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。     

基于现场双管试验确定弱透水层水力参数的方法

弱透水层水力参数对基础工程设计、建设和地下水资源评价、地下水污染预测具有重要意义。现提出一种现场确定含水层系统中弱透水层水力参数的钻孔双管试验方法。利用麻花钻钻孔,到达地下水位线以下揭露到目的层位后布设外管,以起到护壁防止土层塌孔的作用。在外管内通过锤击的方式将内管嵌入到目的层中,使其下部管中有一定厚度的土样作为现场固定试验土柱。待内外管中地下水位稳定后迅速加高内管水头,并通过马里奥特瓶装置保持定水头。建立钻孔双管试验土柱的数学模型,推导了土柱顶底面单位面积流量随时间变化的解析解,将其无量纲化后作出标准曲线。作为该方法应用的实例,在长江下游三角洲苏锡常冲积平原的常州天宁区德安医院附近的空旷场地进行了专门的钻孔试验。确定了该地区的细砂质粉土和粉质黏土的渗透系数和贮水率分别为：K=1.66×10?6 m/s,?s =8.21×10?3 m?1;K=6.06×10?7 m/s,?s =2.26×10?3 m?1。结果表明,该方法对于现场确定弱透水层的水力参数有较好的适用性。     

中国典型地区地下水位对环境的控制作用及阈值研究

研究采用理论分析和实践成果相结合、区域宏观分析与典型地区深入剖析相结合的研究方法,从地下水不合理开发利用引起的环境问题出发,选取华北地区、西北地区以及沿海地区作为典型区,分析地下水位对环境的控制作用,提出了具有针对性的地下水位控制阈值。华北平原有利于山前调蓄的地下水位埋深为10m、中东部平原浅层控制土壤盐渍化水位埋深为2~3 m、防止地裂缝的水位埋深为7 m、深层控制地面沉降水位埋深为50 m、浅埋岩溶区地下水位应控制在岩溶含水层上覆的松散岩类的底板高程(2 m)之上;西北地区控制天然植被衰败的地下水位埋深为2.0~4.5 m和人工绿洲灌溉期控制土壤盐渍化的地下水位埋深为1.2~1.5 m,非灌溉期中冻结期地下水位埋深1.3~1.5 m,冻融期为2.2~2.7 m;沿海地区防止海水入侵的地下水位阈值应控制在漏斗中心水位高程-5~-6 m,最大不超过-8 m。上述地下水位控制阈值的确定,为实施地下水总量控制和水位控制管理提供了科学依据。     

Viscosity effect on consolidation of poroelastic soil due to groundwater table depression

In this study, the viscosity effect on consolidation of poroelastic soil due to groundwater table depression is examined. A viscoelastic consolidation numerical model is developed to conduct this examination. By nondimensionalizing the governing equations the viscosity number that depends on hydraulic conductivity, viscous moduli, and thickness of soil is obtained to represent the viscosity effect on consolidation of poroelastic soil. The case of clay stratum sandwiched between sandy strata subjected to sudden and gradual groundwater table depressions is used to investigate the importance of viscosity effect to poroelastic consolidation. The results show that the displacement and pore water pressure of clay stratum are strongly related to the viscosity effect. The overestimation of soil displacement will occur if the viscosity effect is neglected. Hence, the viscosity effect needs to be considered in modeling consolidation of poroelastic soil under groundwater table depression.     

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.     

贵州高硫酸盐地区寻找安全饮用水方法的探讨

贵州镇宁地区地下水中硫酸盐超标是典型的环境地质问题之一,而该区地下水中硫酸盐超标主要来自于三叠系中统关岭组(T2g)含水岩组。采集水样分析发现该含水岩组中地下水的硫酸盐含量达到了275.42~1 100 mg?L-1,为Ⅳ-Ⅴ类水。运用地下水中硫同位素追踪,其硫酸盐主要来源于石膏溶解,并通过实施“探采结合井”（ZK3）,初步查明 “膏岩层”分布于三叠系中统关岭组一段下亚段(T2g1a)的中下部,厚度在1～1.5 m。而分层抽水试验显示:T2g含水岩组试段水质为Ⅴ类,降深在11.50 m时涌水量为256.61 m3?d-1;当揭穿T2g膏岩层含水层并进行封隔止水后,钻孔自流量为330.05 m3?d-1,降深在10.80 m时钻孔涌水量达628.84 m3?d-1,水质属Ⅲ类水。因此,在类似因水质超标而引起的功能性缺水地区,可越过膏岩层而获取深层安全的可饮用的地下水。      

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。     

云南滇池流域强烈灌溉条件下西芹大棚土壤水分动态特征

利用TRIME-T3型TDR仪土壤含水量测量系统和WM-1型负压计系统现场监测了强烈灌溉条件下整个作物生长期西芹大棚土壤水分、土壤负压(基质势)的动态变化;研究表明,不同深度土壤含水量受强烈灌溉的影响程度不同,0.3 m深度处受影响最大,1.0,2.0 m深度处受影响最小;受灌溉的影响,0.3,0.6,1.0 m深度处负压有所波动,其中0.3 m深度处负压的波动幅度最大;2.0 m深度处的土壤一直处于"饱和-非饱和"两种状态的转换之中;在地下水埋深为2.0 m左右,且上部土层的渗透性较差(饱和渗透系数仅为0.04 m/d)的情况下,地下水水位受灌溉的影响极小.     

山前平原土壤水资源评价层的实验研究

根据冉庄水资源实验站资料,分析土壤水分布特征。实验提出当地下水埋深为2m时,土水势剧烈变化带在0~1.4 m。地下水埋深超过10 m时,土壤水剧烈变化带为0~2.2 m。地下水埋深为8 m时,2 m以下的土壤水资源量仅占全剖面的11.1%,3 m以下的土壤水资源量仅占全剖面的8.1%。本地主要作物为玉米、小麦。玉米最大根深在1.0~1.5 m,小麦最大根深在2.0~2.5 m。综合分析,得到河北省山前平原地下水大埋深区土壤水资源评价层厚度为2.5~3.0 m。     

Geochemical modeling and low-frequency geoelectrical methods to evaluate the impact of an open dump in arid and deltaic environments

In Mexico, open dumps that are maintained by the municipality but provide no covering of waste are not uncommon. Further, disposal at these sites is often performed by burning. The aim of this study was to determine the leachate plume from an open dump located in a depositional deltaic environment, with arid climate, low rainfall and where the water table is about 2 m below the surface. The methodology comprised analysis of groundwater monitoring wells and geophysical and geochemical prospecting techniques. The 3D geoelectric interpretation shows a typical area of these depositional environments with low resistive values (10–20 Ω-m) associated with the presence of sands and clays interbedded. However, there is a very low resistivity zone associated with the dump’s impact which reaches values below 5 Ω-m, and it is located where the disposal and burning of wastes occurred. Another zone with values above 16 Ω-m appears as a limit for the advance of the saline. This is interpreted as a sandy lenses area. These sandy lenses with higher porosity transport aquifer’s water. Thus the dump is in direct contact by this conduct with clean groundwater. Piper diagrams constructed with the chemical data analysis reveal that the groundwater in the area corresponds to the chlorinated and/or sulfated sodium type, showing the impact caused by the dump. The monitoring well (NP8, on-site) with the highest dissolved solids content behaves anomalously and belongs to the more conductive zone according to the geoelectric profiles. The subsoil geochemical behavior is influenced by the seasonal water table variations provoking the dissolution of burned and unburned wastes, but the effects of slow flows in the direction of the regional flow are not discarded. Although the most impacted area within the dump is characterized to a depth of 10 m, there is a slow flow in the direction of the regional flow that has been moving pollutants out of the dumpsite during its almost 20 years of operation. The results of this study provide valuable information for the authorities to carry out an appropriate restoration project.     

高能级强夯法处理深厚吹填砂土地基现场试验

沿海吹填砂土地基地下水位较高、常含软土夹层,地基处理难度大。为了研究高能级强夯在这类吹填砂土地基上的加固效果,在山东沿海某吹填砂土场地开展6 000和8 000 kN·m能级强夯加固试验。试验结束后分别运用标准贯入试验、静力触探试验、平板载荷试验进行现场检测。通过对比分析了设计要求深度范围内标准贯入试验和静力触探试验,发现夯前夯后标准贯入试验击数和静力触探锥尖试验阻力均明显提升,有效消除了饱和砂土和饱和粉土的液化势;通过平板载荷试验p-s曲线及夯后静力触探锥尖阻力标准值与承载力特征值的关系式,得到夯后砂土地基承载力特征值≥120 kPa,验证了高能级强夯方案的可行性。其次,对软土夹层位置和地下水位高度展开研究,发现软土层会阻碍夯击能传递,减小强夯有效加固深度,且软土层位置不同对强夯加固效果影响程度不同,强夯影响临界范围处存在软土层时,有效加固深度为软土层顶部位置处;对砂土地基进行4 000 kN·m能级强夯试验时,发现未降水强夯后有效加固深度为5 m,降水至地面以下3 m强夯后有效加固深度达到了7 m,提高了加固效果。在高能级强夯研究基础上,对现场吹填砂土地基进行了75万m²的大面积高能级强夯施工,发现处理后地基能够满足建筑用地要求。     

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。     

圆明园遗址公园水文地质条件分析

通过遥感解译、水文地质调查、钻孔和抽水试验,结合区域水文、气象和地质等资料,对圆明园的水文地质条件有了初步认识:圆明园处在清河古河道范围内,浅层地下水可分为潜水和第一层承压水,含水层岩性以砂类为主,与湖水有直接联系的潜水含水层的渗透系数大于20md;20世纪50～60年代,圆明园所在区域地下水位较高,地下水补给湖水;近年来,受降水减少和地下水开采等因素影响,地下水位下降较大,湖水位高于潜水位,自然条件下湖水补给地下水。     

基坑涌水量较大情况下边坡稳定性分析与支护研究

拟建场地位于六枝向斜轴部,裂隙发育,为向斜两翼地下水径流的汇水区。通过抽水试验,确定了水文地质参数,预算地下室开挖1m后,基坑的涌水量为4420.64m3/d。场地开挖后,形成的土质边坡高度为2～3.22m,岩质边坡为2.95～7.03m。由于地下水位埋深为3.00m左右,且基坑涌水量较大,因而地下水对边坡的稳定性影响较大.采用极限平衡法预测东部裙楼的南东面,当后缘裂隙充水高度大于0.57m时,边坡的稳定系数小于1.25,须强制支护,东、西部的稳定系数为2.58,边坡稳定,但仍需进行垂直支护;西部裙楼的南西面的稳定系数为0.83,属不稳定边坡,需进行降水和垂直支护。经过分析,确定基坑岩质边坡为70°,土质边坡为45°。提出了基坑支护方案和土钉墙的支护、施工要求。     

吉林省西部潜水资源与生态环境风险分析

吉林省西部是我国主要粮食产区,但区内农业水利规划管理同时面临潜水资源与生态环境双重风险。近20年来,区内曾尝试多种水资源利用模式,但缺少不同模式应用效果的定量化对比。文章建立了不同水资源利用模式,对比分析各模式的水资源与次生盐碱化风险。以洮儿河流域为例,采用循环神经网络预测2019—2023年该地区大气降水和地表水对地下水补给量;通过随机数值模拟预测现状开采、连续干旱、无序开采、地下水库建设、节水灌溉、旱田改水田6种情形下,区内潜水水位空间分布特征。以防止次生盐碱化为目标,定义水位埋深上限为1 m;以含水介质厚度为参考,定义水位埋深下限为12 m。遴选适合吉林省西部地区地下水资源可持续利用模式。结果显示:无序开采是导致区内水资源枯竭的主要诱因;地下水库建设和旱改水工程有助于潜水资源维护,但长期运行可加剧生态环境风险。节水灌溉（净采强度为2.0×108～3.0×108 m3/a）是降低区内水资源风险和生态环境风险的最佳方式。文章采用的神经网络—随机模拟分析方法成功预测了地下水位变化驱动因子和地下水位中长期变化趋势,为我国干旱半干旱地区潜水资源利用方案制定提供了新方法。     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。     

冻融季节苏打盐渍土的水盐变化规律

通过野外定位观测和室内分析,探讨了冻融季节的微域尺度(32 m长的横剖面)苏打盐渍土的水分和盐分的变化规律.结果表明:冻结期大量地下水迁移并储存在盐化草甸土的冻层中,同时地下水位埋深迅速从1.2 m下降到2.5 m以下;苏打盐化草甸土冻结层的含水率明显增加,其中30~40 cm土层的含水率变化最明显(从冻结前的20%增加到50%).苏打碱土冻层的含水率增量不明显,但盐分显著增加,其中白盖苏打碱土表层的盐分增量幅度达80%.盐分变化主要表现为苏打盐渍土表层HCO₃-、CO₃2-、SO₄2-以及Na+的增加,大量盐分表聚使消融期土壤的盐渍化程度不断加重.     

Study on capillary rise from shallow groundwater and critical water table depth of a saline-sodic soil in western Songnen plain of China

The objective of this study was to develop an empirical equation for estimating the capillary rise in the saline-sodic soil area of Songnen Plain in China based on the Averianov formula. The capillary rise was observed under five controlled groundwater levels by lysimeters. Field experiment results indicated that capillary rise had close relationship with the groundwater table depth, soil moisture of 10–40 cm soil layer and leaf area index. These factors have been taken into account to develop the empirical equation for capillary rise simulation. The model parameters for Songnen Plain were derived by Levenberg–Marquardt and global optimization calculating method. The modeled capillary rise has a good agreement with the observed data (r ² = 0.875). With the simulation model, the critical water table depth was identified as 2.5 m, indicating that soil secondary salinization will not occur when the water table depth is deeper than 2.5 m. Therefore, in the irrigation areas, groundwater table depth should be controlled to be higher than 2.5 m to prevent the occurrence of soil secondary salinization. The results from this research will provide useful information for the water sources management and soil secondary salinization control in Songnen Plain of China, one of the most serious saline-affected areas in the world.