地下水化学组成的时空聚类分析与多级嵌套水流系统识别

水文地球化学是识别地下水流系统的重要方法,然而区域尺度上多级嵌套地下水流系统的复杂性使地下水化学组成的分析和解释难度增加。以鄂尔多斯北部盆地湖泊集中区典型的胡同察汗淖地下水流系统为例,基于丰水期和枯水期3个期次不同深度地下水样品的物理化学数据,应用时空聚类与主成分分析方法,揭示地下水化学组成的空间分布特征、变化规律及其作用机制,分析水化学时空聚类结果对多级嵌套地下水流系统划分的可行性。该聚类结果将地下水样品分为3类,其中C1为以Na-HCO₃型为主的深层地下水,具有偏负的氢氧同位素组成(δD<-70‰,δ¹⁸O<-9‰)和极低浓度的NO^-₃;C2为Ca-HCO₃为主的浅层地下水,具有偏正的氢氧同位素组成(δD>-70‰,δ¹⁸O>-9‰)和高浓度的NO^-₃;而C3呈无优势阳离子、δD和δ¹⁸O变化范围大且显著线性相关等深、浅地下水混合特征。呈南北条带分布在苏贝淖-胡同...     

三维Tóth型盆地的驻线及其对多级次水流系统的控制

Tóth基于二维剖面流场提出的地下水流系统理论已成为研究盆地尺度地下水循环的理论依据。二维剖面上的驻点可以用于精确划分水流系统的空间分布,然而人们对三维盆地中水流系统的形态以及驻点是否存在等认识尚不清楚。针对2种典型的三维盆地,分别是只在单一方向存在波状起伏的类前陆型盆地和2个正交方向同时存在波状起伏的沙丘型盆地,利用余弦函数建立潜水面起伏的数学表达式,推导水头分布的解析解,利用TECPLOT软件实现了水流系统三维空间分布的可视化。研究发现,2种理想三维盆地内都可以发育驻点,其中类前陆型盆地内驻点构成一条水平延伸的驻线,驻线控制了4个水流系统的空间分布;沙丘型盆地内驻点构成一条圆弧状驻线,驻线控制了6个水流系统的空间分布。通过研究驻线在三维盆地中的分布并且提出了利用驻线划分三维盆地水流系统的方法,加深了对三维盆地地下水循环规律的认识。     

盆地多级次地下水流系统盐分运移实验模拟

地下水年龄和滞留时间包含了地下水循环和演化的重要信息,被广泛用于盆地地下水循环模式的研究。使用多级次地下水流系统演示仪,实验模拟了三级水流系统模式中地下水年龄及滞留时间分布。研究发现,盆地底部、区域流线的下游、盆地滞留区最晚响应;浅部的局部水流系统稳定后的浓度值相对较低;中间水流系统相对深部的区域水流系统也较低,滞留区盐分积累,浓度值相对较大。盆地内部所有监测点的地下水年龄分布曲线都为单峰,区域水流系统的循环时间大于中间水流系统以及局部水流系统。在排泄区监测的滞留时间分布显示不同级次补给会产生早、中、晚峰,并且峰值与地下水流系统的级次性完全对应,可以通过排泄区的峰值判断地下水是从局部、中间或区域水流系统补给而来,以此判断污染物的来源。本研究成果对于地下水的循环演化和地下水流系统理论的完善具有一定的意义。     

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征:以莱芜盆地为例

2011年以来,中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1∶5万标准图幅水文地质调查4万余km²,并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作,获得了较为丰富的地质数据,对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响,沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动,形成一系列“南超覆北断陷”的地堑—半地堑盆地,并最终形成现今典型的“盆—山”岩溶水文地质结构,及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征,选择莱芜盆地为典型研究区,基于野外地质调查,通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等,探讨了沂蒙山区典型“盆—山”结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明,莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈“向心式”径流;受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约,盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异：盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统;盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统,但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外,研究发现在大汶河最低侵蚀基准面,区域滑脱构造及热液混合作用拆离...     

乌蒙山地区岩溶地下水流系统结构及其找水应用

为推动乌蒙山贫困缺水区生态环境建设、地下水资源合理利用,以昭通市作为重点调查区,基于地质调查、泉流量统计、水质检测,展开岩溶地下水富集规律及物探找水方法的研究。结果表明：(1)研究区岩溶地下水系统以条带岭谷型、埋藏型为主。条带岭谷型岩溶地下水系统以现代岩溶为主,目标含水层多、发育深度有限、岩溶发育及富水程度差异大,富水块段为背斜核部及两翼、向斜核部、断层影响带;埋藏型岩溶地下水系统以古岩溶为主,目标含水层单一、发育深度较深且极不均匀,富水块段为断陷谷盆埋藏的古岩溶。(2)地下水化学类型以HCO₃型、HCO₃·SO₄型为主,条带岭谷型、埋藏型岩溶水分别占96.73%,92.93%,水质总体较好,综合水质评价Ⅰ～Ⅲ类水占比分别为80.84%,64.41%。(3)建议对>50 L/s大泉进行提引、丰储冬用,对富水块段进行综合物探探测和钻探验证的方法找水。(4)综合物探找水方法：先通过高密度电法、联合剖面法查明岩溶破碎带及断层,再激电测深确定极化率高的含水层,最后综合测井和钻孔揭露确定具体出水段及涌水量,找水成功率为86....     

岩溶含水层饱和-非饱和流动与污染物运移数值模拟

岩溶含水层中的地下水是重要的可饮用水来源,由于其复杂的水文地质特征,采用数值模型分析和评价含水层中地下水环境极具挑战性。采用变饱和度流动方程描述含水层基质中的饱和-非饱和流动,采用管道流方程描述岩溶管道中的层流及紊流流动,基于流动解采用对流弥散方程分别描述基质与管道中的溶质迁移过程。根据相关实验数据以及MODFLOW-CFP程序的模拟结果对流动模拟的准确性进行验证,并基于此开展了岩溶管道以及非饱和参数对地下水流动及污染物迁移影响的模拟。结果显示,数值模型能很好地重现含水层中饱和区与非饱和区以及岩溶管道的地下水动态,岩溶管道对含水层的渗流场产生了较大的影响。管道中快速流动的特性使得周围的水向其中汇集,影响了局部流动场,进而使得泄露的污染物质随水流进入管道,快速向管道出口处(泉点)迁移,突破曲线显示管道出口处的污染物浓度响应速度远快于基质中对应的位置,非饱和参数对管道中污染物浓度的响应速率有着不同程度的影响。建立的模型完善了岩溶含水层中非饱和区地下水流动、污染物运移以及基质-管道流动与溶质运移耦合模拟等方面的工作,加深了对岩溶含水层地下水动力学以及污染物迁移过程的认识,对岩溶水文地质及地下...     

江汉平原地下水化学特征及水流系统分析

江汉平原水质性缺水问题日益突出,识别江汉平原地下水流系统分布模式,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义.选取江汉平原典型区域,综合水文地质条件、水动力场及水化学同位素指标深入分析地下水补给过程、水岩作用及滞留时间.得出由于碳酸盐岩的溶解,研究区的地下水化学类型属于HCO3-Ca (Mg)型.地下水中典型离子随深度增加逐渐降低,同位素随深度增加逐渐偏负,表现出地下水流系统呈局部与区域水流系统的特点,系统深度界限在10~20m.独立而复杂的局部水流系统在平枯水期地下水向河渠地表水排泄.根据3H的含量,局部水流为现代水,水循环交替迅速.受地形控制,中深层地下水总体由西和西北向东和东南径流,汇入汉江和长江,为区域水流系统.由于补给源的高程效应,区域水流的18O值存在明显分区,指示不同的补给来源与水流路径.山前丘陵区基本为现代水,向平原腹地纵深至汉江和长江排泄区,地下水年龄在几百年至6000a不等,水循环交替缓慢.研究发现江汉平原低洼排泄区存在区域水流的顶托补给,可为原生劣质水的分布与聚集研究提供依据.     

鄂尔多斯盆地多级次地下水流系统中硝酸盐分布特征及其成因

水资源短缺的鄂尔多斯盆地内地下水遭受硝酸盐(NO^-₃)污染等问题日益突出,识别盆地不同地下水流系统的NO^-₃分布规律及其成因,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义。选取鄂尔多斯盆地北部湖泊集中区白垩系地下水系统为研究对象,基于水化学和聚类-主成分分析划分地下水流系统级次,在此基础上对比分析不同级次地下水流系统中NO^-₃分布特征,综合水化学和环境同位素分析识别多级次地下水流系统中NO^-₃来源及其潜在过程。研究表明：研究区ρ(NO^-₃)超出地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准的地下水样品集中在局部-中间地下水流系统,其超标率达到28%;区域地下水流系统中ρ(NO^-₃)均值约为1 mg/L。研究区不同级次地下水流系统中ρ(NO^-₃)分布特征主要与人类活动影响程度有...     

地下水流系统研究中的方法论探讨:以CUG-武汉地下水流系统研究为例

地球系统科学和地下水流系统理论的出现,标志着水文地质学进入新的发展时期。地下水流系统理论已成为水文地质学的新范式,其产生和发展,从方法论上为地下水问题的研究提供了新的启示。自20世纪80年代初以来,中国地质大学(武汉)地下水流系统组持续开展了地下水流系统理论与应用研究。试图从方法论的角度回顾与总结这些研究成果。地下水问题受多因素影响,研究应以“目标与问题导向相结合”,靶向准确,才能在信息浩渺中不失方向,向着目标前行;研究时应采用“假设演绎法”,先依据已有认识和资料演绎出应有的现象,再有目的地观察和寻求证据,或修改假设继续求证,直到假设被证实或证伪;演绎寻证过程,可以采用“控制性实验”“信息提取与组织”“多学科方法与手段融合”等技术方法。实例分析证实,控制性模拟实验使我们得出了地下水流模式的新认识;采用多通道的信息提取、加工和组织,构建地下水流系统模式,能够有效解决各类工程中的应用问题;多学科与手段融合、各种信息相互验证,提高了结果的可信度。以实例研究为基础,从研究方法上的总结能为正确认识和理解地下水流系统理论、推进新理论和新思路在水文地质研究中的应用提供参考。     

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。      

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

在地热资源丰富的地区,需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响。基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验,改变降雨入渗强度,通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化。研究结果表明：(1)随着降雨入渗强度加大,地下水流速增大,地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部+中间+区域多级嵌套系统转化,水流对温度的再分配影响变大;(2)补给区等温线受下降水流影响下移,排泄区等温线受上升水流影响上抬,其中区域补给区和区域排泄区温度变化幅度最大;(3)砂箱底部加热后,含水层潜水面下降,地下水流速增大,流线循环深度整体变大,滞留带范围缩小。温度差是地热丰富地区的地下水流系统研究中不可忽视的驱动力。