基于包气带剖面研究黄土地下水补给

正地下水补给是含水层从外界获得水量的过程,是地下水系统形成演化的基础和水文地质学科研究的核心问题(庞忠和等,2018)。在黄土高原地区,地下水是生产生活的重要水源,查明黄土高原地下水补给来源和补给量对合理开发利用地下水资源意义重大。前人对此开展了较多研究并取得丰富成果,但由于黄土高原包气带厚度较大,地下水补给受多因素影响,其时空变化较为复杂(赵文智等,2017)。本次选择小型黄土残塬,通过两组包气带剖     

包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的应用

在干旱半干旱地区,包气带的溶质和同位素剖面不但可以提供较长时间尺度上的地下水补给信息,而且记录了过去气候变化与环境变化信息。本文基于学科组近10年的研究成果,以鄂尔多斯盆地为例（包括南部的黄土高原和北部的沙漠高原）,将包气带和饱和带结合起来,利用多种环境示踪技术,提升了包气带在干旱半干旱地区地下水研究中的潜力,并将其应用到地下水补给历史重建、地下水补给机制确定、植被变化对地下水补给影响评价和地下水污染物全过程示踪中。研究表明,由于在干旱半干旱地区,包气带较厚且补给量有限,地下水和现今的浅表水文过程未达到水力平衡,如在沙漠高原西部,近2 500 a降水尚储存在包气带13 m以浅,地下水是4 000 a以前补给的,其水化学特征与浅部包气带水差异巨大;而在黄土高原,补给量较大,但包气带巨厚,年降水仍需要几十到上百年时间入渗到地下水（但并不意味着没有补给,其土壤水在包气带中平均入渗速率为0.1~0.3 m·a-1）,包气带浅部溶质含量较深部和地下水中的高;典型黄土塬区的地下水均不含氚,地下水年龄在几百到上万年。黄土内部层状均匀的土壤质地特征和相对较老的地下水年龄揭示的均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式。黄土高原退耕还林还草和沙漠区植被恢复导致地下水补给呈现不同程度的减少,反映在包气带上表现为溶质含量的增加,可用于定量化确定地下水补给量的变化。本文强化了包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的作用,在未来地下水资源评价、地下水污染全过程刻画中应得到重视。     

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.     

干旱区地下水补给与气候变化的包气带地球化学记录--以巴丹吉林沙漠为例

氯平衡原理在降雨极其稀少的干旱区研究地下水补给具有较强的适用性,与H、O稳定同位素及含水量在包气带垂向的变化相结合,能够准确地计算地下水的多年平均补给率.在巴丹吉林沙漠南缘的2个钻孔剖面分别记录了过去574 a(B1)和812 a(B2)以来的补给量变化过程及其所反映的气候波动特征,在该地区,多年降雨量为89 mm,而补给量平均仅为1.3 mm/a,从B2剖面完整的记录可以将800 a B P气候划分为4个干期和3 个湿期.1500～1530年是干旱区气候突变的时期,18世纪末至19世纪初是气候环境演化的又一个十分重要的时间界限,自此以后的漫长时间,干旱化进程进一步加剧.     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.      

利用包气带水分体积分数计算水资源评价参数

地下水资源计算是地下水评价的重要环节,参数准确与否直接影响水资源计算与评价的质量和精度.用包气带水分体积分数计算水资源评价参数,弥补了利用地下水动态和水文资料计算参数的不足之处.     

包气带岩土渗透系数在地下水环境影响评价中的意义

包气带岩土层具有保护地下水的功能。建设项目各污水池、沉淀池等在包气带中位置不同,可根据其基础最深的池体基础之下的包气带渗透系数、岩土层厚度和连续稳定性确定包气带防污性能分级。污染源强可按包气带垂向平均渗透系数、从各池体结构特点确定的污染部位形状及大小、池体有效水深、污水中污染因子浓度计算。在采取相关规范要求的防渗工程前提下进行的预测,如果结果不满足地下水环境功能要求,需采取提高设施本体防渗性能,并在设施基础与包气带之间设置工程防渗层以满足环境功能要求。     

新疆乌拉泊水均衡试验场凝结水对地下水补给的观测研究

通过1989~1995年新疆乌拉泊水均衡试验场潜水埋深4m处包气带凝结水对地下水补给的观测:卵砾石2.58mm/a、细砾3.15mm/a、中砂9.90mm/a、细砂35..87mm/a、粉土10.04mm/a。最有利于包气带凝结水形成的时间是每年的4~9月;包气带凝结水量的大小与土体颗粒相对比表面积和渗透系数相关,推测粉砂的凝结水量约为20mm/a,粘性土小于10mm/a;凝结水对地下水补给的最大量约为50mm/a。综合气候和水文地质条件分析,认为本试验研究成果在我国西北干旱区具有代表性,估算西北地区凝结水对地下水的总补给量大于3×1010m3/a,可能大于平原降水入渗量,在某些区域可能是最主要的地下水补给源。     

华北平原地下水补给量计算分析

采用溴示踪法研究华北平原山前冲积平原和中部平原有灌溉和无灌溉区域的地下水补给,得到研究区平均地下水补给量为126.10 mm,平均补给系数为0.185 2,有灌溉实验点的补给量和补给系数大于无灌溉实验点。同时对示踪剂运移深度和含水量分布、降雨灌溉量和地下水埋深等影响因素进行分析。将各实验点计算结果与国内有关学者采用示踪剂法所得到的补给系数进行对比分析,论证了研究结果的可靠性,此研究成果可为华北平原地下水资源分析提供重要参考。     

基于小波分析的趵突泉地下水补给范围探讨

为查明济南趵突泉地下水补给范围以及市区、西郊对趵突泉的补给范围所占比例,选取2010—2020年趵突泉泉域20个地下水长期监测点的岩溶水位数据,采用交叉小波变换的方法对地下水位与降水量的时滞进行分析,并结合泉水的功能分区对趵突泉地下水补给范围进行探讨,计算市区、西郊对趵突泉的补给范围所占比例。结果表明：（1）随着地下水径流长度的增加,地下水位对降水时滞呈现增大的趋势,从78.58 d增大至129.22 d,济南西郊的时滞变化梯度大于济南市区;（2）玉符河下游地下水补给范围大,径流路径长,河流沿线地下水位对降水量的时滞大于两侧;刘长山−郎茂山−万灵山一带地下水径流路径较短,岩溶富水性较差,地下水位对降水量的时滞小于两侧;济南市区与西郊地下水存在水力联系;（3）选取趵突泉水位与降水量的时滞等值线为趵突泉补给范围的北边界,东边界为东坞断裂,西边界为马山断裂,南边界为地表分水岭,趵突泉的补给范围为1 390.54 km²。（4）济南西郊对趵突泉的补给范围为1 133.09 km²,市区对趵突泉的补给范围为257.45 km²,西郊和市区对趵突泉的补给范围面积比值为4.4∶1。     

包气带土体NO-3污染的微生态修复实验研究

社会经济的发展和资源的利用产生了一系列环境问题,尤其是化肥的超量施用,已经危及包气带土体和地下水的质量安全。大量的氮素没有被农作物吸收,经微生物硝化作用后,以硝态氮的形式进入包气带土体,使包气带土体普遍受到氮素不同程度的污染。本文简述了包气带土体硝态氮污染的室内微生态修复、阻控技术和实验研究,探讨了今后应用的可行性。     

西辽河平原地下水补给植被的临界埋深

许多地区地下水是生态稳定的重要支撑或补充,确定地下水补给地表植被的临界埋深对地下水管理和生态安全至关重要。以西辽河平原为例,主要研究成果如下:①根据地下水补给植被原理划分包气带水分运动结构,描述地下水补给植被的作用机理和物理过程,定义地下水补给植被的临界埋深及相关物理概念。②根据植被根系吸收潜水蒸发的物理机制,地下水面附近由毛管水上升形成的潜水影响层是临界埋深计算的关键。③推导土壤毛管有效孔径计算推理公式,通过构建土壤微结构模型求解推理公式中的孔隙特征参数,解决毛管水最大上升高度的精确计算难题;④结合不同群落植被根系层厚度,形成地下水补给植被的临界埋深计算模型。⑤通过野外调查和观测试验实证,表明计算结果可靠,研究成果在科尔沁草原得到了及时应用。     

GIS for the assessment of the groundwater recharge potential zone

Water resources in Taiwan are unevenly distributed in spatial and temporal domains. Effectively utilizing the water resources is an imperative task due to climate change. At present, groundwater contributes 34% of the total annual water supply and is an important fresh water resource. However, over-exploitation has decreased groundwater availability and has led to land subsidence. Assessing the potential zone of groundwater recharge is extremely important for the protection of water quality and the management of groundwater systems. The Chih-Pen Creek basin in eastern Taiwan is examined in this study to assess its groundwater resources potential. Remote sensing and the geographical information system (GIS) are used to integrate five contributing factors: lithology, land cover/land use, lineaments, drainage, and slope. The weights of factors contributing to the groundwater recharge are derived using aerial photos, geology maps, a land use database, and field verification. The resultant map of the groundwater potential zone demonstrates that the highest recharge potential area is located towards the downstream regions in the basin because of the high infiltration rates caused by gravelly sand and agricultural land use in these regions. In contrast, the least effective recharge potential area is in upstream regions due to the low infiltration of limestone.     

利用稳定同位素识别黑河流域地上水的补给来源

本文利用稳定同位素(2H和18O)及水化学方法识别黑河流域地下水的补给来源,估算黑河水与地下水的转化数量.研究结果表明,黑河流域地下水的主要补给来自山区出山河流,山前戈壁带是地下水快速补给区,中下游盆地地下水补给来源为引河灌溉和河流侧渗.黑河干流出山河水在张掖以上河段约4.4×108 m3/a渗漏补给地下水,约占出山迳流量的27%.张掖一正义峡河段道地下水向河道平均排泄量为11.4×108 m3/a,占该段河流迳流量的69%.研究成果不仅对黑河流域地下水的开发管理有着重要意义,对我国西北类似的内陆盆地地下水的开发管理有着借鉴意义.     

Downstream of downtown: urban wastewater as groundwater recharge

Wastewater infiltration is often a major component of overall recharge to aquifers around urban areas, especially in more arid climates. Despite this, such recharge still represents only an incidental (or even accidental) byproduct of various current practices of sewage effluent handling and wastewater reuse. This topic is reviewed through reference to certain areas of detailed field research, with pragmatic approaches being identified to reduce the groundwater pollution hazard of these practices whilst attempting to retain their groundwater resource benefit. Since urban sewage effluent is probably the only natural resource whose global availability is steadily increasing, the socioeconomic importance of this topic for rapidly developing urban centres in the more arid parts of Asia, Africa, Latin America and the Middle East will be apparent.

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Resumen La infiltración de aguas residuales es a menudo un componente principal de la recarga total en acuíferos ubicados en torno a zonas urbanas, especialmente en los climas más áridos. A pesar de ello, dicho componente todavía es una consecuencia secundaria (o incluso accidental) de diversas prácticas asociadas con la manipulación de las aguas residuales y con la reutilitzación de aguas depuradas. Este tema se revisa mediante referencias a ciertas áreas en las que existen investigación detallada de campo, identificando enfoques pragmáticos con el fin de reducir el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas por tales prácticas, a la vez tratando de conservar los beneficios para los recursos del acuífero. Dado que los efluentes de aguas residuales urbanas son probablemente la única fuente natural cuya disponibilidad global se halla en del aumento, la importancia socioeconómica de este tema será evidente para los centros urbanos de rápido desarrollo en Asia, Latinoamérica y Oriente Medio.

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Résumé Linfiltration des eaux usées est souvent la composante essentielle de toute la recharge des aquifères des zones urbaines, particulièrement sous les climats les plus arides. Malgré cela, une telle recharge ne constitue encore quun sous-produit incident, ou même accidentel, de pratiques courantes variées du traitement de rejets dégouts et de réutilisation deaux usées. Ce sujet est passé en revue en se référant à certaines régions étudiées en détail, par des approches pragmatiques reconnues pour permettre de réduire les risques de pollution des nappes dues à ces pratiques tout en permettant den tirer profit pour leur ressource en eau souterraine. Puisque les effluents dégouts urbains sont probablement la seule « ressource naturelle » dont la disponibilité globale va croissant constamment, limportance socio-économique de ce sujet est évidente pour les centres urbains à développement rapide de lAsie, de lAfrique, de lAmérique latine et du Moyen-Orient.

     

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（-74kPa）远低于裸土区（-16kPa）,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。     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

基于GIS的地下水水源地补给潜力探讨

本文提出了一种基于GIS的补给潜力分析方法.在实例研究中,通过对地形、地表物质组成、包气带岩性、植被覆盖等因子建立的专题图层的叠加分析,确定了地下水的补给潜力分区,结合研究区含水层分布特征,综合确定了水源地的靶区和开采潜力区.研究表明,利用GIS确定研究区降雨入渗补给量是一种高效、直观、可行的方法.