黑河中游不同灌溉方式下地下水入渗补给特征研究

降水和人工灌溉是黑河中游浅层地下水重要的补给来源。长期以来入渗补给量评价采用经验参数法,但没有成熟的监测方法和实证数据。采用人工溴示踪法研究黑河中游不同灌溉条件和不同深度条件下的地下水入渗补给规律。结果表明:研究区大气降水条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为21.25 cm,年平均入渗补给量为11.93 mm,入渗补给系数为0.1;大水漫灌条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为86.51 cm,年平均入渗补给量为148.7 mm,入渗补给系数为0.16;小水漫灌条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为46.35 cm,年平均入渗补给量为 53.81 mm,入渗补给系数为0.07;滴灌条件下年包气带溴离子含量峰值年均运移距离为41.72 cm,年平均入渗补给量为52.6 mm,入渗补给系数为0.11。人工溴示踪剂应投放在包气带水分单向入渗下行区,一般西北内陆盆地在地表3 m以下为宜。此研究成果可为黑河流域地下水资源评价提供实证参数,对西北内流盆地地下水水资源量与合理开发利用的科学认识具有重要意义。     

太行山山前平原地下水补给规律分析:以河北栾城为例

采用水均衡法与通量法对太行山山前平原(河北栾城)进行了地下水补给评价,结果表明:近20 a地下水入渗补给量为8～172mm/a(水均衡法),平均值49.3 mm/a,变化幅度大.其中2004年入渗补给量(63mm/a)比采用通量法计算结果(28.2mm/a)大一倍,表明土壤优先流对入渗补给作用显著.年入渗补给量总体上随有效降雨量增加、地下水位下降速率减少、作物实际蒸发蒸腾量减少而增加,但与有效灌溉量和灌溉量之和的相关性不显著.通过长序列地下水位与灌溉量等数据估算得到研究区侧向净补给量为125.2 mm/a,约占地下水总补给量的71.7％(175.4 mm/a),说明地下水主要以侧向补给为主.同时计算了入渗补给与侧向补给地下水的延迟时间,分别为60 a和1个月.     

不同降水及灌溉条件下的地下水入渗补给规律

天然降水和人工灌溉是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水导致华北平原地下水位持续下降,详细分析降水变化规律及灌溉制度的影响有利于深入认识补给及正确评价入渗补给量,对合理开发利用地下水资源具有重要意义。基于实测资料,用HYDRUS软件建立一维变饱和流数值模拟模型,模拟分析了衡水地区近60年在天然降水条件下的垂向入渗补给规律,以及在年周期内灌溉活动对于入渗补给规律的影响。结果表明:研究区多年平均降水入渗补给量为66.6 mm/a;枯水年份降水入渗补给量为30 mm/a,丰水年入渗补给量为120~150 mm/a;年补给量与年降水量具有显著的正相关性;入渗补给系数与降水强度呈负相关关系;入渗补给量随灌溉量的增加而增加,实验条件下小麦底墒水与玉米灌溉对应入渗补给系数较大,实际灌溉中应基于当年降水情况及土壤墒情确定合理的灌水定额。     

人工示踪方法评价地下水入渗补给及其优先流程度——以河北栾城和衡水为例

利用传统人工示踪剂峰值方法评价地下水入渗补给存在精度低和适用性差等缺点。为此,本文提出了多区模型方法,采用保守型示踪剂溴和氚对河北栾城和衡水地区进行了不同土地利用方式和不同深度下地下水入渗补给评价。结果表明,栾城和衡水地区地下水入渗补给量分别为124.3 mm/a和13.7 mm/a,与传统方法(103.3 mm/a和0.0 mm/a)相比,多区模型方法的评价结果更符合实际。同时对由优先流引起的地下水入渗补给量进行了分析,栾城和衡水地区优先流程度分别为28.7%和2.3%。秸秆覆盖抑制降雨或灌溉水入渗补给地下水,降低优先流程度,而植被覆盖有利于土壤水优先流的形成。地下水入渗补给量及其优先流程度与示踪深度均无明显相关性,且受土壤结构控制。     

近50年来我国北方典型区域地下水演化特征

文章在总结中国北方地下水最新调查成果的基础上,选择西北内陆盆地、华北平原和松嫩平原为典型区,对近50年来区域地下水系统的演变特征及其影响因素进行探讨。研究发现: 我国北方盆地和平原地下水系统演化具有渐变性和突变性特征,但在不同地区存在着差异,区域地下水系统已经变得脆弱,地下水资源可持续利用向不利的方向发展。地下水补给演变表现为山前平原地带的补给能力减弱,河道补给减弱或消失,中下游农业区地下水补给强度增大,总补给量呈现减小的趋势;  其中,西北内陆盆地下水补给的减少与上游水资源利用过度、渠系防渗程度提高有关;  而华北平原和松嫩平原地下水总补给量的减少与降雨量的减少和山区河流拦蓄水量的增加有关。伴随着补给模式的改变,地下水流场演变表现为普遍出现持续性的区域地下水位下降,西北干旱区表现为山前平原地下水位快速下降、泉流量减少、溢出带下移;  华北平原和松嫩平原表现为溢出带消失、水位降落漏斗形成并发展,区域地下水流被截断,形成以降落漏斗为中心的局部水流系统。地下水化学场变化主要表现为水化学类型变化、矿化度增大,污染组分增加。自西北内陆盆地至华北平原、松嫩平原,水化学变化强度明显增加,以华北平原和松嫩平原最为明显。本文在这些认识的基础上提出了应对气候变化与人类活动双重影响下地下水演变的适应性对策,为地下水资源可持续利用提供了理论依据。     

中国北方岩溶地下水补给研究进展

地下水补给研究是进行地下水资源评价、制定水资源可持续利用方案、开展水资源管理的基础,也是建立地下水模型、进行环评的关键。从地下水补给量的评价方法、地下水补给的时空分布规律以及地下水补给的过程和机理等方面入手,综述了国内外有关地下水补给研究方面进展及发展趋势。同时,针对中国北方岩溶地区的岩溶发育特征和岩溶地下水赋存规律,对岩溶地下水的补给研究现状及存在的问题进行了阐述,分析了当前研究不足,并提出了如下建议:开展北方典型岩溶区入渗补给过程和机理研究,揭示不同地质条件和气候条件下的入渗补给机制;研究降水入渗补给系数的时空变化规律,探讨降水入渗补给系数的变值问题;开展碳酸盐岩裸露区巨厚层包气带的水文功能研究,加强入渗补给滞后性和有效入渗补给量确定方面的研究;探讨岩溶地区植树造林的水文效应。为中国北方岩溶区地下水补给定量化研究提供新的思路,为揭示岩溶区地下水补给机制和岩溶地下水可持续利用提供科学依据。     

川北山丘区地下水补给特征与定量研究

针对川北山丘区地下水资源和污染防护研究中地下水补给难以定量等问题,以川北典型山丘区平溪河北岸的山丘区子流域为研究对象,布设监测孔并对其地下水的水位和水温开展动态监测,并基于大气压监测数据校正地下水监测水位,分析了山丘区地下水水位及水温的年内动态变化特征;采用渗水试验和分段双栓塞水文地质试验获取含水层空间渗透系数;基于达西断面法定量计算了研究区内观测断面的地下水径流补给量,并建立了月降雨量与降水入渗系数的函数关系,结果显示:研究区多年平均大气降水入渗补给量为16.61mm,多年平均降水入渗系数为0.0182;月降雨量与降水入渗系数呈幂函数关系;此成果可为研究区地下水资源、地下水防污性能评价及地下水数值模拟等研究提供重要依据。     

降雨人渗补给规律的分析研究

浅层地下水资源计算中,降雨入渗补给系数是最基本的参数,而求解参数关键是确定降雨入渗补给量。从其土壤水下渗机理,包气带蓄水库容,降雨入渗补给系数方面分析研究,最后得出：包气带可容纳库容是降雨入渗补给量的极限值;降雨入渗补给系数因不同岩性、土壤前期含水量、降雨量等因素而变化;降雨入渗补给规律存在一个地下水最佳埋深。     

种植条件下降雨灌溉入渗试验研究

基于清水河平原头营和黑城试验场降雨(灌溉)入渗过程土壤水分运移观测试验数据的分析研究,笔者应用能量观点描述了包气带水分运移的分带性、降雨(灌溉)入渗补给地下水的水分条件和地下水入渗补给过程的基本特征。应用蒸散量模型、土壤水分通量模型,计算了作物生长期的蒸发蒸腾量、土壤贮水量的变化量、400cm深度处的土壤水分渗漏量及渗漏系数。从多年的角度分析了深层土壤水分渗漏量、渗漏系数与地下水入渗补给量和补给系数的关系。它对分析降雨(灌溉)入渗对地下水的补给过程和定量分析地下水入渗补给量、入渗补给系数具有重要价值。     

不同作物覆盖对农业区地下水入渗补给的影响分析

灌溉入渗是卫宁平原地下水的主要补给来源,研究不同农作物对地下水的灌溉入渗补给对于准确评价地下水资源量十分重要。本研究基于卫宁平原灌区2个包气带水分运移原位试验点系统观测数据,运用Hydrus-1D软件建立了试验点的包气带水分运移数值模型;设置了单次灌溉量、生长期天数、最大根系埋深和叶面积指数四种影响因子,应用模型分析了其对地下水入渗补给量的影响,计算了不同作物种植期内地下水垂向入渗补给量。结果表明:试验点地下水入渗补给量以灌溉入渗补给量为主。单次灌溉量的大小对地下水垂向入渗补给量的影响最为显著,其次是生长期天数和最大根系埋深,叶面积指数对地下水垂向入渗补给量的影响最小。随着地下水位埋深的增加,农作物种植因子对地下水入渗补给的影响也会增大。不同时期的降雨入渗系数为0.02～0.25;受次降雨量和降雨频率影响差异较大。灌溉入渗系数大小与作物种类关系密切:玉米种植期内的灌溉入渗系数为0.78,茄子种植期内的灌溉入渗系数为0.51,枸杞种植期内的灌溉入渗系数为0.6～0.63。综合考虑研究区作物类型和地下水位埋深(117～267 cm),给出了研究区农田区域在作物单次灌溉量为50～150 mm情况下,对应的灌溉入渗系数参考值。     

Estimating groundwater recharge beneath irrigated farmland using environmental tracers fluoride, chloride and sulfate

Accurate recharge estimation is essential for effective groundwater management, especially in the North China Plain, where irrigation return flow is significant to vertical recharge but brings difficulty for recharge estimation. Three environmental tracers (F^?, Cl^? and SO₄ ^2?) were used to estimate vertical recharge based on the mass balance and cumulative methods. Four boreholes were dry-drilled to 5–25 m depth beneath irrigated farmland and one was drilled to 5 m beneath non-irrigated woodland; soil samples were collected in all boreholes at set depths. The results indicated that F^?, Cl^? and SO₄ ^2?were suitable tracers beneath the non-irrigated woodland, yielding recharge rates of 16.9, 18.8 and 19.4 mm/year, respectively. Recharge estimation was not straightforward when taking account of crop type, irrigation and/or fertilizer use. After comparing with previous research, conclusions were drawn: Cl^? was an appropriate tracer for irrigated farmland when taking account of Cl^? input from irrigation and absorption by crops; recharge rates were 65.9–126.8 mm/year. However, F^? was a more suitable tracer for irrigated regions where account is made of the proportion of precipitation to irrigation return flow, provided low F^? concentrations can be measured reliably.     

Groundwater Flow Simulation and its Application in Groundwater Resource Evaluation in the North China Plain,China

The purpose of this study is to establish a 3D groundwater flow modelling for evaluating groundwater resources of the North China Plain.First,the North China Plain was divided into three aquifers vertically through a characterization of hydrogeological conditions.Groundwater model software GMS was used for modeling to divide the area of simulation into a regular network of 164 rows and 148 lines.This model was verified through fitting of the observed and the simulated groundwater flow fields at deep and shallow layers and comparison between the observed and simulated hydrographs at 64 typical observation wells.Furthermore,water budget analysis was also performed during the simulation period(2002-2003).Results of the established groundwater flow model showed that the average annual groundwater recharge of the North China Plain during 1991 to 2003 was 256.68×10~8 m~3/yr with safe yield of groundwater resources up to 213.49×10~8 m~3/yr,in which safe yield of shallow groundwater and that of deep groundwater was up to 191.65×10~8 m~3/yr and 22.64×10~8 m~3/yr respectively.Finally,this model was integrated with proposal for groundwater withdrawal in the study area after commencement of water supply by South-North Water Transfer Project,aiming to predict the changing trend of groundwater regime.As indicated by prediction results,South-North Water Transfer Project,which is favorable for effective control of expansion and intensification of existing depression cone,would play a positive role in alleviation of short supply of groundwater in the North China Plain as well as maintenance and protection of groundwater.     

华北平原地下水人工补给模式研究

地下水人工补给是防止地下水资源持续匮乏、维护地下水系统活力的重要举措.在华北地区,按照水文地质条件、补给水源条件、地下水环境问题等的不同,组合筛选出五大代表性区域:山前浅层超采区、中东部平原深层超采区、山东半岛滨海海水入侵区、农业灌溉区和城市地区.针对不同区域,分别阐述了储水空间条件、补给水源条件及实施人工补给的首要目...     

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.     

利用EARTH模型计算河北栾城地下水垂向补给量

准确计算地下水的垂向入渗补给量是合理评价和利用地下水资源的基础.EARTH模型是一种集中参数的水文模型,可刻画水流在包气带中的运移过程,弥补黑箱模型的不足.以中国科学院栾城农业生态试验站的地下水位观测资料以及气象资料为基础,综合运用降水、蒸发、土壤水、地下水动态观测资料,利用EARTH模型计算了河北平原地下水垂向入渗补给量.计算结果表明,2003年1月1日至2005年8月31日期间,栾城农业生态试验站在降水量1404.1 mm、灌溉量1050.0 mm的条件下地下水入渗补给量为487.2 mm,平均年入渗补给量为182.6 mm, 占降水和灌溉总量(2454.1 mm)的19.9%.在模拟结果的基础上,对不同年份的降水量(含灌溉)和入渗补给量分布的对比分析表明,河北栾城地下水补给滞后现象明显,在研究时间段内峰值滞后18～35 d.     

华北平原东部水资源可持续利用

华北平原东部水资源短缺，深层地下水严重超采，生态环境恶化。为水资源的可持续利用．要发展井灌井排渠灌沟排，以开发利用当地浅层地下水包括微成水和成水为基础．以引调可利用的地表水补源。以调控地下水埋深在临界动态为棱心，以土壤及潜水的地层空间作为调节大气降水、土壤水、地下水、地表水的地下水库．最大限度圯犯时空分布不均的天然降雨转化为可持续利用的水资源。     

地下水环境脆弱程度图编图方法研究

由于地下水的过量开采,导致地下水资源乃至地下水环境遭到不同程度的厂址,引起许多与其相关的生态环境问题。为此,本文引用地下水环境脆弱性概念,并以松嫩平原为例,采用先进的理论和方法,以包气带厚度、包气带渗透系数、地下水补给强度及地下水水力坡度等为定量化指标牙分不同脆弱程度地区,编制了为统一协调资源与环境,优化开采提供依据的一种新的地下水环境脆弱程度图。     

吉林省西部潜水资源与生态环境风险分析

吉林省西部是我国主要粮食产区,但区内农业水利规划管理同时面临潜水资源与生态环境双重风险。近20年来,区内曾尝试多种水资源利用模式,但缺少不同模式应用效果的定量化对比。文章建立了不同水资源利用模式,对比分析各模式的水资源与次生盐碱化风险。以洮儿河流域为例,采用循环神经网络预测2019—2023年该地区大气降水和地表水对地下水补给量;通过随机数值模拟预测现状开采、连续干旱、无序开采、地下水库建设、节水灌溉、旱田改水田6种情形下,区内潜水水位空间分布特征。以防止次生盐碱化为目标,定义水位埋深上限为1 m;以含水介质厚度为参考,定义水位埋深下限为12 m。遴选适合吉林省西部地区地下水资源可持续利用模式。结果显示:无序开采是导致区内水资源枯竭的主要诱因;地下水库建设和旱改水工程有助于潜水资源维护,但长期运行可加剧生态环境风险。节水灌溉（净采强度为2.0×108～3.0×108 m3/a）是降低区内水资源风险和生态环境风险的最佳方式。文章采用的神经网络—随机模拟分析方法成功预测了地下水位变化驱动因子和地下水位中长期变化趋势,为我国干旱半干旱地区潜水资源利用方案制定提供了新方法。