下水的主要补给,因此研究气候时空演变特征对于深入剖析气候变化对其地下水资源的影响具有重要意义。依据中国18个地面气候站1951-2011年逐日气候观测资料,剖析华北平原气候时空演变特征。结果表明:华北平原近60年最低气温显著升高,最高气温基本稳定,平均气温明显升高;空间上呈由西南向东北逐渐降低、由沿海向内陆增高的趋势。降水量总体呈逐渐减少趋势,空间上由山前向滨海逐渐减弱后增强;对比分析典型极端丰枯水年的降水分布特征,不同降水年空间分布差异显著。水面蒸发量整体呈下降趋势,空间上南、北部大于中部。华北平原气候总体向暖干化方向发展,两次突变主要发生在20世纪60年代中期和70年代初。气候变化和人类活动是影响地下水资源的两个重要因素,极端气候则加强了对地下水的影响。因此,定量区分气候变化与人类活动对地下水的影响是有待进一步深入探讨的问题。     

Study on the Climatic Change Features of Hebei Plain

Precipitation and groundwater are essential to water circulation and they mutually influence. Groundwater is the main water supply source in Hebei Plain. On the other hand, atmospheric precipitation infiltration recharge is the main supply source of the groundwater in this area. Therefore, the studies on Hebei Plain climatic change features are of great significance to further analyze the influences of climatic changes on groundwater resources. This paper selected 10 ground climatological stations in Hebei Plain in terms of daily precipitation and temperature data from 1961 to 2010 and analyzed the spatial-temporal evolution features of temperature and precipitation. The results showed that the minimum temperature of Hebei Plain in recent 50 years increased significantly; the maximum temperature basically is stable; and the mean temperature presents an obviously increasing trend. In the spatial distribution, it gradually decreases from southwest to northeast on the whole and gradually tends to increase from the coastal to inland. The precipitation in recent 50 years owns obvious interannual change features and spatial distribution features, with a trend of overall periodic decrease and significant decrease of extreme precipitation. The annual mean precipitation intensity and annual mean extreme precipitation intensity gradually increased from piedmont plain to coastal plain. Hebei Plain has a warming and drying development trend on the whole. In space, piedmont plain belongs to the high-temperature and few-water area; coastal plain lies in low-temperature and much-water area; and central plain is in transitional zone. The climatic change and human activities are two influential factors of groundwater resources. Further revealing of the climatic change features of different geomorphic types and measuring and distinguishing of the influences of climatic change and human activities on groundwater remain to be further explored.     

关中盆地地下水系统分析与地下水资源可持续开发利用对策

关中盆地是一个完整的、相对独立的地下水系统,按含水介质的结构组合与空间分布以及地下水循环特 征,文章将关中盆地地下水系统进一步划分为黄土台塬孔隙$C裂隙含水系统、冲积平原孔隙含水系统、秦岭山前洪 积平原孔隙含水系统、渭北岩溶含水系统及基岩裂隙含水系统共5个亚系统和26个更次一级的子系统。在研究 各子系统水文地质特征、分析水资源开发利用现状的基础上,认为区内地下水资源开发利用中存在的问题有:地下 水资源污染与浪费严重,重复利用率低;不合理开采地下水,出现负环境效应;行政区块限制,水资源宏观调配不 够;地下水人工调控力度不够,不能有效地促进生态环境良性循环;对地下水资源的研究、规划和管理滞后等方面。 并针对存在的主要问题,提出了5项水资源可持续开发利用对策,包括节水对策、开源对策、改水对策、增补对策以 及管理对策。     

Groundwater Recharge and Mixing in Arid and Semiarid Regions: Heihe River Basin, Northwest China

A sound understanding of groundwater recharged from various sources occurring at different time scales is crucial for water management in arid and semi-arid river basins. Groundwater recharge sources and their geochemical evolution are investigated for the Heihe River Basin(HRB) in northwest China on the basis of a comprehensive compilation of geochemical and isotopic data. Geochemical massbalance modeling indicates that mountain-block recharge accounts for a small fraction(generally less than 5%) of the shallow and deep groundwater sustaining the oasis, whereas infiltration of rivers and irrigation water contribute most of the groundwater recharge. Dedolomitization is the primary process responsible for the changes in groundwater chemical and carbon isotope compositions from the piedmont to the groundwater discharge zone, where the dedolomitization is very likely enhanced by modern agricultural activities affecting the shallow groundwater quality. Analysis of radioactive isotopes suggests that these primary recharge sources occur at two different time scales. Radiocarbon-derived groundwater age profiles indicate a recharge rate of approximately 12 mm/year, which probably occurred during 2000–7000 years B.P., corresponding to the mid-Holocene humid period. The recharge of young groundwater on the tritium-dated time scale is much higher, about 360 mm/year in the oasis region. Infiltration from irrigation canals and irrigation return flow are the primary contributors to the increased young groundwater recharge. This study suggests that groundwater chemistry in the HRB has been influenced by the complex interaction between natural and human-induced geochemical processes and that anthropogenic effects have played a more significant role in terms of both groundwater quantity and quality.     

The research of groundwater flow model in Ejina Basin,Northwestern China

Water resources is a primary controlling factor for economical development and ecological environmental protection in the inland river basins of arid western China. Groundwater, as the important component of total water resources, plays a dominant role in the development of western China. In recent years, with the utilization ratio of surface water raised, the groundwater recharge rate has been reduced by surface water, and groundwater was exploited on a large-scale. This has led to the decline of groundwater levels and the degradation of eco-environments in the lower reaches of Heihe watershed, especially. Therefore, the study on the groundwater-level change in recent years, as well as simulating and predicting groundwater levels changes in the future is very significant to improve the ecological environment of the Heihe River Basin, coordinate the water contradiction, and allocate the water resources. The purpose of this study is to analyze the groundwater-level variations of the Ejina region basin on a large-scale, to develop and evaluate a conceptual groundwater model in Ejina Basin; according to the experimental observation data, to establish the groundwater flow model combining MODFLOW and GIS Software; simulated the regional hydrologic regime in recent 10 years and compared with various delivery scenarios from midstream; determined which one would be the best plan for maintaining and recovering the groundwater levels and increasing the area of Ejina Oasis. Finally, this paper discusses the possible vegetation changes of Ejina Basin in the future.     

Numerical simulation of response of groundwater flow system in inland basin to density changes

The developmental characteristics of groundwater flow system are not only controlled by formation lithology and groundwater recharge conditions, but also influenced by the physical properties of fluids. Numerical simulation is an effective way to study groundwater flow system. In this paper, the ideal model is generalized according to the fundamental characteristics of groundwater system in inland basins of Western China. The simulation method of variable density flow on the development of groundwater system in inland basins is established by using EOS9 module in TOUGHREACT numerical simulation software. In accordance with the groundwater streamline, the groundwater flow system is divided into three levels, which are regional groundwater flow system, intermediate groundwater flow system and local groundwater flow system. Based on the calculation of the renewal rate of groundwater, the analysis shows that the increase of fluid density in the central part of the basin will restrain the development of regional groundwater flow system, resulting in a decrease of the circulation rate from 32.28% to 17.62% and a certain enhancement to the local groundwater flow system, which increased from 37.29% to 51.94%.