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...     

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。     

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...     

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。     

冲刷作用下桩基承载能力分析

埕北地区海洋水动力环境复杂,在风、波浪、海流等环境因素作用下会引起海上构筑物周围的土体产生冲刷和淘蚀。采用有限元法对冲刷作用对桩基竖向承载力产生的影响进行分析,结果表明,当桩靴在表层粉土较厚(地层结构为厚层粉土—软弱粉质黏土型)的区域就位时,如果选择表层粉土层作为桩靴持力层,冲刷作用将对桩基承载能力产生显著的不利影响,造成持力层有效厚度的减小以及桩靴入土深度变浅,进而导致桩基承载力下降,造成桩脚额外贯入甚至引发刺穿失稳。     

黄土边坡降雨侵蚀特征的物理模拟试验研究

黄土边坡的侵蚀破坏是引起黄土地区公路边坡自然灾害的主要诱因。通过建立室内边坡降雨冲刷物理模型, 进行黄土边坡侵蚀破坏的模拟试验, 再现边坡溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌的基本破坏过程, 并对坡面降雨冲刷的演变过程和侵蚀机理进行了细致的描述和分析。试验表明:在一定的降雨雨强下, 径流TSS(携砂能力)和单位面积侵蚀泥沙量随着试验坡度的增加逐渐增加, 而径流总量、侵蚀干泥沙量随着坡度的增加而相应变小。同时, 黄土边坡侵蚀冲刷过程中的主要侵蚀能力参数如坡面径流总量、汇流干泥沙量、侵蚀干泥沙量等与降雨雨强之间存在相应的关系。     

黄河在调水调沙影响下的入海泥沙通量和粒度的变化趋势

基于1950-2013年的黄河水文泥沙资料,系统研究了黄河实施调水调沙以来入海泥沙在通量、粒度组成和时间分布上的变化特征,揭示了调水调沙影响下黄河入海泥沙的变化趋势。在2002年黄河实施调水调沙以来,6-11月平缓均衡的持续性高水沙量取代了调水调沙之前7-10月峰值尖瘦的汛期特征,汛期与非汛期差异减小,入海水沙通量的季节性特征显著改变。随着调水调沙的逐年实施,河床泥沙颗粒粗化,临界起动功率不断增大,而调水调沙期间的径流量峰值基本稳定,径流对下游河床冲刷效率不断降低,导致入海泥沙通量持续降低、泥沙颗粒变细。可以预见,黄河河口的淤积将会大大减缓,入海的泥沙将更多地沉积在远离河口的区域,维持河口三角洲叶瓣冲淤平衡的临界泥沙量将会加大。     

草本植物对浅埋隧道洞口仰坡防冲刷影响分析

随着环保型隧道洞门理念的提出,实现生态环保隧道设计,以保护隧道洞口仰坡原有生态为主导思想,充分利用植物的根系加固仰坡,然而植物根系的加固、防冲刷机理尚未清晰,有必要进行深入研究。首先调查某隧道南北洞口仰坡有无植物根系对降雨引起的冲刷量的影响,分析植物的加固与防冲刷效果; 然后采用室内试验测定土体的抗剪强度参数,运用有限元强度折减法分析草本植物的加筋护坡作用,评价植物根系对浅层滑坡的抑制作用。发现草本植物在一定程度改善浅层滑坡,降低浅层滑坡的概率,同时具有明显的防冲刷效果,有草本植物的地区,产砂量明显减小。本研究成果能很好地服务于植物护坡的设计与施工,以及仰坡的养护。     

城市地表灰尘径流冲刷过程模拟

为弥补当前描述城市地表灰尘径流冲刷过程的指数衰减模型偏于经验、物理力学机制认识不足的问题,考虑到地表灰尘的泥沙物质属性,基于泥沙科学、从泥沙运动力学角度研究地表灰尘的径流冲刷过程与模拟方法。通过比较发现,地表灰尘径流冲刷指数衰减模型与河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型具有一定的相似性。基于上述比较结果,参考河道冲刷条件下输沙调整的滞后响应模型方程,针对地表径流汇流的延时效应及不平衡输沙特点,并考虑地表灰尘颗粒的非均匀性及分组冲刷过程,对地表灰尘径流冲刷指数衰减模型进行了改进,建立了地表灰尘的分组不平衡冲刷模型。结合广东东莞牛山工业园区地表灰尘径流冲刷过程的实测资料,对模型进行了应用比较。结果表明:相比指数衰减模型,分组不平衡冲刷模型模拟地表径流灰尘浓度值与实测值变化趋势更为符合,确定性系数与纳什效率系数由0.15与0.59升至0.73与0.70,模拟效果进一步提高。研究结果有助于促进地表灰尘径流冲刷过程模拟由经验分析向具有物理基础的模拟方法转变。     

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用.借鉴水文学的研究方法,统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征.划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表地下岩溶特征,前两者主管道垂直于地层走向,构造裂隙起汇水作用,后两者主管道平行于地层走向,...