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。     

不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟

为研究土壤冻融过程中不同地下水位对土壤的补给规律,在室内进行了两组不同地下水边界条件下的土柱冻结试验:A组无地下水补给,土柱高度60 cm;B组地下水维持在距土柱表层60 cm深度处。土壤在冻结过程中水分及盐分均呈向上运移趋势,稳定浅地下水补给会加剧水分及盐分向上运移,造成上层土壤盐分的聚积,影响土壤剖面的热量平衡,引起剖面温度的重新分布,从而减缓冻结锋的推进速度。运用HYDRUS-1D冻融模块对不同地下水埋深(0.5 m,1.0 m,1.5 m,2.0 m,2.5 m)情况下冻结过程中水分运移规律进行了模拟。模拟结果表明:累积补给量在埋深小于1.5 m时随埋深增加而有所增加,而当地下水埋深大于1.5 m时,累积补给量随着埋深增加而有所减小,甚至保持不变。     

西北内陆盆地潜水与土壤水转化关系研究

在天山北麓昌吉地下水均衡试验场,选择天山北麓平原的三种代表性岩性(粘土、细砂、砂砾石)进行天然条件下的潜水入渗补给和潜水蒸发模拟试验研究。观测不同岩性的潜水入渗补给量和潜水蒸发量,计算潜水补耗差,分析岩性和潜水埋深对潜水补耗差的影响。研究成果对于认识西北内陆干旱平原区土壤水与潜水的转化关系、涵养和保护地下水资源具有重要意义。     

不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟

为研究土壤冻融过程中不同地下水位对土壤的补给规律,在室内进行了两组不同地下水边界条件下的土柱冻结试验: A组无地下水补给,土柱高度60cm;B组地下水维持在距土柱表层60cm深度处。土壤在冻结过程中水分及盐分均呈向上运移趋势,稳定浅地下水补给会加剧水分及盐分向上运移,造成上层土壤盐分的聚积,影响土壤剖面的热量平衡,引起剖面温度的重新分布,从而减缓冻结锋的推进速度。运用HYDRUS-1D冻融模块对不同地下水埋深（0.5m,1.0m,1.5m,2.0m,2.5m）情况下冻结过程中水分运移规律进行了模拟。模拟结果表明:累积补给量在埋深小于1.5 m时随埋深增加而有所增加,而当地下水埋深大于1.5 m时,累积补给量随着埋深增加而有所减小,甚至保持不变。     

新疆乌拉泊水均衡试验场凝结水对地下水补给的观测研究

通过1989~1995年新疆乌拉泊水均衡试验场潜水埋深4m处包气带凝结水对地下水补给的观测:卵砾石2.58mm/a、细砾3.15mm/a、中砂9.90mm/a、细砂35..87mm/a、粉土10.04mm/a。最有利于包气带凝结水形成的时间是每年的4~9月;包气带凝结水量的大小与土体颗粒相对比表面积和渗透系数相关,推测粉砂的凝结水量约为20mm/a,粘性土小于10mm/a;凝结水对地下水补给的最大量约为50mm/a。综合气候和水文地质条件分析,认为本试验研究成果在我国西北干旱区具有代表性,估算西北地区凝结水对地下水的总补给量大于3×1010m3/a,可能大于平原降水入渗量,在某些区域可能是最主要的地下水补给源。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

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。     

降水入渗补给地下水滞后时间分析探讨

利用地中蒸渗计多年资料,对不同岩性、不同埋深的蒸渗计降水入渗补给地下水滞后时间进行了分析。认为不同埋深、不同岩性的降水入渗补给地下水滞后时间随着降水特性、前期含水量的不同,表现为不同的时间段,降水入渗补给地下水滞后时间与地下水埋深符合乘幂关系,并推出了相应的数学模型。     

“开敞系统”下单向冻融试验装置的研制与应用

季节冻土区的冻胀和融沉作用显著,对该地区构筑物造成了不同程度的冻害破坏,尤其对地下水埋深较浅区域尤为严重,故开展可对大尺寸模型进行不同地下水水位下单向冻融过程模拟的系统装置的研制,具有重要的科研意义和工程价值。研制的该冻融系统装置,主要包括箱体结构、制冷/热系统、边界温控系统、供电系统、地下水补给系统、保温隔热系统和量测系统等组成。箱体结构由6 mm厚钢板材料制作而成;制冷/热系统主要由基于帕尔贴效应的半导体制冷片组成实现制冷/热;边界温控系统主要依靠电子温控器进行控温;地下水补给系统主要利用改进型的马里奥特瓶进行地下水的补给;保温隔热系统主要采用V0级橡塑保温板;量测系统可根据试验目进行自由搭配组合。使用该试验装置对大尺寸新疆粉质黏土土样进行了在地下水埋深分别为80 cm和40 cm下的单向冻融过程试验研究,试验结果表明:在冻结和融沉过程中,温度的变化速率与土层距制冷/热板的距离成反比;冻结锋面的迁移可分为2个阶段;冻结过程中含水率变化分为快速和缓慢变化2个阶段;冻胀量的变化可分为2个阶段;融沉量的变化可分为3个阶段。温度、含水率、冻结锋面和冻融量变化等试验结果均证明了此试验装置的可靠性,此装置可为研制能对大尺寸模型进行开放条件下单向冻融模拟的设备提供借鉴。     

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。     

基于地中渗透仪的入渗补给方式分析

文章通过在某均衡试验场地中的渗透仪上开展土壤水流穿透试验,分析灌溉水对地下水补给方式。试验结果表明:淹灌条件下,粉细砂扰动土中的穿透曲线为典型的单峰对称型,表明粉细砂中的土壤水通过活塞式入渗补给地下水;而亚粘土中的穿透曲线显示多峰、优先穿透、拖尾等现象,表明亚粘土中的土壤水以优势流方式补给地下水。通过对均衡场降水入渗补给的长观资料分析发现:在自然降雨条件下亚粘土中优势流明显,粉细砂中主要以活塞流为主。     

应用环境示踪剂探讨巴丹吉林沙漠及古日乃绿洲地下水补给

巴丹吉林沙漠位于我国西北部的阿拉善高原。近年来,许多中外学者应用天然水样及土壤水分的水化学、同位素等技术手段研究了该地区地下水补给及环境演化。基于这些研究,试图给出巴丹吉林沙漠和古日乃绿洲一个完整的二维地下水系统概念模型。巴丹吉林沙漠地下水在浅埋区和出露区蒸发,同时接受少量当地降水补给,其最终的排泄区是古日乃绿洲。巴丹吉林沙漠地下水垂向补给微弱,地下水很可能是更新世晚期至全新世早期周边的雅布赖山区降水径流及发源于祁连山的河流古河道补给的古水。在全新世中-晚期,地下水得到有限的降水补给,并且经受蒸发作用。随着千年尺度的气候转型,两千年以来,巴丹吉林沙漠干旱化加剧,正在经历地下水位下降、湖泊绿洲逐渐萎缩消亡的过程。     

干旱区植被盖度增加对降水入渗补给地下水的影响——试验研究与数值模拟

随着西北旱区生态恢复工程的实施,该区生态环境持续改善,植被盖度不断增加。但植被冠层截留与蒸腾耗水加剧了包气带水分的亏空程度,减小了降雨对地下水的补给。采用原位试验方法,分析了植被覆盖区和裸土区不同深度土壤水势的变化规律。结果表明,受蒸发和蒸腾的共同作用,植被覆盖区平均土壤水势(-74k Pa)远低于裸土区(-16k Pa),且变化剧烈,土壤水以向上运动为主。而裸土区土壤水势高,变化小,40cm以下土壤水向下运移,因此可以持续补给地下水。采用Hydrus-1D软件进行了长序列土壤水数值模拟,定量分析了植被盖度增加与地下水补给的关系。数值模拟结果表明,在裸土条件下,降雨对地下水的补给量介于82~333mm/a之间,平均值为197mm/a,平均降水入渗补给系数为0.53。而在植被覆盖的情况下,地下水的补给量几乎为0。最后,从植被蒸腾耗水和冠层降水截留2个方面讨论了旱区植被盖度增加对降雨入渗补给地下水的影响,提出了旱区水与生态和谐发展的建议。     

砂箱模型模拟休耕田区以砂桩补注地下水对溶质传输影响

水田在休耕期间蓄水,除了可维持水田原有之生态机能外,亦可增加土壤水分涵养与补注地下水.利用砂箱来模拟休耕田区中打入砂桩以补注地下水时,砂桩存在对灌溉水中之溶质在土壤中传输之影响.由试验结果得知当砂桩贯穿牛踏层时可增加水分入渗速率约40倍,相对的,砂桩亦加速溶质在不同土壤层间之传输速率,尤其在牛踏层下方之土壤为砂层时,其影响更为显著.因此,蓄水过程中需注意水源之品质,以避免土壤与地下水受污染.     

A 40 ka record of temperature and permafrost conditions in northwestern Europe from noble gases in the Ledo‐Paniselian Aquifer (Belgium)

The Ledo‐Paniselian Aquifer in Belgium offers unique opportunities to study periglacial groundwater recharge during the Last Glacial Maximum (LGM), as it was located close to the southern boundary of the ice sheets at that time. Groundwater residence times determined by ¹⁴C and ⁴He reveal a sequence of Holocene and Pleistocene groundwaters and a gap between about 14 and 21 ka, indicating permafrost conditions which inhibited groundwater recharge. In this paper, a dataset of noble gas measurements is used to study the climatic evolution of the region. The derived recharge temperatures indicate that soil temperatures in the periods just before and after the recharge gap were only slightly above freezing, supporting the hypothesis that permafrost caused the recharge gap. The inferred glacial cooling of 9.5°C is the largest found so far by the noble gas method. Yet, compared to other palaeoclimate reconstructions for the region, recharge temperatures deduced from noble gases for the cold periods tend to be rather high. Most likely, this is due to soil temperatures being several degrees higher than air temperatures during periods with extended snow cover. Thus the noble‐gas‐derived glacial cooling of 9.5°C is only a lower limit of the maximum cooling during the LGM. Some samples younger than the recharge gap are affected by degassing, possibly related to gas production during recharge in part of the recharge area, especially during times of melting permafrost. The findings of this study, such as the occurrence of a recharge gap and degassing related to permafrost and its melting, are significant for groundwater dynamics and geochemistry in periglacial areas. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

美国Sand Hills地区地下水数值模拟及水量平衡分析

利用地下水数值模型MODFLOW和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区(Sand Hills)地下水位进行了模拟,并分析了含水层补排水量,河流与地下水补排关系,以及区域水平衡过程。揭示了独特沙丘地形和土壤特性对地下水补排量的影响。模拟结果表明,入渗率大、非饱和带厚的沙丘有利于降水入渗补给,减少了地下水蒸散发损失。加上下覆含水层具有良好的地下水储水空间,是该地区储存丰富的地下水量,以维持河流稳定流量,供给众多湖泊和湿地的原因。该研究对我国地下水资源评价和生态环境脆弱地区水资源保护具有指导意义。