基于生态圈层结构稳定的地下水位计算与调控

干旱区绿洲灌区水资源集中开发使用,改变了地下水潜流场分布,造成了盐渍化和荒漠化并存的生态问题,严重威胁着绿洲的生态安全。以生态圈层结构理论为基础,深化研究潜水影响层概念内涵,构建干旱平原区潜水蒸发概念性模型,以黑河罗城灌区为例,从机理上揭示干旱区荒漠化与盐渍化的地下水埋深条件并进行定量计算与调控,主要成果如下:①描述了造成内陆河干旱区绿洲内部盐渍化和过渡带荒漠化的潜水蒸发运移规律,利用潜水影响层定义了盐渍化与荒漠化地下水临界埋深,并进行了定量计算,得到罗城灌区绿洲内部次生盐渍化的地下水临界埋深为1.3~1.5 m,过渡带荒漠化地下水临界埋深为8~13 m;②讨论了潜水影响层厚度定量公式中关键参数土壤当量孔径和液体表面张力在不同生态问题中的合理取值;③提出一种协同缓解干旱区盐渍化和荒漠化的地下水位调控方案,实现改善灌区内部盐渍化、控制过渡带荒漠化和水资源高效利用等多个目标。     

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.     

滞后补给权函数与包气带的关系

降雨入渗补给潜水存在滞后效应.利用HYDRUS程序建立垂直一维非饱和渗流数值模型,模拟了补给过程对脉冲式地面入渗的响应.根据不同潜水面埋深补给强度的变化过程计算补给权重,获得了滞后补给权函数曲线.模拟结果表明权函数曲线具有单峰形式,随潜水面埋深增加,峰值减小,其出现的时间推迟.相对粗颗粒土壤,缅颗粒土壤产生的权函数峰值较小,出现时间更晚.前人提出的滞后补给权函数经验公式能够近似地刻画单峰曲线形态,在包气带介质颗粒较粗、潜水面埋深较小时比较适用,但是对细颗粒土壤和潜水面埋深较大的情况则存在一定的偏差.土壤类型和含水量的垂向分布,都可以通过对包气带渗透性的控制而影响滞后补给过程.可为研究地下水模型处理动态降雨入渗补给及包气带溶质淋滤过程提供参考.     

称重式蒸渗仪潜水蒸发量的计算

自然环境下的土壤水分入渗、蒸发是相反的过程,入渗是土壤水分经包气带土壤调蓄,垂直下渗补给潜水的运动,蒸发是土壤水分经包气带毛细管及土壤根系层的作用,向土壤表面的运动。本文利用自动称重式蒸渗仪—模拟野外大田生态水文实验环境的大型实验装置,通过设定地下水埋深1.5 m,及垂向剖面上安装的土水势、土壤水分、土壤温度传感器监测资料,气象观测资料,分析土壤水蒸发机理,依据土壤蒸发的确定可采用水量平衡原理,求得实验时段裸面条件下潜水蒸发量计算成果,为平原区浅层水资源计算,精准灌溉试验的研究提供服务。     

地下水埋深较浅时给水度的概念与实例

在浅层地下水资源的计算和评价中,给水度是十分重要的参数。特别是在地下水埋深较浅时,如果毛管水的影响能达到地面,则给水度不仅与岩性有关,而且还随着地下水埋深和变幅(补给时为升幅,消耗时为降幅)而变。只有在埋深较深以及毛管水的影响达不到地面时,给水度才与岩性有关,若研究地区的土壤为各向同性和均质,则给水度为不变的常直。目前,在理论和实践上都证实了这点。     

种植条件下土壤水与地下水相互转化研究

选择天山北麓平原两种代表性作物冬小麦和玉米，人为控制不同潜水埋深条件下进行了种植试验，分析研究了种植条件下土壤水和地下水相互转化机理。计算了不同潜水埋深条件下冬小麦和玉米各生育期和全生长期的实际蒸发蒸腾量、潜水补耗差、包气带土壤储水量变化量及同期的潜在蒸发量，结果表明潜水埋深对土壤水和地下水相互转化及农业生态环境具有重要影响。引入了包气带一潜水系统水分转化量均衡临界深度(Z0)概念，发现潜水埋深小于Z0时，潜水向土壤水的转化起主导作用，潜水和土壤水同时对作物需水具有重要动态调节作用，潜水埋深越浅潜水的动态调节能力越强，但是潜水埋深过浅又可能引起土壤次生盐渍化等农业生态环境问题；当潜水埋深大于Z0时，土壤水向潜水的转化起主导作用，土壤水对作物需水仍具有动态调节能力，而潜水基本失去或完全失去对作物需水的动态调节作用，但是有利于潜水入渗补给，增加地下水资源。     

陕北能源化工基地资源开发引起的植被生态风险

地下水和煤炭资源开发是否会破环生态环境,以及会给生态环境安全带来多大的风险,是陕北能源化工基地资源开发和生态环境保护中不可逾越的课题。以陕北能源化工基地生态环境最为脆弱的风沙滩地区为研究区,在研究地下水位埋深与植被生态关系的基础上,建立了不同地貌类型、不同潜水水位埋深对应的植被群落类型和植被指数的分布关系,利用Modflow软件建立了风沙滩地区地下水流数值模拟模型,采用蒙特卡洛方法建立了植被生态随机模型,根据地下水水位埋深与植被生态的关系实现了地下水流模型和植被生态模型的耦合求解,对地下水资源和煤炭资源开发可能引起的植被生态变化进行预测和风险评估。     

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。     

塔里木盆地盐化草甸植被净初级生产力对全球变化的响应

地带性植被净初级生产力(NPP)的形成除受自身的生物生态学特性制约外,主要决定于环境中热量和水分状况的分配及组合。随着全球变化与陆地生态系统研究的开展,以模型为主要手段预测植被生产力对气候变化响应的研究逐步深入,相继提出了一些利用气候指标或指数估算植被净初级生产力的模型,如Miami模型、Chikugo模型和北京模型等。但利用上述模型无法估算盐化草甸植被等非地带性植被的NPP,因为它们的形成不依赖于大气降水,而主要依靠地下水。由于土壤蒸发能综合反映土壤的水热状况,与NPP的形成关系密切。因此,作者利用以阿维扬诺夫公式计算所得的不同地下水埋深的潜水蒸发与实测的盐化草甸植被净初级生产力数据,拟合了     

陕北能源化工基地地下水开发的植被生态效应及对策

为了建立陕北能源基地基于生态良性循环的地下水开发利用模式,依据生态学和水文地质学原理,采用生态-水文地质调查与遥感定量分析相结合的方法,在研究陕北能源化工基地的植被生态空间分布特征、近30年来的演化趋势和影响因素的基础上,从植物类型、植物根系、植被指数与潜水埋深对比分析入手,建立了本区地下水位埋深与植被生态的依存关系,确定了影响植被生态的地下水位阈值,并开展了地下水开发的植被生态环境效应敏感性区划,提出了基于生态良性循环的地下水资源开发利用对策。     

西北典型内陆流域地下水与湿地生态系统协同演化机制

以生态输水为代表的湿地修复工程在西北内陆流域得到了广泛应用,生态输水情形下地下水与湿地植被的交互作用决定着湿地生态系统的演化过程。以西北典型内陆流域—石羊河流域青土湖湿地为研究区,基于地下水-湿地生态系统多要素一体化动态监测网络,结合稳定同位素和卫星遥感技术手段,分析生态输水情形下的地下水动态变化与湿地植被恢复情况,从水文地质角度揭示地下水与湿地生态系统的协同演化机制。结果显示:夏季末和秋季生态输水时,湖水补给地下水且土壤含水率增大,最大土壤含水率可达0.45 m³/m³;冬季湿地湖面和表层土壤冻结,湖水对地下水补给量减少,春季冻土和湖面消融导致地下水略有回升,同时增大土壤含水率;夏季在下次生态输水前湖面面积最小(湖面面积最小约为1 km²,地下水水位最大埋深为3.6 m),部分区域地下水补给湖水,此时表层土壤含水率也最低(最小土壤含水率为0.01 m³/m³);夏季末和秋季生态输水通过将生态水储存在地下水和土壤中进而作用于次年的植被恢复与生长,增大生态输水所形成的湖面面积有助...     

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。     

包气带岩性结构对地下水生态功能影响特征

西北内陆流域下游区天然植被对地下水生态功能具有强烈依赖性,而包气带岩性结构对地下水生态功能具有明显影响,但是在目前的研究中,缺乏定量分析评判。以甘肃石羊河流域下游天然绿洲区为研究区,基于包气带岩性结构野外调查、室内土柱试验和Hydrus1-D数值模拟,研究包气带岩性结构与地下水耦合作用的生态效应,分析不同岩性结构包气带...     

张掖城市湿地保护区生态需水量分析与计算

浅埋的地下水位以及泉水溢出是张掖城市湿地形成的主要原因。在充分考虑保持湿地现状的同时,顾及到湿地区内农耕区不至于因地下水位变化而产生负茴环境地质影响。将2005年8月份湿地保护区水位埋深,确定为保持湿地现状的地下水位埋深临界值。按照张掖城市湿地保护区的基本特征、表现、生态保护目标,生态需水量主要包括湿地植被蒸腾量、湿地土壤蒸发量、灌溉需水量以及景观建设需水量等。计算得生态需水量为3053．87×10^4m^3/a。湿地生态需水量的分析与计算对于制定合理的湿地保护措施具有重要意义。     

柴达木盆地生态植被的地下水阈值

生态植被的地下水阈值是指植被依赖地下水生长的最大水位埋深和溶解性总固体含量（TDS）。控制地下水开采生态风险的基础是弄清生态植被与地下水的依存关系并给出地下水阈值。文章利用遥感数据集MOD13Q1和水文地质调查获得的实测数据,统计分析了柴达木盆地主要平原区生态植被与潜水的水位埋深、TDS的关系。结果表明:天然植被依赖地下水的阈值是水位埋深为5.3 m、TDS为7.5 g/L;埋深＞5.3 m地带的天然植被基本与地下水无关;埋深＜1.1 m是水生植被、湿生植被与湿生耐盐碱植被适宜生长的水位埋深区间;埋深1.4~3.5 m是耐盐植被及中生植被与旱生植被适合生长的水位埋深区间;TDS≤1.5 g/L适宜植被生长,1.5 g/L＜TDS≤5 g/L较适宜植被生长,5 g/L＜TDS≤7.5 g/L基本不适宜植被生长,TDS＞7.5 g/L不适宜植被生长。     

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。     

Modelling the response of vegetation restoration to changes in groundwater level,based on ecologically suitable groundwater depth

Groundwater-level fluctuations at a large scale have a significant effect on the preservation and restoration of vegetation. This study determined suitable groundwater depth within which natural vegetation grows well, and analysed the effect of groundwater regulation on vegetation restoration in Tianjin City, northern China. Normal and lognormal distributions were used to fit the curve of the relation between vegetation and groundwater depth. The groundwater depth range corresponding to the higher frequency of vegetation distribution was regarded as the ‘suitable water depth’ range for vegetation growth. The suitable groundwater depth for shrub growth was 3–5 m and for grass growth 1–3 m. A groundwater flow model predicted the future changes of groundwater depths in the vegetation distribution area under the condition that the current levels of groundwater extraction are maintained. The results showed that there is potential for the extraction of groundwater in shrubland areas, but for grassland areas the water-table elevation showed a downward trend, meaning that water shortages in some areas may be more severe in the future. Finally, based on the current groundwater extraction regime, two regulation schemes were developed: (1) for shrubland, groundwater extraction was reduced by 10% in the ecological water deficit areas, and extraction was increased by 10% in the ecological water surplus and suitable areas, and (2) for grassland, groundwater recharge was increased by the restoration of the wetland areas. In conclusion, the groundwater depths in most of the area would be more suitable for vegetation growth under the regulation schemes.     

地下水计算参数的测定与估计

叙述了浅层地下水资源评价中几个常用参数(给水度、降雨入渗补给系数和潜水蒸发系数)的测定和估计方法,并结合实例进行剖析.通过分析,得到几点新的认识:(1)给水度值同注水的方式有关,在实际情况中,由于农田表层土壤疏松,且有作物影响,因而其最大值会出现在地表附近;(2)用抽水试验法测定给水度,其值因孔而异;(3)降雨入渗补给系数与土壤结构和给水度的关系密切,一般随着埋深的增加,该系数随之减小;(4)不同季节和不同作物,潜水蒸发系数不同,表现在计算公式上的参数也不相同.