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。     

黑河干流浅层地下水与地表水相互转化的水化学特征

通过分析黑河干流地表水与地下水的水化学特征,识别沿黑河干流不同地带地下水与地表水的相互转化关系.研究结果表明:(1)在祁连山区,地下水与地表水的转化以地下水向河流排泄为主.(2)南部盆地,在山前戈壁带,出山河水入渗转化为地下水;溢出带地下水以泉的形式转化为地表水;进入细土平原后,汛期河水补给地下水,非汛期地下水补给河水;在农灌区引河水通过田间入渗补给地下水.(3)北部盆地,在金塔灌区,地下水主要接受引水灌溉入渗补给;在金塔灌区到额济纳旗,河流入渗转化为地下水.     

基于环境同位素技术的河水补给研究——以沈阳黄家傍河水源地为例

河水入渗补给是傍河水源地的主要补给来源,确定河水补给强度对于促进水源地长期安全的开采具有十分重要的意义。以沈阳黄家水源地为研究区,通过对比研究区河水、地下水的水化学及氢氧稳定同位素特征,分析了水源地地下水的补给来源及强度。结果表明:傍河水源地地下水主要接受河水的入渗补给和区域地下水的侧向补给;受河床沉积物和含水介质的岩性及结构在空间上的差异影响,河水入渗补给后在向地下水位漏斗中心流动的过程中具有浅层和深层两条地下水流路径,深层地下水与河水的水力联系更为紧密;河水对地下水的补给强度具有明显的时空变化特点,表现为雨季河水入渗强度明显大于旱季,并且随着与辽河距离的增加,水源地地下水获得的河水补给量呈逐渐减小的趋势。     

层状非均质性影响下河流对地下水的补给过程研究

河流对地下水的补给过程研究是科学认识水循环规律及地下水资源可持续管理的基础。河床沉积层与其下伏潜水含水层岩性差异是河流下伏含水层的主要结构特征,也是控制河流对地下水补给过程的主要因素。为揭示含水介质分层结构特征影响下河流对地下水的补给过程,基于黄河干流河南段野外试验结果,建立了地表水地下水相互作用概念模型,并以地下水流路径为对象,精细刻画了地表水地下水的相互作用过程。结果表明：(1)河流对地下水的补给量主要受河床沉积层渗透性影响,河床沉积层厚度变化对河流向地下水的补给量影响不大。即：河床低渗透性沉积物的存在是河流向地下水补给量降低的主要原因,当河床沉积层与其下伏含水层厚度比(HS/H)由0增大为0.125时,河流向地下水补给量的减小幅度达72%。(2)与均质条件相比,河床沉积层渗透性及其厚度变化均明显改变了河水向地下水补给的水流路径及径流时间。随着河床沉积物与下伏含水层渗透系数比K_U/K_L的增大,河水向地下水补给的水流路径穿透深度增大,径流时间延长。(3)河流对地下水的补给量及地下水径流时间对低渗透性河床沉积层渗透系数的敏感性随渗透系数的减小...     

分布式光纤测温技术在黑河中游地表水与地下水转换研究中的应用

本研究首次应用分布式光纤测温技术,监测张掖市临泽县平川段的黑河河床表面温度与河水温度,确定了该时段黑河中游湿地临泽平川段的地表水地下水转换情况。分布式光纤测温系统温度分辨率为0.01℃,采样间距为0.25m,时间间隔为4min。通过对全长550m的河床表面温度与河水温度连续监测,分析该区段温度场动态,发现试验区河段河流受地下水补给,有地下水溢出带。通过河床表面温度与河水温度、环境温度的对比,清楚反映了该河段温度异常带的分布与变化规律,明确了地下水溢出带的位置与地下水溢出强度。     

河水与地下水作用带内井中流对温度示踪结果影响的实验研究

进行河水与地下水温度示踪研究时,若采用长滤网井监测温度,在井中存在垂向水流运动(简称井中流)的情况下,井中监测到的温度不能代表实际深度处的温度,而长滤网监测井目前还在广泛应用。针对此,开展了室内物理模拟实验,以探讨井中流对温度示踪结果产生的影响。本研究采用砂槽模型模拟野外实际不同情况下的水流及温度变化条件,在均质、各向同性、完全饱水的稳定流条件下进行了三组地下水补给河水的对比实验,分别为空白实验1、监测井影响实验2以及井中流影响实验3。随后,利用获取的水位及温度数据对比分析了井中流对温度示踪河水与地下水相互作用结果产生的影响及影响机理,并根据一维垂向热运移解析解计算对比了地下水流速。结果显示实验2与实验1的所有结果基本一致,而实验3井中水流的垂向运动导致温度示踪结果与实验1所代表的实际情况发生偏差,计算流速比实际流速大83.72%。据此得出结论:在垂向水流占主导时,井中流的影响不可忽略,建议在野外研究中截断井中垂向水流通道以避免井中流对温度示踪结果的影响。     

北京怀柔地区入渗河水空间分布研究

河水入渗路径和范围对确定地下水补给条件,以及水资源调控和合理利用有着重要意义。针对2015年以来怀柔地区地下水水位回升现象,开展了地下水动态影响因素研究,采集了河水和地下水样品,测试了水化学和氢氧稳定同位素组成。δD-δ18 O数据表明该区有河水入渗补给地下水,河流附近地下水为地下水与入渗河水的混合物。利用地下水δ18O值以及二元混合模型计算了地下水中入渗河水的比例,揭示出地下水中河水占比减小方向与地下水水力梯度下降方向一致;局部河段附近地下水Cl-含量增加,表明河水入渗会引起地下水水质变化。入渗河水影响范围的圈定为评价入渗河水对地下水的影响提供了重要数据。该项工作对理解研究区地下水水文过程、控制因素以及水资源管理具有指导意义。     

济南泉域浅层地下水水化学同位素研究

文章系统地分析了济南泉域浅层地下水(第四系孔隙水)和地表水的水化学成分和氢氧稳定同位素,并结合当地地形和水文条件,研究了不同地段浅层地下水和地表水的不同补给来源,揭示了浅层地下水与岩溶水的水力联系,得出浅层地下水在市区和东郊以降水入渗补给为主;在西郊和平安店则以岩溶水顶托补给和地表水(河水和水库水)入渗补给为主、当地降水入渗为辅的结论。为保护泉水、优化泉域内地下水开采方案提供了重要依据。     

白洋淀湖岸带地表水与地下水垂向交换研究

地表水与地下水相互转化关系一直是水文地质研究的热点问题。以往研究更多关注河流的河岸带,但对于相对静止水体——湖泊的湖岸带研究相对偏少。选择白洋淀湖岸带作为研究对象,在周边湖岸带系统部署水位、水温监测系统,采用温度示踪法,开展白洋淀湖岸带区域的地表水与地下水垂向交换量化研究。同时,结合达西定律,间接反演获取垂向渗透系数,系统总结出一套联合利用温度示踪法和达西定律定量研究湿地垂向水交换的方法。结果表明,白洋淀湖岸带以地表水渗漏补给地下水为主,其垂向交换流速可达0.2～1.1 cm/d,沉积岩性主要为粉质黏土、粉土及粉细砂,垂向渗透系数为0.038～0.912 m/d。研究结果可为制定白洋淀湿地补水方案和生态环境保护措施提供基础数据支撑。     

黄河河床沉积物渗透性的试验研究

本文应用竖管测定法对黄河中游龙门—潼关段的河床沉积物的渗透性进行了试验研究,测得了黄河河床沉积物的垂向渗透系数和水平渗透系数;应用地下水模拟软件,研究了河水与地下水的相互作用,为研究黄河水与地下水相互关系奠定了基础。     

大清河流域平原区地下水人工补给潜力与补给方式分析

为了有效提升大清河流域平原区地下水水位,亟需在此区域开展地下水人工补给工程,并确定合理的建设位置及有效的补给方式。首先基于研究区可利用补给水源、地下水位、地表高程、地表坡度及与河道距离5个指标的分布特征,构建地下水补给潜力评价体系,采用ArcGIS空间分析功能对研究区进行了地下水人工补给潜力区划;然后在此评价体系基础上,在典型人工补给高潜力区进一步开展系列野外现场试验,探讨适宜可行的地下水人工补给方式。结果表明：研究区西北部及南部河道附近区域开展人工补给工程潜力较高,而中部、北部及西南部远离河道的区域潜力较低。高潜力区——白沟引河地段包气带及含水层渗透性良好,整体渗透系数均在5 m/d左右或更高,适宜地表补给,但河床渗透性较差,渗透系数基本在0.01~0.09 m/d间,若通过河道补给需配合清淤等措施。其中,在上游及中游沿岸适宜将河道水通过生态水渠引至修建的地表入渗池或借助天然渗坑内入渗补给,在中下游沿岸区域适宜将补给水进行严格的水处理后采用井灌方式补给,在白沟引河中下游河道适宜修建拦水坝,利用河道进行入渗补给。     

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。     

贾鲁河中牟段河岸带地下水流及水质特征研究

该文以河南省贾鲁河中牟段为研究区,探究贾鲁河与河岸带浅层地下水的补排关系以及河水对浅层地下水的影响。通 过野外地质调查、水文地质试验、水位监测及水质检测,分析河岸带地表水与地下水的补排关系及污染特征。结果表明,受 中牟县抽取地下水的影响,该河段周围浅层地下水位低于河水位,河流补给地下水,平均单宽补给量为2.04 m2·d-1;河水中 NH3和COD污染较为严重,地下水中“三氮”均超标,其中NO2和NH3污染严重;河水NH3-N浓度远高于地下水,接受河 流补给的地下水NH3污染严重;因硝化作用,远离河流地下水NH3-N浓度逐渐降低,而NO3-N浓度逐渐升高。     

城市化对呼和浩特市潜水补给影响研究

城市化对地下水补给的影响已严重干扰了区域地下水均衡,引发了各种生态环境问题。在呼和浩特市自然地理及水文地质调查的基础上,运用GIS并结合地下水均衡计算的方法,探究城区扩张下以呼和浩特市为中心的研究区潜水补给量的变化。结果表明：从1986—2014年,研究区城镇面积扩大了约358倍。在城市化引起的地下水开采量增大、土地利用方式改变、景观河改造等因素影响下,研究区潜水疏干面积从119 1 km2扩大到10476 km2,年侧向补给量减少9 06115×104 m3;降水入渗补给量减少84385×104 m3;农灌水回渗补给量减少27944×104m3;河道渗漏补给量减少8638×104m3;城市供水管网漏失入渗量增加1 752×104m3。对比1986年和2014年,研究区潜水补给量从13 22501×104 m3减少至4 70703×104 m3,减少了644%,其中减少比例最大的是侧向补给量和降水入渗补给量。城市化使呼和浩特市潜水补给量大大缩减,迫切需要合理规划城市发展和地下水资源开采。     

Multi-tracer investigation of river and groundwater interactions: a case study in Nalenggele River basin,northwest China

Environmental tracers (such as major ions, stable and radiogenic isotopes, and heat) monitored in natural waters provide valuable information for understanding the processes of river–groundwater interactions in arid areas. An integrated framework is presented for interpreting multi-tracer data (major ions, stable isotopes (²H, ¹⁸O), the radioactive isotope ²²²Rn, and heat) for delineating the river–groundwater interactions in Nalenggele River basin, northwest China. Qualitative and quantitative analyses were undertaken to estimate the bidirectional water exchange associated with small-scale interactions between groundwater and surface water. Along the river stretch, groundwater and river water exchange readily. From the high mountain zone to the alluvial fan, groundwater discharge to the river is detected by tracer methods and end-member mixing models, but the river has also been identified as a losing river using discharge measurements, i.e. discharge is bidirectional. On the delta-front of the alluvial fan and in the alluvial plain, in the downstream area, the characteristics of total dissolved solids values, ²²²Rn concentrations and δ¹⁸O values in the surface water, and patterns derived from a heat-tracing method, indicate that groundwater discharges into the river. With the environmental tracers, the processes of river–groundwater interaction have been identified in detail for better understanding of overall hydrogeological processes and of the impacts on water allocation policies.     

江苏沿淮地区淮河水与地下水补排关系研究

从淮河江苏段与地下水含水层关系出发,认为淮河河床切割了地下水承压含水层。地下水的水动力特征表明地下水接受了淮河水的补给。从水质研究的角度印证了地表水与地下水的补排关系。将淮河水与潜水、微承压、承压水之间进行聚类分析,印证了微承压、承压水与淮河水同源。     

通过永定河渗漏补给地下水的适宜性评估研究

受气候变化和人类活动等因素的综合影响,地下水超采和含水层水量亏空已成为备受关注的全球性问题。为了弥补含水层水量亏空和促进地下水资源涵养,已探索出多种人为干预地下水补给的措施,其中通过河道开展地下水人工补给由于具有明显优势而受到重视。已有实践表明,受渗漏补给潜力和包气带调蓄能力等的限制,并不是所有河流或河段都适宜开展地下水人工补给工作。目前缺乏为大家广泛接受的适宜性评估方法。本研究以永定河生态补水为契机,以北京平原段河道和下伏含水层为研究区开展了案例研究,并用实测数据对研究结果进行了检验。应用指标体系法建立的适宜性评估模型（LMBGITSC模型）包括河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型、包气带厚度、包气带给水度、包气带水平渗透性等8个指标。案例研究结果表明,沿河流流向,通过河道渗漏补给地下水的适宜性由好变差（防渗河段除外）。该规律主要受渗漏补给潜力和包气带调蓄能力控制,因此适宜性也呈现出“阶梯式”演变规律。检验结果表明所建的评估方法适用性较好。该方法具有可移植性,因此也可为其他同类地区提供参考。     

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。     

北京市永定河地下水库水资源储蓄能力研究

北京市永定河冲洪积扇中上部,具备建设地下水库的基本条件。本文在确定永定河地下水库水资源人工补给方式的基础上,分析了各方式的入渗能力,提出了地下水库的人工补给方案,利用地下水数值模拟的预测结果和有效储水率计算公式,首次研究了地下水库的储水能力,分析了永定河地下水库的水资源补给效果。结果表明,永定河地下水库水资源人工补给能力最大可达18．93m^3／s,回灌地表水2．42×108m^3的情况下地下水位最大回升32m,地下水储存量增加2．09×108m^3,回灌后1年和5年的有效蓄水率分别为78．6％和46．8％,北京永定河地下水库具有较好水资源回灌能力、储存能力,地下水人工调蓄能够起到明显的效果。