塔里木河下游应急输水的水生态环境响应

塔里木河下游357km河道断流近30年,向塔里木河下游实施应急输水抢救生态环境,是世界范围内流域退化生态系统恢复与重建的稀有案例。以此为背景,在生态环境本底状况调查的基础上,通过大量的监测资料,应用河道水力学、地下水动力学以及植被生态学,以河道水量沿程消耗-地下水位动态变化-植物恢复为主线,摸清了水流在河道纵向、河道横向两侧和垂向剖面中的运移、转化和消耗规律,研究分析了应急输水的水生态环境三维响应特征和植被恢复效应。为创建和完善干旱区受损生态系统输水、修复与重建的评价体系打下基础,也为塔里木河流域综合治理提供技术支撑。     

塔里木河下游生态输水后地下水变化规律研究

为准确反映塔里木河下游生态输水工程后地下水的动态变化,实现为本地区开展大规模的生态恢复和重建工作提供科学依据,在塔里木河下游沿321km河道上布设了9个监测断面和39口监测井,采用电导法定期监测地下水位近3年。结果显示:输水后地下水位在河道纵向、横向上有各自的变化规律,说明生态输水的效益是逐步显现的。因此,对本地区生态输水的综合评价应该放在几年以后再开展。同时,通过对生态输水后地下水位变化的分析,提出了调整输水规模和方式的建议。     

Statistical analysis of groundwater chemistry of the Tarim River lower reaches,Northwest China

This study applied a comprehensive quantitative approach including statistical, principal component and gray relation analyses to assess the groundwater chemistry based on monitored data from 840 samples collected from the lower reaches of Tarim River from 2000 to 2009. The main findings were: (1) there were six types of groundwater chemistry in the lower reaches of Tarim River where Cl·SO₄–Na·Mg was the dominant type accounting for 73.57% in all samples. There were linear relationships among chemical parameters, where TDS had significant multiple correlations with Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ and Cl⁻, respectively. (2) Three principal components (PC1, PC2 and PC3) were extracted. They included comprehensive measurements for salinization, alkalinity and pH, respectively. Most parameters showed decreasing trends during the period of 2000–2009, as well as the scores on PC1, because the concentrations of various chemical substances were diluted due to the uplift of the groundwater table in the lower reaches and the implementation of the ecological water delivery project in 2000. (3) HCO₃ ⁻ was the most sensitive chemical parameter affected by the groundwater table followed by TA, Mg²⁺, TH, SO₄²⁻, K⁺, TDS and TS. PC2 was the most sensitive principal component to the change of the groundwater table followed by PC1 and PC3.     

生态输水条件下塔里木河下游断面尺度地下水流数值模拟

由于中国西北地区地表水资源有限,地下水则成为重要的备用水资源,而地表水和地下水转化过程及其耦合模拟是水资源开发利用和科学评价的基础,因此,为了准确反映塔里木河下游间歇性生态输水后地下水的动态变化,以塔里木河下游英苏断面为例,基于Boussinesq方程建立了改进的地下水动力学(GH-D2)模型,模拟了塔里木河下游绿色走廊典型断面地下水对全时段(2000-2015年)间歇性生态输水的响应过程。结果表明,尽管Boussinesq方程的GH解能较好地模拟地下水位的瞬态变化,但模拟地下水位多年变化的结果并不理想,而改进的GH-D2模型考虑了间歇性生态输水对地下水位变化的滞后效应,对长时间尺度地下水位变化的模拟具有较好的效果。与GH和GH-D1模型相比,GH-D2模型模拟的地下水位值更接近于观测值,这将对塔里木河下游实施科学合理的生态输水计划以及生态恢复和重建策略提供关键的技术支撑。     

Groundwater flow and geochemistry in the lower reaches of the Yellow River: a case study in Shandang Province, China

Water samples were collected from the Yellow River and from wells for chemical and isotopic measurement in the counties of Yucheng and Qihe, to which 6–9×10⁸ m³ of water is diverted annually from the Yellow River. A zone of high electrical conductivity (EC) in groundwater corresponds well on the regional scale with a ridge in groundwater level, which is the main flow path through the region, but has a low gradient. The zone of highest EC along this ridge occurs at a position with the lowest ground altitude in the study area. The unique characteristic of the groundwater is the linear relationship among the principal anions as the result of mixing. The mixing effect is confirmed by its isotopic signature, which was then used to calculate the contributions from three sources: rainfall, old water, and diverted water with an average mixing rate of 18, 17, and 65%, respectively. As an indicator of water movement, Cl^– content varies across a wide range in the profile from 30–10 m with a maximum concentration at about 1.2 m depth. Concentrations are relatively stable at about 2 m, which is the average boundary of the saturated and unsaturated zone. The water from the Yellow River has proved to be dominant in mixing in the aquifer in terms of groundwater flow and geochemistry. Electronic Publication     

塔里木河下游胡杨林耗水数值模型

基于SHAW（Simultaneous Heat and Water）模型,以基本观测要素、植被参数和土壤剖面水热观测数据为模型的输入,对河岸胡杨林的耗水过程、土壤剖面水分变化和能通量进行了较小时间尺度上的模拟研究。结果表明,采用SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值间存在较大偏差。因此,为了进一步提升水热耦合SHAW模型在干旱区的实用性,引入了地下水位因子GSI（Groundwater-Soil water Interaction）,建立了改进的SHAW（GSI-SHAW）模型,解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题。采用SHAW模型和GSI-SHAW模型对胡杨耗水量的模拟进行了对比研究。结果显示,SHAW模型和GSI-SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值的相关性系数分别为0.8533、0.9075,其平均相对误差分别为21.4%、16.9%,可见,改进的SHAW模型的模拟值更加接近试验观测值。地下水位的考虑一定程度上提升了传统SHAW模型的模拟精度,为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。     

塔里木盆地塔中低凸起地层水化学特征对不整合的响应

对塔中低凸起地层水化学特征与不整合之间关系的研究结果表明,地层水化学特征对不整合具有很好的响应。在遭受强烈抬升和剥蚀、之间形成不整合的奥陶系和志留系,以及紧靠不整合面附近的石炭系CⅢ油组,其地层水具有矿化度、Cl-含量、K Na 含量和r(Cl-Na)/rMg值相对较小,而HCO3-含量、rNa/rCl值和rSO42-×100/rCl值相对较大的特点,反映出地质历史时期大气降水的影响。在志留系与石炭系之间以及志留系与奥陶系之间的不整合面附近,地层水的矿化度、r(Cl-Na)/rMg值和B3 含量变小,而rNa/rCl值和rSO24-×100/rCl值变大,具有典型的遭受大气淋滤的地层水化学基本特征。     

新疆塔里木河下游柽柳、芦苇对生态输水的响应

通过对塔里木河下游生态输水过程中地下水埋深变化的动态监测和天然植物生理指标的测试分析, 探讨了塔里木河下游柽柳、芦苇对生态输水的响应. 研究表明, 塔里木河下游河道输水对抬升其附近的地下水位起到了明显效果, 地下水埋深呈逐级抬升过程. 输水河道附近的地下水埋深由输水前的5～8 m抬升到了2～4 m; 植物各项生理指标对地下水位变化反应敏感, 表现出明显的梯度变化. 不同植物生长由于对地下水位要求深度不一样, 随地下水位变化而表现出不同的响应, 芦苇的反应敏感区约在150～200 m之间, 而柽柳则多在200～250 m之间. 结合野外样地的实际调查分析推测, 芦苇和柽柳的胁迫地下水位分别为3.5 m和4.0 m.     

塔里木河下游输水优化配置模型研究

在调查塔里木河下游各子区生态用水需求的基础上,采用带约束条件的非线性优化理论建立了塔里木河下游各子区优化分配水量模型。采用Kuhn-Tucker条件,对模型进行求解,合理分配了各子区的输水水量。计算结果表明,通过向塔里木河下游河道输水3.4亿m3,可改善下游生态面积达1 490 km2。所建模型为将来的应急输水及水资源的合理配置提供了技术支持。     

塔里木河下游输水过程的分析与模拟

塔里木河下游已经干涸断流多年,其"绿色走廊"濒临消失.自2000年5月至2001年11月,先后3次实施向塔里木河下游输水,使下游的水文状况得到了改善,生态得到了一定程度恢复.根据塔里木河下游3次应急输水的有关资料,在输水过程的分析与模拟方面进行了研究,重点是第2次输水过程的分析模拟.从流量沿程损失率及水头前进速度出发,模拟了历次输水的流量沿程分布、输水距离、输水历时及输水水量,为评价输水的水文效应及选择适当的输水方案提供了初步依据.     

塔里木河水质盐化及改善途径

塔里木河在1958年前是一条淡水河,河水的矿化度在各段及不同季节均未超过1.0g/L,现全河段各月平均矿化度除8月洪水季节<1.0g/L,其余各月都在1.0g/L以上。上游阿拉尔水文站平均每年有5个月为1～3g/L,4个月为3～5g/L,2个月超过5g/L,最高5月份达到6.3g/L.阿拉尔的淡水所占比例不足年平均径流量的35%.下游卡拉全部为微咸水。造成塔里木河水矿化度升高的原因,除气候干旱、蒸发强烈、土壤含盐量高等自然因素外,主要是灌溉、排水不合理,上游三条主要支流灌溉引水增加,使补给干流的淡水资源量由1960年前的50.0亿m3减少到1990年后的42.0亿m3;与此同时大量农田排水泄入塔里木河,每年带入盐量达467.4万t.要改善塔里木河水质,必须减少农田排水泄入,实行咸、淡分流,退耕还林;并在源流区适度开发地下水,使三源流向塔里木河输水量每年不少于46.0亿m3。     

永定河生态补水的地下水位动态响应

永定河流域生态修复是京津冀协同发展的重要议题,地下水位对生态补水动态响应的研究是关键的科学问题。以2020年春季永定河生态补水实践为研究基础,采用地下水均衡分析、相关分析和聚类分析等多种技术手段,详细讨论了不同河段河道渗漏损失、地下水动态变化与控制因素。研究发现,2020年春季大流量生态补水河道的渗漏损失率（20%~40%）比2016年（30%~60%）和2019年（41%~58%）的小流量生态补水低;生态补水条件下,77眼观测井地下水动态呈现显著回升、变化不显著和持续下降三种变化规律;根据影响因素划定了河道渗漏补给主控型、河道渗漏和降水主控型、河道渗漏-降水-地下水开采作用明显型、河道渗漏-降水-地下水开采作用不明显型4种类型。其中,河道渗漏主控型的监测井在补水期的地下水位迅速升高,升幅一般在1~19 m之间,最大达20 m,而且存在明显的滞后性。这些规律可为制定科学的生态补水方案提供技术参考。     

西北黑河下游额济纳盆地地下水系统研究(上)

本文从额济纳盆地含水系统结构及埋藏分布、地下水补给与排泄、地下水流场、水化学特征、水环境同位素等方面的综合分析入手,将全盆地划分为潜水和承压水2大子系统,并进一步区分出5个亚系统及次亚地下水流系统.     

石羊河流域中下游绿洲土地利用变化与水资源动态研究

根据1986年和2000年的TM影像数据,利用地理信息系统(GIS)技术通过景观斑块的转移矩阵计算,分析了石羊河流域凉州区和民勤两个典型绿洲近15年来的土地利用变化;并利用不同时期中下游绿洲水资源量和开发利用程度,结合种植业结构,分析了该区域水资源利用动态变化。结果表明,耕地大量增加,凉州区和民勤绿洲分别增加了6302 hm2和36434 hm2,民勤绿洲林地大面积减少,2000年林地面积仅为1986年的55%,绿洲面积减少了23365 hm2;而中游凉州区绿洲面积却增加了8167 hm2;上下游用水量之比从20世纪50年代的1.612急剧增大到90年代的8.33,用水矛盾日益突出,下游水库来水量40年来下降达63.1%;地下水开采强度日益增加,机井分布密集,地下水位大幅度下降;种植业结构不合理,耗水量较大的粮食作物所占的比例过大。     

黄河下游地区浅层地下水资源特征及保护建议

随着黄河下游城市经济的快速发展,有限的黄河水资源与不断增长的居民用水之间的矛盾日趋突出。为提高应急供水的保障程度,保障人民群众生命安全,维护社会稳定,本文以利津县浅层地下水资源调查为例,采用现场地质调查、物探、水质分析、水文地质孔钻探与抽水试验等相互结合的试验方法查清了该地区可利用的地下水资源分布和具体资源量。并基于以上研究成果,结合各种取水方法的适用条件,提出了浅层地下水水源地范围和开发利用方案。研究成果为利津县的供水安全和人民生活水平的提高,提供水资源保障具有十分重要的现实意义和战略意义。     

疏勒河流域中下游盆地地下水功能评价

疏勒河流域中下游盆地大规模的水资源调配利用引起了该区地下水资源功能、生态功能和地质环境功能变化.文章介绍了用层次分析法评价地下水功能的方法,构建了疏勒河流域中下游盆地地下水功能评价体系,对单项功能和综合功能进行了5级划分与评价,并依据评价级别分别指出地下水应用前景,结果与其水文地质条件及环境状况相适合,可作为该区地下水功能区划的基础.     

Environmental effects of water resource development and use in the Tarim River basin of northwestern China

The unbridled development and use of water resources in the Tarim River basin over the last 50 years have led to a serious degradation of soil (>12×10³ km² of land desertified between the 1960s and 1990s) and water quality (rise in maximum salinity was from 1.3 g l^–1 in 1960, to 4.0 g l^–1 in 1981–1984, and to 7.8 g l^–1 in 1998). Approximately 300 km of the lower reaches of the river course dried up between the 1950s and 1970s, seriously altering the downstream hydrological processes (a 4–6 m drop in groundwater levels from the 1960s to the 1980s, and 0.2 m yr^–1 thereafter) and ecosystems (67% and 50% decrease (1958–1978) in Populus euphratica forest acreage and biomass, respectively). Between the 1950s and 1990s, 3820 km² of P. euphratica forest and 200 km² of shrub- and grassland were lost in the lower reaches of the Tarim River. In this study, based on estimates of soil organic carbon in desertified lands, it has been found that in the last 30 years (1970–2000), approximately 112 Tg of organic carbon (28% originating in the 0–1.0 m soil profile) has been released into the atmosphere as a result of soil degradation in the Tarim River basin. Intensive anthropogenic disturbance has been one of the foremost factors leading to the deterioration of water resources in this region. The key to solving these problems is to enhance the scientific and technical level of monitoring, management, and restoration of water resources and associated water and soil components of local ecosystems.     

生态输水影响下地下水化学特征的时空变化分析

对塔里木河下游自2000年以来的4次生态输水的地下水位变化与地下水监测井的水化学资料比较分析,结果表明:地下水化学特征随4次生态输水,在时间与空间上发生明显变化.沿输水河道方向(纵向),下游上段的监测断面的地下水化学特征受输水的影响明显早于下游下段的水化学特征,且变化幅度也较大.沿垂直河道的方向(横向),距输水河道不同距离处的地下水化学特征先后呈现相似的变化规律,即:在受输水影响的初期,地下水化学成分中的主要离子含量和矿化度都明显上升,随着生态输水的继续进行而逐步下降.同时,地下水化学的变化特征反映出生态输水的影响范围在逐渐扩大,4次输水后地下水的响应范围在距离输水 000 m左右态输水虽然对地下水中盐分浓度起到了暂时冲淡和区域盐分再分配作用,但要使下游水质真正好转只有采取一系列工程和管理措施.     

1985-2013年黑河中游流域地下水位动态变化特征

在气候变化和人类活动的影响下, 黑河流域地表水和地下水的时空分布特征发生了很大变化. 研究水系统演化及其驱动机制对流域水资源可持续管理非常关键. 基于甘肃河西黑河中游流域地下水位动态、水文气象、土地利用和灌溉统计数据, 研究了1985-2013年黑河中游流域地下水位时空变化. 结果表明: 地表水的不合理分配和耕地的扩展导致了地下水的过量开采和地下水位的剧烈变化. 1985-2004年区域地下水位以下降为主; 2005-2013年呈现下降和回升两极发展趋势, 冲洪积扇群带地下水最大下降达17.41 m, 而黑河干流沿岸地下水位最大回升了3.3 m, 地下水埋深普遍增加了1.0~3.0 m. 尽管地下水位在2005-2013年表现出回升趋势, 但干流中游盆地地下水系统处于严重负均衡状态, 制定合理的“生态分水”方案和水资源综合管理规划非常紧迫.