湖北宜昌香溪河流域环境同位素特征及其水循环意义

为研究鄂西南岩溶山区的水循环过程,以湖北宜昌香溪河流域为研究对象,通过现场调查并结合环境同位素,对香溪河流域地表水和地下水进行了取样,通过测定其氢氧同位素组成,分析了同位素变化特征以及流域地下水和地表水的转换关系及其水循环特征。流域水中δD、δ18 O值组成分析表明:流域内各种水体主要分布在当地大气降水线的附近,构成斜率明显小于雨水线的蒸发线,3个子流域δD、δ18 O值的富集程度为:南阳河流域<古夫河流域<高岚河流域。南阳河流域上游受神农架山区地方性大气降水控制。响水洞和响龙洞(暗河出口)水中氘过量参数(d)值分别反映出不同的地下径流途径与滞留时间、水岩反应强度。子流域同位素沿程变化的特征反映出:在上游段,水来源不同以及地表水和地下水转换频繁是δD、δ18 O值变化的主要影响因素;在中下游段,流域内地下水流入河流,河水流量逐渐增大,不同的水源混合均匀,经过一定的蒸发作用,δD、δ18 O值的变幅趋于稳定。     

四川鲜水河-安宁河断裂带温泉氢氧稳定同位素特征

温泉地下水同位素特征对确定断裂带地下水来源、循环过程和断裂带活动性至关重要。为了确定青藏高原东缘温泉的地下水同位素特征和流体来源本研究采集了鲜水河-安宁河断裂带上温泉水、冷泉水、河流和积雪融水等样品,进行了氢氧稳定同位素和水化学组分测定,并进行了同位素特征的对比研究。分析结果表明,温泉水体δ¹⁸O变化范围为-19.04%~-12.71‰,平均值为-16.42‰;δ²H变化范围为-144.07‰~-88.63‰,平均值为-122.37‰。河水的δ¹⁸O变化范围为-15.90‰~-10.85‰,平均值为-13.86‰;δ²H变化范围为-118.21‰~-71.12‰,平均值为-98.99‰。康定冷泉δ¹⁸O和δ²H分别为-13.66‰和-106.74‰。道孚积雪融水的δ¹⁸O和δ²H分别为-10.27‰和-65.41‰。不同类型水体样品氢氧稳定同位素组成主要分布在全球和区域大气降水线上表明了大气降水成因,缺少明显的氧同位素漂移特征。不同类型水体同位素值差异较大显示出温泉与河水、积雪融水之间补给来源的不一致性。温泉同位素值具有明显的同位素高程效应,鲜水河-安宁河断裂带上氧同位素高程效应为-0.23‰/100m,氢同位素高程效应为-1.95‰/100m。温泉氧同位素漂移与相关离子比值、Na-K-Mg三角图、Li和Sr元素等指标表明研究区域大部分温泉的水岩作用强度弱。氢氧稳定同位素特征、水岩作用特征和循环深度揭示出温泉的成因为远距离大气降水运移补给地下水,地下水在地下热储层加热后通过断裂上升到地表形成温泉,这为认识青藏高原东缘地热水循环、断裂带活动性与演化特征提供了依据。     

鄂尔多斯盆地大专气隆重雨氢氧同位素的组成与季节效应

通过对鄂尔多斯盆地雨水同位素的分析，建立了盆地雨水线方程，计算出雨水氢氧同位素的加权平均值，为开展鄂尔多斯盆地地下水氢氧同位素的研究提供了依据；分析了雨水δ18O与气温、降雨量和季节的变化关系，总结出鄂尔多斯盆地冬季雨水δ18O较低，春季雨水δ18O较高，夏季雨水δ18O亏损的特点，得出雨水来源和形成温度是鄂尔多斯盆地雨水同位素组成随季节变化根本原因的结论。     

氢氧同位素在地下水流系统的重分布：从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应？现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和¹⁸O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明：在单斜盆地,补给区大气降水D和¹⁸O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ¹⁸O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K₀/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排...     

地热水氢氧同位素控制因素识别与定量计算:以青海贵德盆地为例

氢氧同位素在地热水研究中得到了广泛应用,但由于影响因素较多,对地热水氢氧同位素组成的控制过程通常缺少全面认识。本文以贵德盆地周边两条断裂带上五处温泉为例,通过对比不同地热水之间的水化学差异和热储温度差异,建立了不同地热水的水岩反应程度与氢氧同位素是否偏离大气降水线的关系。在前人识别并定量出扎仓寺地热水存在冷水混合作用的基础上,借助冷水混合比例估算了冷水混合和水汽分离引起的氢氧同位素的变化幅度,在此基础上通过“氧漂移”规律恢复了扎仓寺地热水在发生水岩反应前的氢氧同位素组成。本文关于三个过程对氢氧同位素影响程度的计算方法可以用于分析其他地区地热水的氢氧同位素成因,从而加深对地热水循环过程的认识。     

用氢氧稳定同位素评价闽江河口区地下水输入

通过分析闽江河口区降水、地表水和地下水的氢氧稳定同位素特征,揭示降水的环境同位素效应和地下水的形成演化规律,定量评价河口区多种水体的混合过程及地下水输入量。夏季的降水氢氧同位素组成相对贫化,呈现出降雨量效应。在δ18O与δD关系图上,闽江北岸基岩裂隙水、平原及丘陵区浅层地下水均落在福州降水线上,而南岸平原及丘陵区浅层地下水大部分落在福州降水线右下方,其拟合线与降水线交点与5~9月农灌期降水氢氧同位素加权值接近,表明北岸地下水主要来自降水补给,而南岸地下水同时接受灌溉水和降水补给,并在入渗过程中经历了不同程度的蒸发作用。闽江河口段除接受两岸地下水补给外,局部河段还接受断裂带裂隙水补给。将线性端元混合模型、数字高程模型和地下水文分析法结合起来定量评价地下水的输入和各水体的混合过程,结果显示,在河口段淡水区,地下水混合比率上限为8.8%,其中包括0.4%的断裂带裂隙水;在河口段淡咸水混合区,淡水(河水、地下水)和海水的混合比为53:47,其中地下水的保守混合比率为1.7%;枯水期闽江河口段地下水保守输入量为87.0 m3/s,是闽江径流量的12.8%。     

新疆焉耆盆地水环境氢氧同位素特征及其指示作用

根据焉耆盆地开都河水及其两岸地下水中的氢氧稳定同位素资料及氘过量参数(d)值,分析了焉耆盆地内不同水体的δ(D)、δ(18O)和d值的分布规律,并得到地下水的主要补给来源及其与开都河水的相互作用关系;地下水的δ(D)在-87.60‰～-61.82‰间,δ(18O)在-10.90‰～-9.73‰间;开都河水的δ(D)在-71.95‰～-58.58‰间,δ(18O)在-9.57‰～-8.64‰间。结果表明:焉耆盆地内地下水和地表水同源于山区的降水和冰雪融水,且经历了较强的蒸发作用;地下水与地表水之间的直接水力联系较弱,深层地下水主要接受开都河水在洪积扇区的入渗补给,浅层地下水主要接受河流引水灌溉入渗;不同深度地下水之间的水力联系较为密切,为统一的地下水系统。     

新疆阿勒泰地区地表水体氢氧同位素组成及空间分布特征

氢氧同位素可以识别水体来源,示踪水循环,自20世纪50年代以来已被广泛应用于水文地球化学领域。已有学者开展了新疆大气降水及部分河流湖泊的稳定同位素研究,而关于阿勒泰地区大气降水之外的地表水体稳定同位素研究尚需加强。本文采用液体水激光同位素分析法开展了新疆阿勒泰地区地表河水、湖泊、山泉水、雪水、锂矿坑裂隙水五类水体的氢氧同位素组成研究。结果表明:阿勒泰地区各种类型水体氢氧同位素组成差异明显,地表河流的δ~(18)O及δD值变化范围分别为-15.4‰～-11.5‰及-114‰～-100‰,氘过量参数(d值)变化范围为-12.4‰～12.4‰;乌伦古湖湖水的δ~(18)O及δD值均远高于地表河流,平均值分别为-5.95‰及-78.5‰,氘过量参数远低于地表河流,均值为-30.9‰。地表河流与全球及乌鲁木齐大气降水线相比差异很大,河水除了大气降水外还受到冰川融水的补给,且在水循环过程中经历了蒸发分馏作用,地表河流之间的氢氧同位素组成差异主要受水体补给来源及蒸发程度强弱的控制。由于氢氧同位素温度效应、纬度效应等的存在,阿勒泰地区水体δD及δ~(18)O与水温(T)、总溶解性固体(TDS)及主要离子Na~+、K~+、Ca~(2+)、Cl~-、SO■摩尔浓度呈显著正相关关系,而与采样点纬度及溶解氧含量(DO)呈显著负相关关系(P0.05,n=32)。本研究获得的氢氧同位素组成特征为阿勒泰地区各类型水体稳定同位素研究提供了基础数据。     

北京西山鹫峰地区氢氧稳定同位素特征分析

以北京西山鹫峰低山区为研究对象,通过对降水、土壤水、泉水氢氧同位素的变化特征分析,研究低山区的降水-土壤水-泉水的转化关系。研究结果表明:该地区的雨季降水线与北京地区的地区降水线有明显区别,斜率和截距偏小;随降雨的进行氢氧同位素特征有时程变化和降雨量效应,而降雨的时程变化也对土壤水的同位素特征产生了影响;土壤水分同位素分布特征相对集中,蒸发线方程的斜率和截距相对于当地大气降水线和雨季降水线都偏小,栓皮栎混交林土壤水对于小雨量次降雨事件反应不敏感,而侧柏林的土壤水分运动较栓皮栎混交林快,说明林分类型和土壤特性对不同水体之间的转化有影响;泉水的同位素特征比较稳定,主要分布在地区降水线的右下方与雨季降水线的交点附近;不同水体中降雨的δD、δ18O变化范围较大,土壤水次之,泉水变化最小;而沿着大气降水-土壤水-地下水(泉水)这一水循环路径,水体中的δD、δ18O值总体上呈下降趋势。     

中国大陆大气降水线斜率分区及其水汽来源研究

大气降水是自然界水循环过程中的一个重要环节。由于元素的各个同位素的质量不同,造成了降水中H2O与D2O之间、H2O与H218O之间的分馏效应。水循环过程中,由于同位素成分的热力分馏作用,全球降水中氢和氧稳定同位素存在一种线性关系,1961年Craig把这种关系定义为大气降水线。(Meteoric Water Line,简称为MWL):δD=8δ18O+10,又称为全球大气降水线(Global Meteoric Water Line,简称为GMWL)。本文通过对近年来全国各地大气降水中氢氧稳定同位素(2H、18O)之间的关系的资料进行整合作图,发现大气降水线斜率的大小存在地域差异并具有分区的特征,分析认为这种特征应该与当地降水的水汽来源有着密切联系,结合大气降水水汽来源,将中国大陆降水线斜率大体分为:东南沿海区、西南区、青藏高原区、西北内陆区、东北及华北内陆区几大区域,最终可以通过各地大气降水线的斜率分区来区分不同的水汽来源。     

西安地区含水系统释水压密效应及微结构变化

西安地区诱发地面沉降地裂缝灾害最主要的因素是过量开采地下水。承压水地下水头下降引起的含水层骨架有效应力增加,粘性土释水压密一方面造成了地面沉降地裂缝灾害;另一方面引起含水层孔隙率、储水系数、渗透系数等水文地质参数的变化。笔者选取西安地裂缝最活跃的F4号地裂缝两侧钻孔岩心进行了压密CT扫描,获取了300m以浅地层粘性土在不同压力(水头下降幅度)条件下的空隙大小的微结构变化,并建立了渗透系数与微结构变化耦合关系。结果显示:在地下水开采引起的土层应力增加过程中,大孔隙度、长孔隙度会随着压力增加而明显降低,地裂缝上盘和下盘含水层大孔隙分别降低了39.05%和9.22%,不利于水分在孔隙间运移,中小孔隙度基本保持不变或略有上升;渗透系数随压力的增加呈现出减小趋势,最大下降幅度为71.08%,且随深度增加含水层渗透系数减小幅度逐渐降低。研究结果对于科学评价和预测西安地区地面沉降地裂缝地质灾害具有指导意义。     

西安市地下水与地面沉降地裂缝耦合关系及风险防控技术

西安市地面沉降地裂缝发育,世界罕见,一直是该领域研究的热点地区。近年来又出现新的发展趋势,严重制约城市发展和威胁地铁等重大工程安全运营。笔者依据254个地下水动态监测资料,总结了西安地下水资源开发历史与地下水头动态变化规律,耦合分析了地面沉降地裂缝与地下水位下降之间的关系,提出了基于地下水头管理的地面沉降地裂缝风险防控技术。结果显示:西安市地面沉降地裂缝是多种因素综合作用的结果,其发生和发展过程及其严重程度均与地下水头下降密不可分,并受黏性土层厚度的影响;空间上地下水头降落漏斗中心与地面沉降中心基本吻合,时间上地面沉降发育时间滞后地下水头降落2-3年,沉降速率是地下水头每下降1m的累计最大地面沉降量50mm;地下水头回升会引起短时和少量地面回弹量,并能够缓解或遏制地面沉降。挖掘历史地下水头与地面沉降地裂缝监测数据,建立了基于地下水头的地面沉降地裂缝预警阈值和风险防控技术。     

关中盆地城市群地质遗迹特征及可持续开发利用

地质遗迹已成为经济区和城市群规划发展、宜居城市建设、生态文明、乡村振兴、脱贫攻坚以及地质文化村建设中不可或缺的因素。通过关中盆地城市群地质遗迹专项调查,共发现地质遗迹点429处,其中具有价值的地质遗迹146处;整体上类型多样、内涵独特,以地层剖面、古生物化石、地质地貌、水体景观等为主;空间分布范围广泛,空间结构类型呈现凝聚型不均匀分布,新构造活动与地貌、水系、第四纪沉积、温泉、地震和地质灾害的空间分布及其变化具有良好的一致性。根据资源赋存属性、地质遗迹完整性及交通便捷性等原则,将地质遗迹区域划分为3个地质遗迹景观带、10个地质遗迹景观亚带、22个地质遗迹景观区。针对经济区和城市群、宜居城市、生态文明、乡村振兴建设与地质遗迹开发利用及保护中存在的问题,应建设一批国省地质公园、研学基地、旅游度假区、旅游风景道、特色小镇以及地质文化村,形成多层次、多样化的开发利用和保护路径。     

山区城镇地质灾害调查与风险评价方法及实践

山区城镇化、新农村建设、乡村振兴和脱贫攻坚大都面临着地质灾害的威胁,开展大比例尺地质灾害调查和风险评价,从源头控制地质灾害风险具有重要的战略意义。笔者在试点调查与评价的基础上,提出了一套山区城镇地质灾害调查与风险评价的思路和技术方法。山区城镇地质灾害调查与风险评价按照目的和比例尺精度的不同可分为3个层次:①区域远程地质灾害调查与风险评价,评价山区城镇遭受远程地质灾害的可能性,比例尺为1∶50 000。②城区地质灾害调查与风险评价,调查山区城镇周边区域每个斜坡和沟谷,评价其变形失稳的可能性及危害程度,比例尺为1∶10 000。③场地地质灾害调查与风险评价,评价重大工程建设、旅游景点等重要场地周边斜坡和沟谷变形破坏的可能性及危害程度,比例尺为1∶5 000~1∶2 000。对每个层次地质灾害调查与风险评价的内容、方法和过程进行了阐述,并以陕南秦巴山区和陕北黄土高原区典型山区城镇为研究区,建立了山区城镇地质灾害调查与风险评价应用示范。     

毛乌素沙地风沙滩区降水入渗响应研究

为研究毛乌素沙地地下水浅埋区降水入渗补给滞后响应时间,确定补给滞后的影响因素,为该地水文生态保护与地下水资源评价提供科学依据,以陕北毛乌素沙地风沙滩区为研究区,基于原位试验数据和相关分析法,分析土壤含水率和地下水位对降水入渗的响应机制,运用土壤水均衡分析探讨降水入渗响应与各影响因素的关系式。结果表明,小雨型降水土壤含水率响应深度为0~10cm,中雨型为10~90cm,大雨型与暴雨型均>90cm。最大响应深度z与降水量P显著线性相关。在地下水位一定的前提下,随着前期累计降水增大,当前降水入渗响应深度也增大,前期累计降水对当前降水入渗的影响时段在144 h以内。雨后土壤水分与地下水补给均存在滞后。入渗响应滞后时间与土壤深度呈正比,与降水强度和土壤初始导水率的差成反比。     

中国地质环境脆弱性评价

中国地质环境具有先天脆弱性,空间分布存在巨大差异,对于区域生产力布局、工程建设、国土空间开发等社会经济诸多方面具有很大的影响。本研究基于ArcGIS平台,采用层次分析法构建包含地质构造、地表形态、组成物质三大类9个一级指标的地质环境脆弱性评价指标体系;将地壳稳定性、断裂带分布、海拔高度等9个脆弱性指标图层进行线性变换归一化处理,得到各指标标准值图层;运用因子相关分析法,分析9个脆弱性指标间相关性;应用主成分分析法,将相关性显著重复的要素删去,重新组合成一组新的互相无关的综合脆弱性要素;以主成分要素对应的方差贡献率作为权重,应用综合指数模型,完成地质环境脆弱性综合评价;在区位理论及空间统计的支持下进行进行分区,将全国划分为微度、轻微度、轻度、中度、重度和极度等6类脆弱区;综合分析中国地质环境脆弱性分布的空间特征及区域差异。研究结果表明,总体脆弱是中国地质环境的突出特征,中度至极度脆弱区面积约占中国全国土地面积的1/3,这是中国国土空间开发所面临的自然基础条件;中国区域地质环境脆弱程度呈现西北高东南低、西南高东北低且镶嵌式分布的总体空间格局,大致以贺兰山-六盘山-邛崃山-乌蒙山一线为界,此线以西地区地质环境脆弱程度高,此线以东地区地质环境脆弱程度低。     

资源环境承载力评价理论方法与实践

资源环境承载力评价是国土空间规划和三区三线划定的基础,评价理论与方法越来越受到各界的关注,但尚未形成完备的理论框架。本研究引入短板理论、风险理论和边际理论,构建资源环境承载力评价的理论框架与技术方法,并以陕北黄土高原绥德县为研究区开展实证研究。基于短板理论,识别区域重大资源环境问题,遴选1~3个制约性因素;基于边际理论,以资源开发利用利润最大化或无利润作为资源承载力评价标准,开展资源承载力评价;基于风险理论,以人类活动带来的环境问题或灾害引发的生命和财产风险的容许标准作为环境承载力评价标准,开展环境承载力评价;基于单因素承载力评价结果,开展综合承载力评价,评价结果为安全承载、容许超载或不可接受超载;将综合承载力评价结果与区域国土空间开发现状或规划结果做叠加分析,划定区域发展三区三线。通过对绥德县资源环境承载力评价,结果表明,该理论框架与技术方法简便易推广,评价结果可信,可以为国土空间优化、科学划定"三条红线"提供支撑。     

基于综合物探的城市地下空间探测与建模

地下空间开发利用是解决城市诟病的有效途径,城市强干扰环境下地下空间精准探测已成为多学科交叉研究的热点,也是当前研究的难点。以大西安西咸新区为研究区,采用钻孔揭露、实验测试、多参数地球物理测井、地面地球物理勘探组合方法开展了地下空间精准探测与建模研究。通过综合地球物理勘探,获取了每层土体的多参数地球物理特征。结合钻孔揭露与实验测试资料,建立了基于钻孔资料的地面物探与测井校准与耦合,为地下空间地质结构模型赋予了物理属性。提出高密度电法、微动台阵观测和浅层地震勘探与多参数地球物理测井方法相结合,可作为城市强干扰环境下地下空间物探工作的最优方法组合。     

基于人工智能(AI)的地质灾害防控体系建设

近年来,人工智能(AI)技术得到快速发展,并日益融入到经济社会各个领域,成为当代创新发展的新标志,智能防灾减灾将成为未来发展的趋势和研究的热点。在回顾AI发展现状与趋势的基础上,系统梳理出以往地质灾害风险防控的数据依据和传统技术方法,分析了可能采用的潜在AI方法,初步搭建了基于AI的地质灾害风险防控体系建设方案。研究表明,AI技术为地质灾害风险防控提供了新的技术途径,但目前尚无可照搬或可移植的成熟技术或解决方案。智能防灾减灾体系包括早期识别、风险评估、风险防控等3个主要环节,其中最重要的环节是早期识别,传统方法与AI技术融合的关键参数为斜坡失稳概率或泥石流发生概率;根据所依据的数据资料将早期识别方法归纳为图像识别、形变识别、位移识别、内因识别、诱因识别和综合识别等6种方法;提出了从数据层、方法层和应用层3个层次构建基于大数据智能混合优化的地质灾害风险防控平台。认为数据驱动的智能模型与理论驱动的物理模型融合是地质灾害风险防控发展的趋势。     

关中盆地城市群地下文物遗迹精准探测——以茂陵为例

关中盆地是华夏文明重要发祥地,拥有厚重的历史文化底蕴,留下灿烂的地下历史文化遗迹,但因其隐藏于地下,观赏性不强,制约着具有世界影响力的历史文化旅游品牌的打造。以举世闻名的茂陵为探测区,采用无人机航测、地面调查、高密度电法、地质雷达、高精度磁测及微重力等地面无损探测技术,对帝陵进行了精准探测,发现茂陵地宫位于封土堆之下距水平面约30~40m深,呈东西长约100m,南北宽约60m的矩形体;地宫基本完整,未坍塌;探测出南墓道、东墓道和北墓道的位置和深度与考古钻探探测出的结果基本一致。在此基础上利用3D Max软件平台等,可虚拟再现汉武帝茂陵辉煌规模及地宫形态。向游客展现汉武帝茂陵地宫的结构、景观以及时代与地域背景,将大幅度提升旅游产品品质。