氡(222Rn)在地下水-地表水相互作用中的应用研究进展

地下水-地表水相互作用是水资源管理和地表水生态系统保护中重要的一个环节,氡同位素(²²²Rn)由于其在地下水与地表水中含量差异显著、性质保守、检测难度低,广泛运用于地下水-地表水相互作用的研究当中。本文通过总结分析²²²Rn在不同地表水体(海水、河水、湖水等)中的应用,指出刻画地下水氡浓度的异质性是估算地下水排泄的重点和难点。在估算海底地下水排泄(SGD)时,氡的混合损失项估算不确定、海水氡浓度时空变异性、SGD的多组分特征等可能给估算结果带来较大不确定性;在估算河流地下水排泄时难以确定氡的大气逃逸量;研究人员对氡在示踪地表水补给地下水方面的研究程度相对不足。本文从科学研究和实际生产方面,对²²²Rn的研究应用提出以下潜在方向:(1)降低地下水氡空间变异性对估算地下水排泄量的影响;(2)针对不同水体、不同水文条件,准确刻画氡的大气逃逸量;(3)拓展²²²Rn示踪能够解决的科学问题;(4)将氡质量平衡模型计算与不确定分析相结合,实现软件化。     

用氡-222评价五缘湾的地下水输入

海底地下水排泄(SGD)近年来成为陆-海相互作用的研究热点,地球化学示踪方法是其主要研究手段,尝试用天然示踪剂氡-222评价厦门五缘湾的SGD。为了评价五缘湾SGD的入海通量及其变化,对五缘湾海水中²²²Rn和²²⁶Ra活度、大气中²²²Rn活度、风速、水温和水深进行了连续2 d的测量,对沉积物进行了培养实验用以获得其²²²Rn扩散通量和孔隙水中²²²Rn活度。基于海水中²²²Rn通量的质量平衡,对实测的海水中²²²Rn活度实施了母体支持、涨落潮影响、大气逃逸损失、沉积物扩散输入、混合损失的校正,保守估计SGD输入的²²²Rn通量在0~126.7 Bq/(m²·h)范围内变化,对海水中²²²Rn的平均贡献达54%。以井水和孔隙水中²²²Rn的加权平均值作为SGD端元的代表,获得SGD的输入速率为0~29.3 cm/d,平均输入速率9.3 cm/d。SGD输入速率的动态变化基本围绕12 h的周期波动,是对本海域正规半日潮的具体响应。假设SGD以平均速率在五缘湾海底输入,则五缘湾海底的SGD输入量为1.86×10⁵ m³/d。以陆源地下淡水占SGD输入量的10%考虑,五缘湾的陆源地下淡水输入量约为1.86×10⁴ m³/d。     

格尔木河222Rn同位素变化及其对地表水-地下水交互关系的指示意义

我国西北内陆干旱区水资源匮乏,生态环境脆弱,在全球气候变化和人类活动干扰背景下,采用同位素方法进行精细尺度地表水-地下水交互作用研究是探求当地水循环变化和水资源管理的基本要求。通过测量格尔木河流域河水、地下水样品2019年5月和8月的²²²Rn浓度和典型断面流量,结果发现：山区河段河水²²²Rn浓度最高,平均值为948.72 Bq·m^-3,指示基岩裂隙水是山区河段重要补给来源;山前冲洪积扇河水²²²Rn浓度最低,平均值为76.71 Bq·m^-3,地下水补给较少;溢出带地区河水²²²Rn浓度上升至平均676 Bq·m^-3,地下水溢出补给河水,向下至细土平原,河水²²²Rn浓度呈下降趋势。时间变化上,8月与5月相比,河水²²²Rn浓度下降,表明地下水补给减少。溢出带S1~S2河段河水与地下水交互关系以双向转化为主,基于质量守恒原理计算河水与地下水交互通量,5月和8月累积河水渗漏通量分别为3.87 m³?s^-1和0.9 m³?s^-1,地下水补给通量分别为0.51 m³?s^-1和0.47 m³?s^-1,河水渗漏强度大于地下水补给,二者交互通量存在时空差异。     

基于不同开采方式的煤矿涌水量预测及其环境影响分析

煤矿开采不当会对水资源与水环境造成破坏,尤其在生态环境相对脆弱地区更是如此。针对目前矿井涌水量预测大多以单一工作面或煤矿为评价单元,对沟域内煤矿群同时长期开采的地下水环境影响重视不够。选择头道河则沟域为研究区,以地下水勘查、井田勘探资料为依据,构建了头道河则完整沟域的地下水三维非稳定流数值模型,根据地下水、地表水监测数据和煤矿群开采涌水量的长观资料进行模型的识别与验证,以9#煤矿为典型矿区,分析综采和条带充填2种不同开采方式下矿井涌水量及其对水环境的影响。研究结果表明：(1)综采状态下,矿井涌水量增加0.70×10⁴ m³/d,导致地下水溢出量减少0.20×10⁴ m³/d,引发矿区及区域地下水水位下降0.21～17.92 m;条带充填开采状态下,矿井涌水量增加0.11×10⁴ m³/d,导致地下水溢出量减少0.04×10⁴ m³/d,引发矿区及区域地下水水位下降0.01～0.44 m。(2)煤矿按综采方式开采,...     

用镭-226示踪胶州湾的海底地下水排泄

海底地下水排泄（SGD）是全球水循环的一个组成部分,其输送的溶解物质不仅参与海洋的生物地球化学循环,而且影响近岸海域的生态环境。为了评估胶州湾海底地下水排泄状况,通过建立胶州湾内海水中²²⁶Ra的质量平衡模型来计算海底地下水排泄通量。胶州湾海水中²²⁶Ra的源主要有河流的输入、沉积物扩散输入和地下水的输入,海水系统在稳定状态下,这几种源应该与湾内海水和湾外海水的混合损失达到平衡。除了将地下水输入作为未知项外,对其他源和汇逐个进行量化,计算得知：2011年9-10月胶州湾的海底地下水排泄通量为7.85×10⁶ m³·d^-1;2012年4-5月胶州湾的海底地下水排泄通量为4.72×10⁶ m³·d^-1。在此基础上,对地下水输入胶州湾的营养盐进行了评价。     

基于~(222)Rn的马莲河下游地下水补给河水空间差异特征研究

河水和地下水转化关系的定量评价是流域水资源量管理和合理利用的基础。在西北内陆马莲河流域下游开展氡同位素示踪,利用河水222Rn通量模型评价了地下水沿河排泄强度。结果表明:地下水222Rn活度高于河水1个数量级,潜流带水222Rn活度受河水、地下水混合作用及沉积物氡释放影响。马莲河下游均为白垩系环河组地下水排泄补给河水,累计排泄量4.5 m3/s,占河流流量的73.2%。排泄强度存在空间变异,上段及下段为地下水强排泄区,中段作用强度较低。模型不确定性主要受地下水端元、潜流带输入及气体逸散系数三个因素控制,222Rn示踪方法在地下水补给河水型地区较为适用。     

青海湖布哈河流域枯水期氢氧同位素和氡同位素分布特征及其意义

查明青海湖布哈河流域地下水 地表水相互作用对指导青海湖国家公园生态建设和生态保护具有重要意义。本文通过水化学、稳定同位素(δD和δ18O)和放射性氡同位素(222 Rn)研究了青海湖布哈河流域地下水 地表水相互作用。结果显示,布哈河流域河水和地下水水化学主要受水岩作用影响,而孔隙水和湖水主要受蒸发结晶影响。氢氧同位素具有空间变异性。地下水与河水222 Rn活度中游高而上下游低;孔隙水中222Rn活度值在横向上随着离岸距离的增加而降低,纵向上随着深度增加而表现出降低的趋势。地表水体的222 Rn活度时间分布特征表现出明显的日间高、夜间低的昼夜循环特征。表明枯水期河水主要由地下水进行补给,中上游地区和下游地区地下水补给量占比分别为96%和87%,但是降水发生时地下水 地表水相互作用发生了转换,降水前主要是地下水补给地表水,降水后则是地表水补给地下水,占比达98%。本研究为进一步开展咸水湖及世界其他地区的类似研究提供了有益借鉴和参考。     

基于~(222)Rn质量平衡模型的胶州湾海底地下水排泄

海底地下水排泄(SGD)作为全球水循环的一个组成部分,近年来成为陆海相互作用的研究热点。地球化学示踪法是研究海底地下水排泄的主要手段。本文以环境同位素222Rn作为示踪剂,通过构建222Rn质量平衡模型来评价胶州湾的海底地下水排泄,并进一步估算地下水输入的营养盐。222Rn质量平衡模型的源项考虑了河流的输入、沉积物的扩散、母体226Ra的支持,汇项考虑了222Rn的自身衰变、222Rn散逸到大气的损失以及与湾外海水的混合损失,源汇项的差值则作为地下水输入的222Rn通量。结果表明,2011年9—10月胶州湾海底地下水排泄通量为24.2 L?m–2?d–1,2012年4—5月胶州湾海底地下水排泄通量为7.8 L?m–2?d–1。丰水季节地下水输入胶州湾的营养盐低于河流输入的,但是枯水季节地下水输入的营养盐接近河流输入的,特别是输入的活性磷酸盐和硅酸盐很接近。     

基于地下水陆面过程耦合模型的黑河干流中游耗水分析

耗水分析能够直接揭示水资源利用的本质, 蒸散发是流域尺度耗水的主体. 将一个典型的陆面过程模型和一个地下水模型紧密耦合, 从而在地下水模型中增加具有物理机理的蒸散发描述, 同时改进陆面过程模型中地下水的动力过程, 由此在发挥这两类模型各自优势的基础上, 构建了一个地下水-陆面过程耦合模型. 利用该模型模拟了黑河干流中游2008年逐小时的蒸散发过程. 结果表明: 黑河干流中游2008年总耗水量约为35.7×10⁸ m³, 耗水最大的地表类型是农作物为19.3×10⁸ m³、 裸地和戈壁为7.2×10⁸ m³、 草地为6.0×10⁸ m³、 稀疏植被为3.1×10⁸ m³, 其中, 不同地表类型的年蒸腾量分别为8.8×10⁸ m³、 0.02×10⁸ m³、 2.2×10⁸ m³以及0.4×10⁸ m³, 对应它们的年蒸散发强度分别为: 580 mm、 117 mm、 331 mm以及202 mm. 通过耗水平衡分析也得到2008年黑河干流中游地下水呈负平衡状态, 全年地下水超采约0.9×10⁸ m³, 其中区内地下水储量在7—11月间呈增加趋势, 其他各月呈减少趋势.     

洞庭湖湖区降水-地表水-地下水同位素特征

为探明洞庭湖湖区水体稳定同位素时间和空间上的变化规律,弄清各水体间的相互关系,分别在2012年4月和8月对区域内具有代表性的采样点进行了地表水和地下水的采样。通过对样品进行D、18O同位素分析,结合全球大气降水同位素监测网（GNIP）公布的1988—1992年间长沙降水同位素数据,发现湖区年内受不同盛行风影响,降水及地表水的同位素存在较大的季节性差异,4月份同位素富集,8月份贫化。此外,河水、湖水同位素也呈现明显的空间差异。两个时期地表水的水线斜率均小于当地降水线,地表水在两个时期均存在蒸发作用。虽然地表水和地下水的来源均为大气降水,但与地表水相比,地下水同位素季节变化较小,地下水接受地表水补给是一个较为长期的过程。     

基于GMS的傍河应急水源地地下水资源评价

依据铜陵太平－钟仓应急水源地水文地质条件构建水文地质概念模型.在此基础上,利用三维可视化软件GMS建立水源地地下水流数值模拟模型,并对模型进行了识别和验证.模型模拟期为一个应急供水周期180 d（2017－01～2017－06）,水源地开采层位为承压水.模拟结果表明：在采用均匀布井方案和限定开采井水位降深不超过承压含水层顶板的条件下,水源地允许开采量为11.94×10⁴ m³/d,达大型水源地规模（5×10⁴ m³/d<允许开采量<15×10⁴ m³/d）;水源地承压水在应急开采条件下,激发了长江侧渗补给量,袭夺量占水源地开采总量的27.82%.同时,通过模型模拟数据对傍河水源地地下水与地表水转换规律进行了初步探讨.     

基于长序列观测的地面沉降防控水位识别及其指示意义

2014年南水进京后北京逐步开展地下水回补工作,区域地面沉降逐年缓减,部分地区开始出现回弹。面对北京地区地面沉降开始出现的新变化,科学合理地开展地面沉降防控,精准识别地面沉降防控水位,判别其指示意义显得尤为重要。以天竺地面沉降监测站分层水位与沉降长序列观测资料揭示地面沉降防控临界点与控沉水位,利用交叉小波变换和皮尔逊相关分析等方法,定量研究不同时间段水位变幅与土体周期变化。结果表明：(1)研究区第二、第三和第四含水层控沉水位分别为-14.30 m、-17.31 m和-10.12 m,水位变幅达1.73 m、3.07 m和5.03 m;(2)分层水位与土层形变共振关系周期结果和皮尔逊相关系数验证了地面沉降临界水位时间节点为2019年6月和7月以及2020年10月;(3)区域上结合临界水位变幅时间节点和水位变幅等参数,计算出区域分层储变量为97.11×10⁴ m³、96.57×10⁴ m³和92.95×10⁴ m³。研究结果可为北京乃至全国地面沉降防控和地下水...     

地下水与地表水水量交换识别及交换量计算——以新汴河宿州段为例

为提高地下水与地表水交换量计算结果的准确性,本文利用水力联系、水头差、水温、氡-222、氢氧稳定同位素构建综合识别方法（HHTRO）,对新汴河宿州段地下水与地表水水量交换进行识别,并计算交换量。计算结果表明:研究河段单位河长地表水补给地下水的水量变化范围为8.69~366.82 m3/（d·m）,地下水补给地表水的水量变化范围为0.72~120.90 m3/（d·m）;研究河段左岸为地下水补给地表水,单位河长净补给量为45.26 m3/（d·m）;河段右岸为地表水补给地下水,单位河长净补给量为214.33 m3/（d·m）;研究河段地下水与地表水水量交换以地表水补给地下水为主,地表水补给地下水的比例为55.14%。本研究可推动地下水与地表水交换量计算方法的发展,为流域或区域水资源评价提供必要的理论方法。     

社会经济发展及气候变化对中国水资源的影响

根据 20世纪 80年代初水利部对全国水资源进行的评价,我国的多年平均降水总量为 6.2×10¹²m³,除通过土壤水直接利用于天然生态系统与人工生态系统外,可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量为 2.8×10¹²m³.按 1997年人口统计,我国人均水资源量为 2220m³,预测到2030年我国人口增至 16×10⁸时,人均水资源量将降到 176.0m³.按国际上一般承认的标准,人均水资源量少于 170 0m³为用水紧张的国家.     

用镭同位素评价海水滞留时间及海底地下水排泄

海底地下水排泄(submarine groundwater discharge, SGD)难以直接测量, 镭同位素和氡-222等天然示踪剂使得间接评价SGD通量成为可能.为了评价五缘湾的水体滞留时间和SGD通量, 实测了湾内海水、湾外海水和地下水中224Ra和226Ra的活度, 利用224Ra和226Ra半衰期的差异, 采用224Ra与226Ra的活度比值计算湾内水团的年龄和平均滞留时间, 利用224Ra和226Ra的质量平衡模型计算SGD通量.五缘湾13个站位的水团年龄在0.6~2.4 d之间, 湾顶水团年龄相对较大, 平均海水滞留时间1.4 d.地下水输入五缘湾的224Ra和226Ra通量分别为5.17×106 Bq/d和5.28×106 Bq/d, 将该通量用地下水端元的活度转换成为SGD通量分别是0.21 m3/m2/d(224Ra平衡模型)和0.23 m3/m2/d(226Ra平衡模型), 两种模型的结果较接近, 其平均值0.22 m3/m2/d可作为五缘湾的海底地下水排泄通量.      

基岩海岛地下水与海水相互作用研究

中国北方基岩海岛水文地质条件独特,气候变化和人类活动不同程度地影响着海岛地下水与海水相互作用过程,然而对包括海水入侵(SWI)和海底地下水排泄(SGD)的水文过程的定量认识比较缺乏。本研究基于2012—2016年我国北方某基岩群岛降水、地下水水位、水质动态监测数据,运用数理统计、空间插值和水力学方法,分析了基岩海岛地下水与海水相互作用的特征和影响因素。结果表明,降水和开采是影响地下水、海水相互作用的主要因素,地下水水位变化滞后于降水事件约10 d;南岛东北岸、南岸的大部分地区没有发生海水入侵,地下水向海排泄过程较稳定,2012—2016年SGD速率均值为0.2 m/d,向海NO₃^-N通量均值为81.8 mmol/(m²·d);北岛东南地区是海水入侵的严重区域,地下水水位长期低于海平面且逐年下降,2012—2016年SWI速率均值为0.3 m/d,向陆NO₃^-N通量均值为69.6 mmol/(m2·d)。分别计算南、北两岛枯水季(2014年4月)、丰水季(2013年9月)SGD水...     

陆地氡析出率的测量方法研究与应用

探讨了测量陆地²²²Rn析出率的方法,并与局部静态法进行了比对测量.结果表明:用CR-39固体核径迹探测器测量陆地²²²Rn析出率具有方法简便,易于操作,结果准确的特点,适用于大面积退役铀矿山的²²²Rn析出率的测量.用此方法测量了甘肃省某退役治理后的铀矿山废石堆场,取得了满意的效果.     

1996~2017年枯水期地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献及其时间变异性

地下水排泄在湖泊水量及营养盐均衡中发挥着重要作用,其中地下水向湖泊排泄的量化是关键,但目前对其时间变异性的研究却十分薄弱.针对这一科学问题,以长江中游重要调蓄湖泊-洞庭湖为例,通过收集1996~2017年洞庭湖流域的水文和气象数据,基于质量平衡模型,查明地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献以及地下水向洞庭湖排泄强度随时间的变化.结果显示:（1）枯水期时地下水排泄量为（0.17~1.51）亿m3/d,地下水排泄强度为38.74~207.26 mm/d,地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献为8.70%~30.37%;（2）地下水排泄量、地下水排泄强度、地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献在1996~2017年间均呈现出明显的先降低再升高的变化趋势,三峡水库蓄水后至三峡工程全面竣工初期的地下水排泄相较于三峡水库蓄水前和三峡工程全面运行后显著降低;（3）三峡工程运行对长江水位及地下水位的改变可能是引起湖底地下水排泄时间变异性的重要原因.为洞庭湖区域的水量均衡提供了新的认识,也为今后洞庭湖区域水资源开发利用和区域生态安全管理提供了理论支撑.      

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。     

1996～2017年枯水期地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献及其时间变异性

地下水排泄在湖泊水量及营养盐均衡中发挥着重要作用,其中地下水向湖泊排泄的量化是关键,但目前对其时间变异性的研究却十分薄弱.针对这一科学问题,以长江中游重要调蓄湖泊-洞庭湖为例,通过收集1996～2017年洞庭湖流域的水文和气象数据,基于质量平衡模型,查明地下水排泄对洞庭湖水量均衡的贡献以及地下水向洞庭湖排泄强度随时间的变化.结果显示:(1)枯水期时地下水排泄量为(0.17～1.51)亿m3/d,地下水排泄强度为38.74～207.26 mm/d,地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献为8.70%～30.37%;(2)地下水排泄量、地下水排泄强度、地下水排泄对湖泊水量均衡的贡献在1996～2017年间均呈现出明显的先降低再升高的变化趋势,三峡水库蓄水后至三峡工程全面竣工初期的地下水排泄相较于三峡水库蓄水前和三峡工程全面运行后显著降低;(3)三峡工程运行对长江水位及地下水位的改变可能是引起湖底地下水排泄时间变异性的重要原因.为洞庭湖区域的水量均衡提供了新的认识,也为今后洞庭湖区域水资源开发利用和区域生态安全管理提供了理论支撑.