郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验介质的选择与试验土柱建造

郑州地下水均衡试验场的改建,是中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一。在均衡试验场的改建中试验土柱构建是一个核心问题,涉及到两个方面:试验介质的选择与试验筒装填。据河南省地质地貌特征,分为五地貌单元:黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、南阳盆地、豫西黄土丘陵。结合野外调查,概化出了五个地貌单元的岩性与不同岩层的叠置关系,并通过典型地段勘查对岩性及结构的代表性进行论证,以此确定五分区各类岩性的采样地点,为试验土柱构建奠定了地质基础。试验筒的总长达90 m,按设计要求将试验土样装入试验筒。制定小柱体模拟沉降试验,求得按设计要求装填土样之沉降系数,作为试验土样装填试验筒厚度的计算依据。试验土柱装填完成后,对其进行沉降观测,确认沉降趋稳且不影响试验土柱传感器安装时,试验柱才算构建完成。郑州地下水均衡试验场改建共建造25个试验柱,试验柱的高度分别包含1 m、2 m、3 m、5 m、7 m等五个不同高度,每个高度又包含黄河北冲积平原、黄河南冲积平原、淮河冲积平原、豫西黄土丘陵、南阳盆地等五个区域包气带。     

郑州地下水均衡试验场的改建工程——主要测试设施与数据自动化采集

郑州地下水均衡试验场的改建,是由中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省环境地质监测院具体负责实施。科学技术的发展,为试验场观测数据采集的自动化奠定了良好基础。试验场数据采集需要自动化的有:3m高主杆气象站测试系统;太阳全辐射、太阳净辐射、太阳直射观测仪,E—601蒸发仪,5TM含水率、温度传感器,自动补水仪,负压测量仪。除后两项外,其他需要数据采集仪器已经市场化。后两项是作者的发明与实用专利。自动补水仪是用来模拟地下水位埋深的设备,它是以传统的马里奥特瓶补水原理为基础,采用控制电路使其可以自动补给因蒸发而消耗的水量,同时还可以记录降水的历时过程。负压测量是利用空气运动黏度约大于水运动黏度的15倍这一特性,即当水刚通过多孔瓷头时,气体不能通过多孔瓷头,据此设计了在包气带中能测定负压的传感器。数据采集则应用了惠斯登电桥平衡的补偿原理。由于控制、供电、采集数据的电缆过多,因此数据自动化采集系统应用了三级采集、逐级集成的方案。     

郑州地下水均衡试验场的改建工程——试验场监测资料的推广应用核心问题

郑州地下水均衡试验场的改建,是中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省地质环境监测院具体负责实施。针对场地尺度均衡试验资料推广至野外生产实践核心问题,采用确定型模型(水分运移方程)和随机模型(区域性包气带参数)相结合的研究方法。拟选黄河南冲洪积区24 km~2作为野外试验场地,通过场地上有限数量的采样,标定该场地包气带参数变异性特征,并借助于区域气象资料,结合地下水均衡试验场所建土壤水分运移数学模型成果,计算区域降雨入渗补给量与潜水蒸发,为地下水资源评价、地质环境评价及地下水资源可持续开发利用提供科学依据。同时也为大范围土壤面状污染评价工作奠定基础。     

地矿部地下水均衡试验研究现状与展望

1 引言地下水均衡试验研究工作是水文地质、环境地质工作的重要内容之一,其试验研究成果是正确评价地下水资源、地质环境的基础和重要依据。作为地下水勘查主要部门的地矿部已在全国(尤其是北方地区)建立了众多的地下水均衡试验场,积累了大量的监测资料,取得了不少实用价值很高的试验研究成果。作者有幸参加了1990年10月在北京召开的地矿部“全国地质环境监测总站工作会议”和1992年9月在     

砂姜黑土平原区降水入渗补给地下水规律分析

五道沟试验站以大小不同水均衡试验场经过四十余年降水入渗试验证明 :砂姜黑土平原区降水入渗补给地下水可按降水量、雨前包气带土壤蓄水量和地下水埋深等条件的不同 ,入渗补给地下水可分 4种方式进行     

基于蒸渗仪和解析法估算毛乌素沙地潜水蒸发量

地下水蒸发是旱区地下水均衡计算中重要的排泄项之一。由于包气带水分运移高度非线性且大气—地表界面动力学过程复杂,估算潜水蒸发量一直是地下水资源评价的难题之一。利用内蒙古乌审旗河南乡均衡试验场E601型蒸渗仪,建立了毛乌素沙地水面蒸发及4种典型岩性（风化砂岩K₁、萨拉乌苏组砂Qpal+l、砂质壤土Qhl、风积沙Qheol）的饱和土蒸发原位试验,结合长期观测获取的大量数据,开展了地下水蒸发与水面蒸发、埋深的关系和地下水蒸发量计算方法研究。结果表明:（1）4种典型岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）饱和蒸发量与水面蒸发量比值分别为0.60,0.77,0.47,0.88,表明不同岩性的饱和裸土的蒸发强度不等于自由水面的蒸发强度;实际计算裸土蒸发强度时,不能以自由水面蒸发强度作为参考点,如果运用,必须校正。（2）利用蒸渗仪观测数据和土壤水运动方程稳态解析解,获得4种典型岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）潜水稳定蒸发计算的关键经验系数c,分别为628932.63,165058.71,48948.21,1525104.031 m?2。（3）利用稳定蒸发公式确定鄂尔多斯盆地风沙滩区四种典型包气带岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）潜水极限蒸发深度约为60 cm,结果得到了室内非稳态蒸发试验的佐证,为研究区水资源评价提供了重要的参数依据。     

新疆三工河流域冲洪积平原区潜水蒸发特征与潜水调控

利用三工河阜北地下水潜水均衡试验场资料,对该区潜水有效蒸发期4～10月的潜水蒸发量特征进行了分析,提出了该区潜水埋深调控范围.     

《渭北黄土台塬黄土地下水赋存条件和运移特征研究报告》评审会

于六月三日至六日在西安召开。这项专题研究,选择了渭北黄土台塬区典型地段—孔泉西庄头建立了黄土包气带水分运移与地下水渗流试验场,投入了较多的勘探和试验研究工作。对台塬区地下水的形成条件与运动     

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。     

台兰河地下水库辐射井抽水过程的非稳定渗流场的有限元分析

针对台兰河地下水库大口径辐射井抽水效果的数值模拟问题,在分析了大口径辐射井渗流行为基础上,提出了应用辐射井子结构法和子结构开关器等辐射井精细模拟技术,并联用改进的截止负压法、迭代增量法和求解大型稀疏矩阵的预处理共轭梯度算法进行有辐射井影响的地下水非稳定渗流场的有限元分析。应用自主研发的三维可视化渗流有限元计算软件GWSS对台兰河地下水库辐射井抽水试验过程中的非稳定渗流场进行了数值模拟研究。研究结果表明：所有观测井计算水位的平均绝对误差为0.22 m,单井水位的平均误差最大值为 0.40 m,最小值为0.02 m,各观测井地下水位的模拟值与实测值的变化趋势吻合较好。经验证算法的合理性和程序的可靠性较好。提出的辐射井子结构法可以精细模拟辐射井的渗流行为和局部精细渗流场,可用于分析辐射井抽水过程中的地下水非稳定渗流变化及取水效率评价。     

Soil column experiments to quantify vadose zone water fluxes in arid settings

For the determination of groundwater recharge processes in arid environments, vadose zone water fluxes and water storage should be considered. To better understand and quantify vadose zone processes influencing groundwater recharge, a soil column experimental setup has been developed that mimics arid atmospheric conditions and measures water and temperature fluxes in high temporal and spatial resolution. The focus of the experiment was on the determination of water infiltration, redistribution, evaporation and percolation under non-isothermal conditions. TDR rod sensors and a specific TDR “Taupe” cable sensor were used for water content measurements and allowed the infiltration fronts to be traced over the whole column length. Applying single irrigations of different amount and intensity showed the applicability of the experimental setup for the measurement of water movement in the unsaturated soil column.     

南水北调中线河南省受水区浅层地下水水位演化规律

南水北调中线工程供水后对河南省受水区浅层地下水位、用水结构等产生了重要影响。首先回顾了河南省平原区以往地下水位埋深变化,并通过收集、统计2008—2018年河南省受水区浅层地下水位的监测成果,基于ArcGIS软件,针对南水北调中线供水前后河南省受水区浅层地下水位变化进行量化分区;结合降水量、地下水资源量、供水量等资料对供水前后河南省受水区用水结构变化等进行分析。结果表明:自20世纪60年代至2008年,河南省平原区浅层地下水位平均埋深整体逐渐增加;河南省受水区地下水资源量随降水量增加呈线性增加趋势;南水北调中线一期供水后,2015—2018年平均地下水供水量在地下水资源量中的占比较2008—2014年减少9.55%;受水区浅层地下水位有所回升,且主要体现在埋深 > 8~12 m范围向埋深 > 4~8 m及≤4 m范围的转变,埋深 > 12~16 m及 > 16~20 m范围在受水前后基本保持不变,埋深 > 20 m的区域范围有所减少;2008—2014年各监测点分布县区的浅层地下水位呈下降趋势,2015—2018年供水期间有2/3以上县区浅层地下水位逐渐恢复;农林渔业用水和工业用水占比在供水后均有所减小,城乡生活、环境综合用水占比增加明显。研究结果表明南水北调中线工程对河南省受水区浅层地下水位恢复及缓解供水矛盾问题等产生积极有效的影响。      

Advances in Moisture Migration in Vadose Zone of Dryland and Recharge Effects on Groundwater Dynamics

The vadose zone is the zone in between the land surface and above the groundwater table at vertical profile with partial water saturation and under the unsaturation condition, which constitutes the connections among atmospheric water, surface water and groundwater. Soil moisture migration in the vadose zone is a rather complicate process, which controls the rates of groundwater depletion and recharge, and has close hydraulic connections with highly frequent water transfers on the interfaces among the irrigation farmland, sand dunes, wetlands, lakes, and other landscape types. Recent development on soil moisture migration simulations and the application of tracer techniques, geophysical techniques and other geological methods in the vadose zone research, the factors affecting soil moisture migration and groundwater recharge,and soil moisture migration effects on moisture exchange between different landscapes were reviewed in this paper. Several suggestions on the future research were presented here: ① An intense field observation and research database should be initiated and constructed to determine the soil hydraulic parameters, and quantify the influence of moisture migration in vadose zone on the groundwater recharge; ② The proposed observations and researches should learn from the “Critical Zone Observatory”, and focus on the coupling of the soil moisture migration, solute transport and groundwater recharge.     

巴丹吉林沙漠潜水蒸发的数值模拟研究

为了确定巴丹吉林沙漠潜水蒸发强度与地下水埋深的关系,基于巴丹吉林沙漠的气候背景、砂土特征和不同地下水埋深时的典型植被特点设计了54种情景,利用Hydrus-1D建立不同情景下的SPAC水分运移模型,对周期性气象条件驱动下的潜水蒸发开展数值模拟。模拟结果表明:多年平均潜水蒸发量有着随地下水埋深增大而非线性减小的趋势;不同情景的极限埋深都大于3m,在埋深等于3m时潜水蒸发量都小于最大值的5%;当地下水埋深为0.5~1.5m时,潜水蒸发量对地下水埋深的变化最为敏感;当地下水埋深为1m时,潜水蒸发量对包气带岩性的变化也很敏感;在地下水埋深小于0.5m和大于1.5m的区间,气候、岩性、地下水埋深的变化对潜水蒸发量的影响变得微弱。另外,多年平均潜水蒸发量和地下水埋深的这种非线性关系可以用一个新提出的经验公式进行较为准确的拟合,将这个研究结果用于评价巴丹吉林沙漠湖泊集中区地下水的蒸发消耗,发现潜水蒸发总量显著大于湖面蒸发总量,前者约为后者的2.5~2.6倍,必须在沙漠水分平衡的分析中加以考虑。     

毛乌素沙地植被与地下水关系

以植被的种群和盖度、地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量等指标,研究毛乌素沙漠腹地地区植被与地下水的关系,确立了研究区优势植被沙蒿（Artemisia）、沙柳（Salix psammophila）和苔草（Carex）的适生地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量。研究表明：地下水埋深、包气带含水量对植被种群影响非常敏感,而地下水矿化度和包气带含盐量则为不敏感指标。另外,地下水埋深对以地下水为水分来源的植被盖度较为敏感,而总盖度为不敏感指标。     

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...     

西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

鉴于包气带蒸发的水分是从地表散失,故查明裸土蒸发规律对研究包气带水分蒸发、潜水蒸发问题具有重要意义。为了查明西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度规律,通过开展裸土含水率观测、包气带负压观测等野外原位试验,结合气象资料,对包气带剖面流场特征进行分析,采用有限差分法对裸土蒸发强度进行计算。结果表明：依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态,将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带;西北内陆干旱盆地裸土包气带极限蒸发深度为1.2 m;受外界蒸发能力和包气带向上输水能力交替控制作用,盆地内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月,其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大,平均蒸发强度达0.56 mm/d;裸土蒸发强度平均仅占水面蒸发强度的3.5%,最大达6.7%。     

鄂尔多斯盆地北部风积沙覆基岩型包气带结构的生态意义

风积沙覆基岩型包气带结构在鄂尔多斯盆地北部分布面积最广.在其结构及其属性特征分析基础上,重点解析了结构内垂向上土壤水分的富集规律;以沙蒿为例,对喜沙耐旱植被的生长与风积沙厚度、地下水水位埋深间的关系进行了探讨.认识到风积沙覆基岩型包气带结构有利于土壤水富集,是鄂尔多斯盆地北部沙蒿、沙柳等耐旱喜沙植被分布与生长的决定性因素,对维系盆地北部生态系统有重要作用;而地下水位埋深与沙蒿等耐旱植被生长间的关系并不密切.在进行盆地北部地下水资源评价及开发方案制定过程中,应对风积沙覆基岩型包气带的生态意义给予重视.