环境同位素在黑河流域水循环研究中的应用

为了解不同时空尺度上黑河流域水循环机制,总结了近年来黑河流域进行的氘氧稳定同位素以及氚、碳和氡放射性同位素研究(2H,18O,3H,14C,222Rn),得到各类水体(降水、河水、地下水)采样点的分布及分析结果。稳定同位素结果表明上游山区降水是全流域主要的水资源产生区,中游地表—地下水交互频繁,下游浅层地下水主要接受河水补给,深层地下水则相对封闭。放射性同位素也表明下游浅层地下水年龄小于深层,与稳定同位素结果相符。总体来说,环境同位素对黑河流域的水循环研究还处于定性研究阶段。今后研究方向应致力于丰富采样的时空尺度,同时采用多种同位素并结合其他地球化学指标以定量研究结果,并将结果应用于水文数学模型的构建和校正。     

近50 a来新疆孔雀河灌区地下水流系统演变特征

新疆孔雀河灌区面临地下水超采问题,科学认识区域地下水流系统的发育条件和演变特征,是优化地下水资源开发利用方式的基础.通过构建第四系含水层三维地下水稳定流模型,利用流线追踪技术,模拟识别了孔雀河流域19702020年期间地下水流系统的变化特征.结果 表明,不同补给区和排泄区通过流线进行组合,在孔雀河周边形成了交错分布的地下水流系统,其空间分布格局随灌区地下水开采规模而变化.在20世纪70年代的拟天然状态,灌区主要发育自北向南的地下水流系统,其空间分布格局取决于水文地质参数和排泄要素,并可能存在1～4个以孔雀河为排泄带的流动系统.在有强烈地下水开采的现状条件下,灌区地下水流系统转变为从四周流向漏斗中心,截断了从孔雀河上游渗漏到中下游河道排泄的水流系统.近50 a来,以潜水蒸发为排泄方式的地下水流系统投影面积萎缩了29％,而以地下水开采为排泄方式的地下水流系统投影面积从零增加到研究区面积的40％.潜水蒸发对自然生态系统具有重要的支撑作用,灌区地下水开采应有所控制以保障潜水蒸发型地下水流系统的发育条件.     

利用环境同位素识别酒泉-张掖盆地地下水补给和水流系统

详细了解干旱区地下水的补给机制对地下水资源管理来说是非常重要的,天然环境同位素在过去的40年里广泛应用于解决有关地下水补给、流动等问题.笔者通过分析酒泉-张掖盆地水的环境同位素变化特征,识别地下水的补给和流动.研究结果表明,酒泉-张掖盆地地下水的补给源主要来自山区出山河流,补给发生在祁连山前戈壁带,在山前冲积扇带地下水主要为1963年以来的快速补给,而部分深部地下水为1952年以前补给.同时,环境同位素指示盆地存在深部区域流系统和浅部局域流系统,酒泉盆地和张掖盆地之间不存在明显的水力联系.该研究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.     

三屯河流域水环境同位素组成特征及水文地质意义

通过对三屯河流域40多组环境同位素样品的分析研究,得出了山区、冲洪积扇、细土平原区地表水、地下水环境同位素组成分布特征,并在此基础上讨论了研究区地下水的来源、混合比例,同时运用稳定同位素的高程效应计算了地下水补给区的高程,最后讨论了流域水循环的过程,为该区的水资源评价和水资源保护奠定了基础.     

黑河下游额济纳盆地深层地下水来源的探讨

本文作者在额济纳盆地进行了长达3年的研究,获得了大量盆地地下水资料和水化学、同位素分析数据,在此基础上,利用水化学和环境同位素示踪技术,结合盆地水文地质条件,对盆地深层地下水的补给来源和循环特征进行了探讨.水化学和同位素结果显示,黑河流域深层地下水补给来源具有多源性,主要为核爆前形成的"老水",水循环缓慢.在进行流域水资源开发时,对深层地下水的利用一定要慎重.     

流量过程线划分的同位素和水文化学方法研究进展

简要介绍了同位素和水文化学划分流量过程线的原理,综述了国内外关于流量过程线分割各种模型的发展历程及其优缺点,最初的二水源模型分割出了降水和地下水两种组分,没有考虑土壤水;三水源模型主要包括降水,地下水和土壤水,应用较广;多水源模型适用于水源补给较复杂的流域.该方法从单纯的同位素示踪发展到同位素和水文化学示踪的结合,不确定性分析的方法逐渐多样化和精确化.国内在该领域的研究较少.今后应加强不同尺度不同水文地质条件流域的研究,综合利用多种方法分割过程线.     

湖北宜昌香溪河流域环境同位素特征及其水循环意义

为研究鄂西南岩溶山区的水循环过程,以湖北宜昌香溪河流域为研究对象,通过现场调查并结合环境同位素,对香溪河流域地表水和地下水进行了取样,通过测定其氢氧同位素组成,分析了同位素变化特征以及流域地下水和地表水的转换关系及其水循环特征。流域水中δD、δ18 O值组成分析表明:流域内各种水体主要分布在当地大气降水线的附近,构成斜率明显小于雨水线的蒸发线,3个子流域δD、δ18 O值的富集程度为:南阳河流域<古夫河流域<高岚河流域。南阳河流域上游受神农架山区地方性大气降水控制。响水洞和响龙洞(暗河出口)水中氘过量参数(d)值分别反映出不同的地下径流途径与滞留时间、水岩反应强度。子流域同位素沿程变化的特征反映出:在上游段,水来源不同以及地表水和地下水转换频繁是δD、δ18 O值变化的主要影响因素;在中下游段,流域内地下水流入河流,河水流量逐渐增大,不同的水源混合均匀,经过一定的蒸发作用,δD、δ18 O值的变幅趋于稳定。     

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.     

同位素示踪剂在流域水文模拟中的应用

主要目的是通过对同位素在流域水文模拟应用中的一些假定、限制条件以及方法进行澄清和系统化,从而促进同位素在流域水文模拟中一些新的研究方向和研究热点.主要从三个方面,即同位素流量过程线分割、流域平均滞时与不同水源混合、与水文模型耦合,讨论同位素示踪剂在流域水文模拟中的研究进展情况.同时指出了同位素在流域水文模拟中应用存在的一些主要问题,包括:①降雨同位素含量的时空变化;②不同径流成分的采样;③径流输出同位素含量的空间变化;④流域平均滞时分布函数的确定;⑤水文同位素耦合模型.     

蒲阳河流域地下水水化学及同位素特征

保定西部山前地区位于太行山及华北平原交界带,为缓解极端气候灾害对生产生活的影响,维持地下水资源的可持续开发利用,开展相关的地下水水化学及同位素特征研究。研究区地下水化学类型以HCO3—Ca·Mg、HCO3·SO4—Ca·Mg及SO4·HCO3—Ca·Mg为主,区内地下水主要来源于大气降水,流域内地表水补给地下水;地下水中化学成分为Ca2＋、Mg2＋、HCO-3、SO2-4,主要来源于岩石风化作用,同时受到人类活动的影响,地下水中硝酸盐含量明显升高;由于受到褶皱构造的控制,流域的上游及平原区均出现年龄大于60年的地下水,多数岩溶水年龄较复杂,从现代水到大于60年的水均有分布。研究成果为流域内水资源的合理开发利用提供建议,区内岩溶地下水的开发将在一定程度上缓解极端天气的影响。     

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:（1）补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。（2）张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312 大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312 大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20 %;草滩庄—G312 大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×108 m3/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312 大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m3/(s·km)。（3）研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001 年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×108 m3/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×108 m3,地下水溢出量平均减少0.16×108 m3/a;而2002—2020 年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×108 m3/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×108 m3,地下水溢出量平均增加0.08×108 m3/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。（4）位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30 多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。（5）内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。     

海河流域中东部平原区深层地下水补给与释水机制探讨——兼谈深层地下水资源可利用性

通过对近30年以来海河流域中东部平原区深层地下水实际开发利用状况的分析,阐明了深层地下水资源实际利用的特殊性;从深层地下水的自然属性出发,通过对深层地下水补给与释水机制及其开采过程中激发释水效应的剖析,揭示了深层地下水自然释水和开采条件下释水的规律,提出了便于实际应用的广义“深层地下水释水”理念。在此基础上,论证了深层地下水储量资源的可利用性。     

Environmental isotopic study on the recharge and residence time of groundwater in the Heihe River Basin, northwestern China

The recharge and origin of groundwater and its residence time were studied using environmental isotopic measurements in samples from the Heihe River Basin, China. δ¹⁸O and δD values of both river water and groundwater were within the same ranges as those found in the alluvial fan zone, and lay slightly above the local meteoric water line (δD=6.87δ¹⁸O+3.54). This finding indicated that mountain rivers substantially and rapidly contribute to the water resources in the southern and northern sub-basins. δ¹⁸O and δD values of groundwater in the unconfined aquifers of these sub-basins were close to each other. There was evidence of enrichment of heavy isotopes in groundwater due to evaporation. The most pronounced increase in the δ¹⁸O value occurred in agricultural areas, reflecting the admixture of irrigation return flow. Tritium results in groundwater samples from the unconfined aquifers gave evidence for ongoing recharge, with mean residence times of: less than 36 years in the alluvial fan zone; about 12–16 years in agricultural areas; and about 26 years in the Ejina oasis. In contrast, groundwater in the confined aquifers had ¹⁴C ages between 0 and 10 ka BP.     

A study on groundwater recharge in the Anyanghe River alluvial fan,North China Plain,based on hydrochemistry,stable isotopes and tritium

Studies on groundwater recharge are essential for sustainable exploitation of groundwater resources, especially in areas of extensive groundwater exploitation such as the Anyanghe River alluvial fan (ARAF) in the North China Plain (NCP). However, the recharge sources and processes and the contribution of each recharge flow component remain unclear. This study used hydrochemistry, stable isotopes, and tritium to investigate sources and underlying processes of groundwater recharge, along with the steady flow Mixing Cell Model (MCMsf) to quantify the proportion of each source flow for the shallow confined groundwater system in the medial fan. The results showed that groundwater mainly originates from precipitation occurring on the eastern Taihang Mountain area with average elevation estimated at 700–1,000 m above sea level during the East Asia summer monsoon period since 1952. Recharge mechanisms are: (1) river water seepage for the unconfined aquifers of the proximal and medial fan; (2) lateral flow for the confined aquifers of the medial and distal fan; and (3) precipitation infiltration for the phreatic water system. The MCMsf simulation showed that the shallow confined groundwater system in the central zone of the medial fan mainly recharged by the lateral flow from the proximal fan, a constant and considerable recharge flow from the southwestern and southern hills, and river water seepage in the medial fan; the lateral recharge flow from the Zhanghe alluvial aquifer was insignificant by comparison. The results of this study can act as a valuable reference for sustainable groundwater management in the ARAF.

     

海河流域地下水资源保护

地下水资源在海河流域至关重要的资源。海河平原的浅层和深层含水层大面积处于严重超采状态。地下水资源的的过量开采造成了严重环境问题。为了保护地下水资源，评价了可行的技术。利用洪水和废水进行人工回灌已进行了试验。在很多地区可以应用地表回灌系统，城市地区实施深层含水层的回灌。更好地策略是减少地下水的抽取量，特别是为了减缓地面沉降和海水入侵。应该联合运用减少地下水抽水量和人工回灌，以解决地下水位持续下降和含水层恢复的问题。     

黑河流域水资源转化特征及其变化规律

黑河流域水资源主要以冰雪水资源、 地表水资源与地下水资源的形式存在.上游祁连山区分布有现代冰川428条, 发育大小河流共计29条, 多年平均出山径流量37.83×10⁸m³·a^-1; 中下游走廊平原由松散沉积的第四系盆地组成, 接受出山河水及引灌河水的入渗补给, 是地表水资源的重复表现形式, 地下水补给量为25.637×10⁸m³·a^-1.受构造-地貌条件的制约, 自南部山区至北部盆地, 地下水与河水之间经过5个不同地带有规律的、 大数量的、 重复的转化过程, 形成完整统一的"山区地下水-出山地表水-中游盆地地下水-中游盆地地表水(泉水)-下游盆地地下水"水资源循环转化系统.     

石羊河流域水资源开发利用与补给之间的协调性评判

在甘肃省石羊河流域历史水资源开发利用情况简述基础上,结合城镇化进程,提出目前武威市的农业用水来源于祁连山山前水库拦蓄地表水,景电二期延伸工程向民勤所调黄河水及部分地方开采地下水;工业、生活用水均取自地下水,水量供给与天然补给上已处于严重失调状态。就城市地下水源地保护区划分而言,以传统的地下水开采影响半径为基本依据所进行的现代地下水源地保护区划分是不合理、不够科学的,应当在地下水补给、径流、排泄条件分析基础上,将水源地上游整个流域划定为保护区,以永久性解决城市地下水供水中存在的水源地安全问题。另外,针对石羊河流域重点治理规划中的调水方案,比较科学、合理的做法是：应从石羊河流域地下水文地质条件出发,遵循第四世地质历史时期形成的地下水补给、径流、排泄通道,在全流域实施压减灌溉面积、减少地下水开采量的同时,将景电二期延伸工程所调黄河水与祁连山山前部分水库地表水部分地或全部地从石羊河上游———武威盆地上游区域通过灌溉或其它方式下渗,补给进入地下水系统中,最终达到六河水系及下游地下水位停止下降,石羊河下游民勤盆地地下水位持续回升的综合治理规划目标,而不是将水直接调入下游民勤盆地。     

海河流域平原深层地下水补给特征及其可利用性

针对海河流域平原区的第四系深层地下水可利用性问题，分析了深层地下水资源有限性的特点，其补给资源只是浅层地下水的0.07倍，弹性储量资源也只是浅层地下水储量资源的0.10倍，表现出类似石油和天然气的非再生特征，从其补给模式和^14C年龄分布特点论证了深层地下水资源有限和非再生的自然属性，同时通过论述该区深层地下水开发利用现状和国外发达国家的情况，阐明了深层地下水资源的社会人文属性和时代特征，提出了深层地下水作为一种具有非再生性特征的资源，其在人类社会文明与经济发展历史进程中，从“生存的原始性利用”协调发展的文明利用，必然要经历“初始高速发展的资源掠夺性利用”和“理性发展的反思性利用”两个阶段，上述两个阶段是深层地下水发挥其“资源”历史作用的重要时期的观点，提出了有序、适度、阶段性利用海河流域深层地下水资源的战略和可利用指标与合理利用方案，强调过度开采和全面禁用深层地下水都是不正确的观点。     

银川平原承压水氢氧同位素组成与~(14)C年龄分布特征

利用地下水氢氧同位素(2H、3H和18O)和碳同位素(14C)方法,分析银川平原承压水的补给更新能力。在平原区采集承压水氢、氧、碳同位素样品45组,测试其氢氧同位素含量和14C年龄。据测试结果分析,地下水氢、氧、碳环境同位素分布特征存在较好的一致性,揭示了该区承压水的补给、流动的区域规律和局部变化特征。地下水14C测年结果显示,承压水年龄大多介于3000~22290 a之间,同时采用Tamers和Gonfiantinie模型对14C年龄校正进行了对比分析。沿同位素水文地质剖面计算得出:银川以北贺兰山前向平原中部地下水的流动速率为2.22~0.63 m/a,呈现由南向北递减的特征;从青铜峡冲洪积区向平原中部地下水由每年流动十余米减少至2 m。综合分析认为,银川平原承压水流动缓慢,水交替循环时间长,局部与潜水水力联系较密切,在承压水开采区,潜水越流补给量可达45%,适量开采存在一定程度的可更新性。     

黑河干流浅层地下水与地表水相互转化的水化学特征

通过分析黑河干流地表水与地下水的水化学特征,识别沿黑河干流不同地带地下水与地表水的相互转化关系.研究结果表明:(1)在祁连山区,地下水与地表水的转化以地下水向河流排泄为主.(2)南部盆地,在山前戈壁带,出山河水入渗转化为地下水;溢出带地下水以泉的形式转化为地表水;进入细土平原后,汛期河水补给地下水,非汛期地下水补给河水;在农灌区引河水通过田间入渗补给地下水.(3)北部盆地,在金塔灌区,地下水主要接受引水灌溉入渗补给;在金塔灌区到额济纳旗,河流入渗转化为地下水.