黑河流域地下水同位素特征及其对古气候变化的响应

通过环境同位素及其Tamers、IAEA模型应用研究表明,黑河流域平原区地下水补给及更新与古气候变化密切相关,8000~5000a BP、3500~2500a BP和近1000年以来的多雨期是主要补给期;潜水较年轻又更新快,承压水较老又更新慢;东部地下水更新较快,西部更新较慢;祁连山前戈壁带地下水更新较快,细土平原更新较慢;近河道带地下水更新速率大,远离河道则小。东部以山区降水通过出山地表径流补给为主,西部冰川雪融水和山区基岩裂隙水是主要补给源。因此,遵循地下水补给与更新的自然规律,与地表水联合优化调控,有利于该区地下水可持续利用及下游区生态环境保护。     

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。     

利用包气带环境示踪剂评估张掖盆地降水入渗速率

降水入渗补给速率是干旱半干旱地区地下水资源评价和保护中的重要参数。长期以来在河西走廊中游盆地地下水资源评价中,一直认为地下水位埋深>5m的地带难以产生降水入渗补给。本文在黑河流域中游的张掖盆地分别选择沙丘区和裸地区,综合运用包气带同位素和水化学信息,开展了降水入渗补给研究。包气带氯质量平衡法结果表明:现代气候条件下,张掖盆地地下水位埋深>5m的地带仍存在降水入渗补给,在沙丘覆盖区,地下水位埋深6.3m时,降水入渗补给速率为13.3～14.4mm/a,入渗系数0.10～0.11;在裸地区,地下水位埋深8.6m时,降水入渗补给速率为16.8～18.4mm/a,入渗系数0.13～0.14。     

不同降水及灌溉条件下的地下水入渗补给规律

天然降水和人工灌溉是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水导致华北平原地下水位持续下降,详细分析降水变化规律及灌溉制度的影响有利于深入认识补给及正确评价入渗补给量,对合理开发利用地下水资源具有重要意义。基于实测资料,用HYDRUS软件建立一维变饱和流数值模拟模型,模拟分析了衡水地区近60年在天然降水条件下的垂向入渗补给规律,以及在年周期内灌溉活动对于入渗补给规律的影响。结果表明:研究区多年平均降水入渗补给量为66.6 mm/a;枯水年份降水入渗补给量为30 mm/a,丰水年入渗补给量为120~150 mm/a;年补给量与年降水量具有显著的正相关性;入渗补给系数与降水强度呈负相关关系;入渗补给量随灌溉量的增加而增加,实验条件下小麦底墒水与玉米灌溉对应入渗补给系数较大,实际灌溉中应基于当年降水情况及土壤墒情确定合理的灌水定额。     

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。     

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4.4×108m3/a渗漏补给地下水,约占出山迳流量的27%。张掖—正义峡河段道地下水向河道平均排泄量为11.4×108m3/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。     

利用稳定同位素方法识别内蒙古佘太盆地地下水补给来源

为研究近几十年来佘太盆地地下水补给变化情况,通过现场调查分析,对佘太盆地浅层地下水开展同位素样品采集工作,并测定了其氢、氧稳定同位素的值。在分析同位素分布特征及变化规律的基础上,结合当地地质及水文地质条件识别了地下水补给来源和补给区并构建了浅层地下水的补给模式图,探讨了区域上浅层地下水的补给流动状况。通过分析研究区大气降水和地下水中的氢氧稳定同位素的变化特征发现:当地大气降水并不是地下水的主要补给来源,其补给源区为周边山区,补给来源主要是周边山区的大气降水,且地下水所经历的蒸发作用较明显;盆地的东、西部地下水的补给源区不尽相同,西部的补给区高程要高于东部的补给区高程,但两部分地下水所经历的蒸发强度基本相同。     

黄河流域地下水资源、主要环境地质问题及对策建议

本文在重新汇总黄河流域地下水资源量的基础上 ,提供黄河流域天然补给资源总量为453 .54亿m3 /a,其中淡水为 40 3 .51亿m3 /a,微咸水补给约 50 .0 3亿m3 /a。可开采资源总量为2 1 2 .2 4亿m3 /a,其中淡水为 1 82 .42亿m3 /a,微咸水约 2 9.82亿m3 /a。总结分析了黄河流域主要环境地质问题的发展趋势 ,提出了水资源利用方面的一系列宏观对策建议。     

徐州市地下水降水入渗补给量预测

徐州市城市供水主要是地下水据计算,规划区917.86km~2范围内地下水可采资源总量为2.48×10~8m~3/a,其中大气降水入渗补给量约占70％,可见降水入渗补给量对地下水补给保证程度起决定性作用,亦是城市供水规划制订的重要参考依据。徐州市城市供水主要是地下水据计算,规划区917.86km~2范围内地下水可采资源总量为2.48×10~8m~3/a,其中大气降水入渗补给量约占70％,可见降水入渗补给量对地下水补给保证程度起决定性作用,亦是城市供水规划制订的重要参考依据。     

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。     

淮北平原降雨入渗补给系数随地下水埋深变化特征

水文地质参数对地下水资源评价起着至关重要的作用。其中,降雨入渗补给系数是影响浅层地下水水量、水质的重要参数。它对研究区域水量转化和水量平衡也十分重要。但是由于受降雨量、土壤类型、植被、地下水埋深等诸多因素的影响,准确判断降雨入渗补给系数存在很大困难。如果没有考虑这些因素的影响,尤其是降雨量和地下水埋深的影响,所推求的降雨入渗补给系数就会存在较大误差。结合安徽省淮北平原区五道沟水文实验站观测的降雨量、地下水补给量、地下水水位资料,利用两种不同的方法推求了不同降雨量等级的次降雨入渗补给系数。根据统计学理论研究了不同降雨量条件下,次降雨入渗补给系数随地下水埋深变化的分布规律,建立了次降雨入渗补给系数与地下水埋深的回归模型,并进行了相应的检验。研究表明,在控制地下水埋深的条件下,次降雨入渗补给系数随地下水埋深的变化符合指数分布;在地下水位自由变动的条件下符合伽玛分布。     

降水入渗补给过程中优先流的确定

优先流是降水、灌溉水等入渗补给地下水的主要形式之一, 流速快, 流动路径复杂, 难以定量描述.针对优先流难以定量描述的问题, 以郑州地中渗透仪观测资料为基础, 探讨了新乡亚砂土等试筒降水入渗过程及其中的优先流补给量比例.根据土壤的水力性质、气候等资料建立不存在优先流的数值模拟模型来刻画降水入渗补给过程, 通过模拟获得的地下水入渗补给量与实测地下水入渗补给量的历时曲线, 将大于模拟值的实测值视为优先流的量及确定其在总补给量中所占的比例.结果表明, 优先流占总补给量的比例在10%~80%之间; 随着土壤粘性增加, 优先流所占比例呈增加趋势; 随地下水位埋深的增大, 优先流所占比例呈逐渐下降趋势.      

Groundwater recharge mechanism in an integrated tableland of the Loess Plateau,northern China: insights from environmental tracers

Assessing groundwater recharge characteristics (recharge rate, history, mechanisms (piston and preferential flow)) and groundwater age in arid and semi-arid environments remains a difficult but important research frontier. Such assessments are particularly important when the unsaturated zone (UZ) is thick and the recharge rate is limited. This study combined evaluations of the thick UZ with those of the saturated zone and used multiple tracers, such as Cl, NO₃, Br, ²H, ¹⁸O, ¹³C, ³H and ¹⁴C, to study groundwater recharge characteristics in an integrated loess tableland in the Loess Plateau, China, where precipitation infiltration is the only recharge source for shallow groundwater. The results indicate that diffuse recharge beneath crops, as the main land use of the study area, is 55–71 mm yr^?1 based on the chloride mass balance of soil profiles. The length of time required for annual precipitation to reach the water table is 160–400 yrs. The groundwater is all pre-modern water and paleowater, with corrected ¹⁴C age ranging from 136 to 23,412 yrs. Most of the water that eventually becomes recharge originally infiltrated in July–September. The Cl and NO₃ contents in the upper UZ are considerably higher than those in the deep UZ and shallow groundwater because of recent human activities. The shallow groundwater has not been in hydraulic equilibrium with present near-surface boundary conditions. The homogeneous material of the UZ and relatively old groundwater age imply that piston flow is the dominant recharge mechanism for the shallow groundwater in the tableland.     

黑河流域走廊平原地下水补给源组成及其变化

通过环境同位素、水文分割法和相关分析研究表明,祁连山区降水、冰川雪融水和基岩裂隙水通过出山口地表径流补给构成黑河流域走廊平原地下水主要补给源,具有年际和年内丰枯动态变化规律,与祁连山区降水量和气温的关联度分别为0.97和0.79,与平原张掖站降水量和气温的关联度分别为0.43和0.60。在自然径流条件下,祁连山区降水量变化是改变走廊平原地下水补给的主导因素,约占91%权重;气温变化是重要影响因素,约占9%权重。20世纪80年代以来祁连山区各补给源处于偏丰期。因此,近年来走廊平原地下水补给量相对50年代减少27.1%,人类活动是重要影响因素,急需加强科学调控。     

Comparison of recharge estimates at a small watershed in east-central Pennsylvania,USA

The common recommendation that recharge should be estimated from multiple methods is sound, but the inherent differences of the methods make it difficult to assess the accuracy of differing results. In this study, four methods for estimating groundwater recharge and two methods for estimating base flow (as a proxy for recharge) are compared at two hydrologic research sites in east-central Pennsylvania, USA. Results from the multiple methods all provided reasonable estimates of groundwater recharge that differed considerably. The estimates of mean annual recharge for the period 1994-2001 ranged from 22.9 to 35.7 cm—about 45% of the mean of all estimates. For individual years, recharge estimates from the multiple methods ranged from 30 to 42% of the mean value during the dry years and 64 to 76% of the mean value during wet years. Comparison of multiple methods was found to be useful for determining the range of plausible recharge rates and highlighting the uncertainty of the estimates.     

北京市永定河地下水库水资源储蓄能力研究

北京市永定河冲洪积扇中上部,具备建设地下水库的基本条件。本文在确定永定河地下水库水资源人工补给方式的基础上,分析了各方式的入渗能力,提出了地下水库的人工补给方案,利用地下水数值模拟的预测结果和有效储水率计算公式,首次研究了地下水库的储水能力,分析了永定河地下水库的水资源补给效果。结果表明,永定河地下水库水资源人工补给能力最大可达18．93m^3／s,回灌地表水2．42×108m^3的情况下地下水位最大回升32m,地下水储存量增加2．09×108m^3,回灌后1年和5年的有效蓄水率分别为78．6％和46．8％,北京永定河地下水库具有较好水资源回灌能力、储存能力,地下水人工调蓄能够起到明显的效果。     

Estimating groundwater recharge rates in the southeastern Holstein region, northern Germany

In the southeastern Holstein region, located to the east of the metropolitan zone of Hamburg, northern Germany, a groundwater investigation program was conducted from 1984 to 2000 by the State Agency for Nature and Environment (Landesamt für Natur und Umwelt, LANU) of Schleswig-Holstein, Germany, with the aim of providing long-term, ecologically acceptable groundwater management plans for the region. The focal point of the investigation comprised the determination of groundwater recharge rates. The investigation method was based on the transfer of available lysimeter results from other regions to comparable regions within the area studied. With the help of lysimeter equations, potential amounts of percolation water were calculated. The groundwater recharge rate was then determined after subtraction of the surface runoff which was calculated for the entire area. All computations were performed with a spreadsheet program. Groundwater recharge rates were calculated for two areas. One consisted of roughly determining groundwater recharge rates for the total region (1,392 km²) of southeastern Holstein. The overall goal of these investigations was to identify potential areas of water exploitation. Areas in which groundwater recharge rates are high and groundwater outflow is low are particularly suited to water exploitation, since inflow rates into deeper aquifers are high. These areas are located on the flanks of the Elbe and Stecknitz River valleys. Subsurface groundwater runoff to these lowlands would be reduced through groundwater withdrawal. However, the resulting decline in shallow groundwater tables would be so small that it would have no detrimental ecological effects. Groundwater recharge rates were also calculated for a 110-km² area in the outskirts of Hamburg (Grosshansdorf model area) which is intensively developed for water supply. These investigations showed that the amount of groundwater recharge is already being withdrawn to a large extent. Approximately 65% of the recharge rate is currently withdrawn by the waterworks in this area, thus making further increases in exploitation rates unjustifiable from an ecological point of view. Electronic Publication     

Assessing distributed groundwater recharge rate using integrated surface water-groundwater modelling: application to Mihocheon watershed, South Korea

A method of estimating groundwater recharge, based on water-balance components using the SWAT-MODFLOW model (an integrated surface water-groundwater model), is described. A multi-reservoir storage routing module is suggested instead of a single storage routing module in SWAT; this represents a more realistic delay in the travel of water through the vadose zone. By using this module, the parameter related to the delay time can be optimized by checking the correlation between simulated recharge and observed groundwater levels. The final step of this procedure is to compare simulated groundwater levels as well as the simulated watershed stream flow with the observed groundwater levels and watershed stream flow. This method is applied to the Mihocheon watershed in South Korea to estimate spatio-temporal groundwater recharge distribution. The computed annual recharge rate is compared with the independently estimated recharge rate using BFLOW. The hydrologic modelling results show that the annual average recharge rate should be estimated by a long-term continuous simulation with a distributed hydrologic modelling technique.     

Estimation of emission from an LNAPL contaminated zone considering groundwater recharge

The aim of this work was to develop an easy to handle semi-analytical method to estimate the temporal development of emission from a multi-component LNAPL pool considering groundwater recharge. The presented approach allows the estimation of the total mass flux out of an LNAPL pool into the gas and the water phase, the latter including the mass fluxes from groundwater recharge, advection through and diffusion out of the LNAPL zone. Therefore, the known set of constitutive relationships to determine fluid saturation profiles of 2- and 3-phase systems is extended in this work to account for dynamic conditions due to groundwater recharge. The methodology is applied to a kerosene pool at a former military airfield and it is found that the mass flux due to groundwater recharge dominates the aqueous mass flux from the kerosene contaminated zone. A sensitivity study using field parameters shows, that the apparent kerosene thicknesses observed in monitoring wells and the lithology control mass flux into the gas phase, whereas the mass flux into groundwater mainly depends on the groundwater recharge rate. For the kerosene found at the site, source emission into the soil gas is estimated to last longer than the emission into groundwater, the latter varying between less than 100 and 400 years.     

同位素水化学指示的新疆孔雀河流域地下水与地表水关系

地下水是孔雀河流域农业灌溉的主要水源之一,其对本地区经济发展的支撑作用日益增强。为实现孔雀河流域水资源合理开发和生态保护,采用环境同位素和水化学方法,研究了孔雀河流域地下水与地表水关系。结果表明:地下水的主要补给来源为河水。含水层成因类型和现代河道分布共同控制着孔雀河流域地下咸淡水的空间分布格局;氢氧稳定同位素对不同水体的相互转化指示作用较强,但难以区别更新世与全新世的地下水;3 H和14 C放射性同位素组分对地下水循环演化及更新能力的指示作用较好,14 C年龄变化特征可以很好指示承压水的运移方向和速率;13 C可作为初步判断地下水类型或年龄的参考指示剂;大量渠系引水灌溉使得潜水接受地表水入渗补给能力增强,更新能力显著提高,但承压水目前的开采利用仍以消耗更新能力差的老水为主。当地应优化调整地下水开发格局,减少流域中游河套内农灌区承压水开采量,加大流域下游微咸水分布区潜水开采利用,降低潜水位,减轻土壤盐渍化,促进水土资源开发的良性循环。