深循环地下水维系黄土高原风尘颗粒连续沉积

黄土高原地区的降水入渗试验表明,降水在入渗过程中受到了蒸发作用,并未入渗到潜水,土壤水中的氘氧同位素与地下水相近,这表明土壤水主要来自于地下水。外源水是黄土高原发源的河流、湖泊的主要补给源,当地的降水仅在汛期补给河流与湖泊。鄂尔多斯盆地黄土地区地下水的分水岭与基底断裂带的分布基本上重合,这暗示着地下水可能来自于基底断裂带,通过基底断裂带上涌的深循环地下水将风尘颗粒粘滞成颗粒团,形成了连续的风尘堆积,深循环的地下水成为维系风尘颗粒在黄土高原连续沉积的必要条件。分析黄土中CaCO3的物质不平衡和钙结核内部无生长层理以及碳氧同位素表现出高度均一性特征,得出黄土中的次生碳酸盐矿物也是由上涌地下水携带来的,并非大气降水入渗造成。调查发现,黄土塬规模的大小与塬轴对称中心钻孔的涌水量成正比关系,表明黄土塬风尘颗粒以对称形式沿着断裂连续地堆积,涌水量越大,所粘聚的风尘颗粒越多,塬的面积也越大,涌水量较小的断裂只能形成墚或峁结构。     

鄂尔多斯自流盆地地下水来源争议问题讨论

本文讨论了鄂尔多斯自流盆地地下水来源存在争议的两种学术观点,指出了前人关于鄂尔多斯地下水补给、径流、排泄模型所存在的问题:①在四水转化过程中缺少了最重要的研究内容——土壤水的运动,通过概念模型得到的地下水循环模型不能解释地下水分水岭与基底断裂带重合的事实.②部分学者在进行地球化学反向模拟的的研究中,没有对白云石、方解石中的同位素进行对比分析,碳同位素不支持模拟分析结果.③采用14C测定地下水年龄中受到深部CO2的干扰,在中国北方地区不适合采用14C测定地下水的年龄.笔者等通过黄土剖面土壤水中的氘—氧同位素与Cl-分布特征,指出鄂尔多斯盆地的降水非但不能补给到地下水中,而且土壤水的主要来源是地下水.鄂尔多斯自流盆地的主要补给源是外源水,深大断裂带是导水的主要通道.     

新疆三工河流域厚层包气带区地下水垂向补给量的厘定

通过对荒漠区荒地、绿洲区耕地及摞荒地厚层包气带剖面土壤水的含水率、易溶盐离子及稳定同位素(δD、δ18O)的测定和分析,对厚层包气带区土壤水的补给来源及地下水的垂向补给量进行了厘定。结果表明:荒漠区荒地、绿洲区耕地与摞荒地土壤含水率、易溶盐中氯离子与土壤水氢氧同位素在垂向上均呈现旋回变化,每个旋回经历了一次新水入渗补给的过程。绿洲区土壤水与荒漠区土壤补给水中的δD值为-124.10‰~-94.44‰,土壤补给水来源于冬季大气降水或降雪的入渗补给。绿洲内耕地区、摞荒地区及荒漠区地下水垂向入渗补给量分别为1.29~5.53 mm/a、0.52~1.85 mm/a及0.03~0.08 mm/a。     

基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程

华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗、蒸发和蒸腾的方式存在,同位素可以作为一种有效"示踪剂"揭示降水入渗补给地下水的过程。选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点,研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明,土壤非均质条件下(沧州),降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用,活塞流入渗的同时土壤100 cm深度可能还存在大孔隙优先流;土壤均质条件下(衡水),降水向下均匀入渗,入渗速度较快,土壤水运动以新水基本代替老水的活塞流为主要形式,并经过强烈的蒸发浓缩作用补给地下水。     

阿拉善沙漠湿沙层水分来源同位素示踪

为弄清阿拉善沙漠湿沙层的水分来源,在该地区进行了人工模拟降水入渗的示踪试验。模拟单次降水量为59 mm,观察剖面最大入渗深度仅为46 cm,这一结果表明该地区的降水几乎不能通过沙层入渗到地下水中。对4个沙丘湿沙层剖面中不同深度的含水率、Cl-、δD与δ18O进行了分析,数据显示在蒸发能力极强的阿拉善地区,地下水是以薄膜水的形式,通过蒸发、凝结向地表运动,最终蒸发排泄。泉水、井水、湖水与土壤水中的同位素特征表明具有相同的补给源,均来自于地下水。推断横穿阿拉善地块的杂多-雅布赖断裂带与狼山-日喀则断裂带中可能存在地下水深循环通道,青藏高原河流、湖泊的渗漏水可能是阿拉善地下水的主要补给源。     

阿拉善沙漠湿沙层水分来源同位素示踪

为弄清阿拉善沙漠湿沙层的水分来源,在该地区进行了人工模拟降水入渗的示踪试验。模拟单次降水量为59 mm,观察剖面最大入渗深度仅为46 cm,这一结果表明该地区的降水几乎不能通过沙层入渗到地下水中。对4个沙丘湿沙层剖面中不同深度的含水率、Cl-、δD与δ18O进行了分析,数据显示在蒸发能力极强的阿拉善地区,地下水是以薄膜水的形式,通过蒸发、凝结向地表运动,最终蒸发排泄。泉水、井水、湖水与土壤水中的同位素特征表明具有相同的补给源,均来自于地下水。推断横穿阿拉善地块的杂多-雅布赖断裂带与狼山-日喀则断裂带中可能存在地下水深循环通道,青藏高原河流、湖泊的渗漏水可能是阿拉善地下水的主要补给源。     

一维土壤水分运动模拟在土壤水分特征研究中的应用——以华北平原衡水实验站为例

受地形特征以及人类活动的影响,华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗和蒸发为主,其中,非饱和带对降水和地下水之间的转化具有重要作用。本文选择衡水作为华北平原地下水浅埋区的典型代表点,利用HYDRUS-1D建立了一维数值模型,以平水年2005年夏季作为模拟期,通过计算降水入渗量、蒸散发量、土壤水储存量的变化及地下水补给量等,揭示了该实验点的土壤水分运动特征以及土壤水在降水和地下水转化之间的作用。结果表明降水后土壤水和地下水都得到补给,土壤水储量增加,但由于强烈的蒸发和蒸腾作用(分别占降水补给量的63%和12%),水分消耗较快,因此总的入渗补给量为25%,土壤总储量增加不大;此外,土壤水和地下水联系密切,土壤深层水分在饱和和非饱和状态之间频繁转换,其间没有明确的界面分割,由此说明土壤水在"三水转化"过程中的重要性。     

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。     

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。     

新疆乌鲁木齐河流域北部平原区水文地球化学

乌鲁木齐河流域是西北干旱地区内流盆地的典型代表,也是水文地质研究的重点区域。本次研究利用以往工作的资料,并在流域下游北部平原区采集地下水和地表水样品21组,用无机离子作为示踪剂,结合环境同位素的分析,提出乌鲁木齐河流域平原区的地表水普遍溶解有蒸发盐,与晚全新世(近4000年)以来我国西北地区气候不断变得干旱有关;并将北部平原区的地下水划分为三层不同水体:现代水(埋深21~65 m)是乌鲁木齐河河水经蒸发后入渗补给的,而下面二层水为晚全新世初期(埋深179~259 m)和晚更新世末次冰期(埋深~353 m)补给的水都是原地的降水入渗。     

Conversion relationship of rainfall-soil moisture-groundwater in Quaternary thick cohesive soil in Jianghan Plain,Hubei Province,China

The scientific field test site of rainfall-soil moisture-groundwater conversion in Dabie Mountain Area–Jianghan Plain is located in the northern region of the Jianghan Plain, the transition zone between the Dabie Mountain Area and Jianghan Plain. It’s a great field test site to study the material and energy exchange among rainfall, soil moisture, and groundwater of the Earth ’s critical zone in subtropical monsoon climate plain areas. This paper analyzed the connection between rainfall and volume water content (VWC) of soil at different depths of several soil profiles, and the dynamic feature of groundwater was discussed, which reveals the rainfall infiltration recharge of Quaternary Upper Pleistocene strata. The results show that the Quaternary Upper Pleistocene aquifer groundwater accepts a little direct rainfall recharge, while the lateral recharge is the main supplement source. There were 75 effective rainfall events among 120 rainfall events during the monitoring period, with an accumulated amount of 672.9 mm, and the percentages of effective rainfall amount and duration time were 62.50% and 91.56%, respectively. The max evaporation depth at the upper part in Quaternary cohesive soil was no less than 1.4 m. The soil profile was divided into four zones: (1) The sensitive zone of rainfall infiltration within 1.4 m, where the material and energy exchange frequently near the interface between atmosphere and soil; (2) the buffer zone of rainfall infiltration between 1.4 m and 3.5 m; (3) the migration zone of rainfall infiltration between 3.5 m and 5.0 m; and (4) the rainfall infiltration and groundwater level co-influenced zone below 5.0 m. The results revealed the reaction of soil moisture and groundwater to rainfall in the area covered by cohesive soil under humid climate in Earth ’s critical zone, which is of great theoretical and practical significance for groundwater resources evaluation and development, groundwater environmental protection, ecological environmental improvement, drought disaster prevention, and flood disaster prevention in subtropical monsoon climate plain areas.     

黄土中水分迁移规律现场试验研究

黄土地区降雨诱发滑坡是不争的事实,但黄土地区地下水位很深,降雨入渗地面后如何运移,与地下水有无直接联系,目前还不是很清楚。为此设计了人工滴水试验模拟天然降雨条件,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,观测人工滴水入渗过程中不同深度土体含水率随时间的变化情况,以确定其入渗影响深度。监测结果显示：降雨量为3.82 mm/d (小雨)时,0.5 m内土体含水率变化明显,0.5 m以下土层含水率几乎没有变化;降雨量为10.31 mm/d(中雨)时,1 m内土体含水率有所增加;降雨量达25.21 mm/d(大雨)时,1 m内土体含水率增长明显,1.0～1.6 m范围内有微弱增长;随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。这说明在干旱的黄土地区,若无明显入水通道,短期内降雨的入渗深度有限,很难到达地下水位;但深部古土壤层的观测结果表明,即使在其上部黄土中含水率变化极其微弱的情况下,古土壤中的含水率上升明显,表明黄土中非饱和渗流或水汽迁移是存在的。通过试验还表明,陇东黄土高原地区土壤中水分循环主要发生在浅层0.7 m以内的蒸发带。降雨入渗到蒸发带以内,若无后续降雨补给,则向上蒸发排泄;若入渗至蒸发带以下,则不受蒸发影响,得以继续向下迁移;当遇到不透水面时,会在层面附近富集,有限元模拟也较好地反映了这一规律。     

Application of HYDRUS-1D in understanding soil water movement at two typical sites in the North China Plain

Recharge and discharge, such as rainfall infiltration and evapotranspiration in vertical direction, are major processes of water cycle in the shallow groundwater area of the North China Plain. During these processes, soil water movement in the unsaturated zone plays an important role in the transformation from rainfall infiltration to groundwater. The soil water movement models were developed by using HYDRUS-1D software at two typical experimental sites in Cangzhou (CZ) and Hengshui (HS) with different soil, vegetation and similar climate conditions. As shown in the results, the comparison in precipitation infiltration features between the two sites is distinct. The soil water experiences strong evaporation after precipitation infiltration, which accounts for 63% of the total infiltration at the HS site where the soil is homogenous. It is this strong evaporation effect that leads to slight increase of soil water storage. At the CZ site, where the soil is heterogeneous, the evaporation effect exists from July to October of the simulation period. The total evaporation accounts for 33% of the total infiltration, and the evaporation rate is slow. At the end of the simulation period, the soil water storage increases and the water table decreases, indicating a strong storage capacity at this site.     

Isotopic constraints on the origin of groundwater in the Ordos Basin of northern China

Despite its extreme aridity, the Ordos Basin in northern China is rich in groundwater. Many artesian wells or springs with large fluxes are utilized for drinking, irrigation and industrial production. In a search for the origin of the groundwater, a detailed investigation of the stable isotopes of oxygen and hydrogen in the local precipitation, the river water, the springs, the well water, as well as the soil water extracted from six soil profiles in the Ordos Basin, was carried out. The data show that δD, δ¹⁸O and TDS values of the river water are similar to those of groundwater, while the TDS values of the soil water are about ten times greater than those of groundwater. Furthermore, the mean isotopic compositions of the local precipitation are significantly higher than those of river water and groundwater. Based on the chloride mass balance method, the estimated recharge rates range from 5.2 to 17.2 mm/year, with a mean value of 10.5 mm/year. The results show that the main source of recharge of the groundwater in the Ordos Basin is not the local precipitation, but must come from a region where the precipitation is characterized by much lower δD and δ¹⁸O values. In addition, the groundwater in the Ordos Basin contains a component of mantle-derived ³He and crust-derived ⁴He suggesting that the groundwater may partly derive from flows through basement faults beneath the Ordos Basin.     

种植条件下潜水入渗和蒸发机制研究

在天山北麓昌吉地下水均衡试验场，选择具有代表性的作物玉米进行不同埋深条件下的模拟种植试验，分析研究种植条件下不同潜水埋深水平的潜水入渗补给量、潜水蒸发损耗量、土壤水储存量和作物耗水量的变化规律。研究成果对于地下水资源和土壤水资源评价以及地下水和土壤水资源的有效调控利用具有重要实用意义。     

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.     

鄂尔多斯盆地基底断裂及其现代活动性

对鄂尔多斯盆地基底断裂特征及其活动性作了总结、归纳与分析。结果表明,鄂尔多斯盆地不仅是一个四周被活动断裂或深大断裂围限的块体,其内部还存在大量规模不等的基底断裂,并具有明显的分区特征。盆地内基底断裂带可分成4组：几乎贯穿整个盆地的华池-米脂-大同北东向断裂带;盆地北部的多条东西向断裂带和中部的定边-绥德、南部的庆阳-富县-宜川等东西向断裂带;中部发育的定边-吴起、乌审旗-榆林北西向断裂带与盆地东西两侧的近南北向巨型断裂带。鄂尔多斯盆地内存在的现代构造地貌以及普遍发育的雁行状、X共轭状节理等现象,是新构造运动的直接表现;盆地内存在的深部流体活动信息、现代地球化学景观特征以及众多的小地震、微地震活动及其与基底构造的密切关系,反映了这些断裂的现代活动性。     

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。     

土壤包气带中气体对入渗水流运动影响的实验研究

利用专门的实验系统,研究了降雨入渗过程中土壤包气中气压势形成、发展和消亡的规律及其对下渗水流运动的影响。结合成因分析,探讨了气压势形成的条件;审视和解释了气压势与土壤水总势能和地下水位的相互关系。实验结果表明,在地下水位埋深较浅的条件下(<2m),积水入渗时所形成的气压势将使下渗量减少1/3。