华北平原河道地下调蓄与利用潜力

长期超采地下水形成的华北平原浅层含水层疏干空间是利用河道进行地下调蓄增加地下水补给的有利场所。在野外调查基础上,根据水文地质条件、地下水动态资料和地表水观测统计分析得出:华北平原主要水系永定河、大清河、子牙河和漳卫南运河等河段具有良好的人工地下调蓄潜力;在相同地下水水位埋深条件下,干涸河道的渗漏率明显大于有底水条件的渗漏率,河道在无底水条件下,当地下水埋深大时,渗漏率较大;山前平原主要水系的砂层裸露及浅埋型可调蓄区面积4 703.13 km2,现状可利用调蓄库容66.28×108m3;以不引起陆表生态环境负效应为原则,拟定上限约束深度4 m,计算得出大型冲洪积扇区主要河道带现状可利用地下调蓄库容42.59×108m3,可供调节水量22.83×108m3/a,地下水补给量增加14.82×108m3/a。     

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。     

生态输水期间额济纳绿洲区地下水动态数值模拟

根据额济纳盆地的水文地质条件,采用地下水数值模拟软件GMS建立了额济纳绿洲区地下水流数值模型。根据模拟结果分析了生态输水期间(2001~2011年)研究区地下水量均衡要素和地下水位、水量的年际动态变化。研究结果表明:(1)生态输水期间额济纳绿洲区地下水的年平均排泄量为3.54×108m3/a,年平均补给量为3.67×108m3/a。其中,河道渗漏和潜水蒸发分别占地下水补给和排泄的78%和63%;(2)生态输水期间额济纳绿洲区地下水量变化总体为正均衡,均衡差0.13×108m3/a。其中,2001、2004、2009和2010年为负均衡,其他年份均为正均衡;(3)对整个绿洲区而言,潜水补给承压水,平均补给量为0.23×108m3/a;(4)生态输水期间绿洲区的地下水位总体是抬升的,抬升速率0.02m/a。河道附近地下水位的抬升速率大于0.04m/a,较其他区域明显,受河水演进的影响,最大值出现在东河最下段。     

基于调蓄试验及数值模拟的北京市西郊地下水库人工补给效果评估

地下水库人工补给的效果评估对于水资源调蓄具有重要意义.本文利用回灌试验和数值模拟研究了北京市西郊地下水水库永定河河道入渗能力.结果表明在调蓄水源为3.30×108m3时,永定河河道入渗补给量为2.39×108m3,河道入渗率高这72.5%,调蓄能力强.三家店水库弃水后河道入渗影响范围为188 km2,对地下水补给效果明显.可见永定河河道是比较理想的人工调蓄场所,使得南水北调中线工程向北京输水后水资源在丰水年地下水人工补给成为可能.     

银川平原地下水流模拟与地下水资源评价

针对近年来引黄水量大幅度降低、地下水补给条件发生巨大改变的情况,应用地下水模拟技术评价银川平原地下水资源量。根据土地利用类型、主要沟渠分布及测流资料对源汇项数据进行时空分配处理,运用MODFLOW建立了银川平原地下水流模拟模型;以2004—2005年为模拟期,通过深浅层地下水流场和典型长观孔过程线拟合对模型进行了识别验证。考虑45×108m3/a引黄量条件下,应用模型评价出地下水补给资源量为19.41×108m3/a,其中引黄渗漏补给为16.95×108m3/a。结合水源地开采布局、地下水溶解性总固体分区等因素,评价出银川平原地下水可开采资源总量11.30×108m3/a,其中小于1g/L的淡水可开采资源量为8.8×108m3/a。     

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。     

河南豫北平原地下水资源与可持续利用

河南豫北平原属华北平原的一部分,面积约17000km2,自中更新世早期以来,黄河冲积扇的形成和演化,对其含水层的空间结构及迭置关系,起决定性控制作用。最新计算结果,浅层地下水多年平均补给量为31 15×108m3 a,开采资源量为28 47×108m3 a,储存资源量为547 60×108m3;深层地下水开采资源量为9243×104m3 a,弹性储存量为42 93×108m3。2000年地下水开采量20 36×108m3,地表水实际利用量16 44×108m3。预测2010年河南豫北平原需水量为39 38×108m3,水资源尚有结余;2020年需水量为47 63×108m3,水资源缺口1 74×108m3,总体上是平衡的。评价的浅层地下水资源属可持续利用的地下水资源。规划的6个城市应急水源地集中在沿黄地带,日开采浅层地下水达80×104m3,为城市供水提供了安全保证。     

北京市平原区地下水资源开采现状及评价

本文分析了北京市平原区地下水资源的开采现状,探讨了水资源开发利用过程中存在的问题。在分析平原区水文地质条件的基础上,采用FEFLOW软件建立了相应的地下水数值模拟模型,基于识别后的模型进行了水资源评价。研究表明:2000～2003年研究区地下水系统均衡分别为-7 73×108、-6 02×108、-5 95×108和-4 38×108m3,地下水系统的补给源主要是大气降水入渗补给和山前迳流补给,主要的排泄是人工开采。多年平均地下水补给资源量为22 98×108m3。平谷和昌平地区地下水还有开采潜力,密云-怀柔-顺义(密怀顺)平原和城近郊区地下水已过量开采。山前郊县地下水水质优良,城近郊区、大兴、房山和通州部分地区地下水水质较差。文章最后分析了引起地下水污染的主要原因。     

中牟县浅层地下水资源评价

在分析中牟县水文地质条件的基础上,采用均衡原理对中牟县浅层地下水资源及可开采资源进行定量评价。评价结果表明中牟县地下水多年平均补给资源量为19927.89×104m3/a、多年平均排泄量21984.70×104m3/a,地下水处于负均衡状态,主要原因为开采量过大和补给不足所致。     

河北平原地下水资源与可持续利用

河北平原是我国水资源供需矛盾最为突出的地区之一,自70年代以来大量动用地下水的储存量,导致山前局部地区浅部含水层疏干,中东部平原深层地下水水位大幅下降,并诱发了地面沉降等一系列环境地质问题。河北平原地下水总补给量约139 62×108m3 a,可采资源为107 75×108m3 a。1985～1995年地下水平均开采量133 1×108m3 a,即平均超采25 35×108m3 a,其中深层淡水超采10 01×108m3 a。本文提出调整布局,充分挖掘地下水资源潜力。河北平原中东部咸水分布区的浅层淡水分布面积17857km2,尚有约20×108m3 a的开采潜力。节约挖潜,调整产业结构,使工农业结构及人口适应水资源的承载力。合理调控地下水的开采深度,浅层水循环交替积极,具有开放性和可恢复性,采补均衡的着力点应放在浅部。地下水资源的可持续利用与社会经济可持续发展的结合点,在于维护浅部地下水动态均衡上。     

土壤含水层处理系统对再生水入渗过程中"三氮"去除的柱试验模拟

土壤含水层处理系统(soil aquifer treatment,SAT)是一种重要的人工回灌地下水方式。以再生水为回灌水源时,水中含有的“三氮”可能会对回灌区地下水造成污染风险。研究各种因素对在SAT中去除再生水中“三氮”的影响具有重要意义。本研究中,通过高200 cm、内径50 cm土柱试验,研究了SAT系统中粒径、干湿比(落干期与淹水期的比值)、在系统表层增加生物炭及渗透流速对实际再生水“三氮”去除效果的影响。结果表明,在干湿比1∶1条件下,实际河道细砂和中细砂柱底部出水中NH₄-N平均去除率分别为73%和66%,去除机理主要为吸附和硝化作用,NO₂-N基本被去除。系统中硝化作用导致NO₃-N浓度升高,出水中NO₃-N浓度平均增长了3.0%4.1%。在深度115 cm以上, 中细砂柱内比细砂柱内的硝化作用更强,这导致了更高的NH₄-N去除率和更低的NO₃-N去除率。延长落干期后(干湿比3∶1),系统具有了更强的复氧能力,促进了硝化作用,使得NH₄-N的平均去除率提高了20%,而NO₃-N的降低了3%4%,增加了NO₃-N污染风险。在中细砂层添加5%重量生物炭后,吸附性能增强,使其对NH₄-N平均去除率增加了20%32%,但对NO₃-N影响不明显。渗透流速与NH₄-N的去除和NO₃-N的增加均呈负相关。综合分析可得出,影响SAT系统去除“三氮”的最主要因素是干湿比和渗透流速,在回补水源中NH₄-N浓度较高时,可考虑在SAT系统表层添加生物炭以增强其去除效果。     

黑河中游盆地南部山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算

山区地下水对平原区的侧向径流补给量是一个长期争议且悬而未决的难题,这个量在西北内陆干旱盆地,被估算得或很小或很大。在总结前人研究的基础上,采用地质水文地质调查、物探、钻探、抽水试验、地下水动态观测、水化学测试、盆地地下水水位统测和综合研究等技术方法,查明了黑河中游盆地南部山盆交接带的地质构造接触关系、地层岩性接触关系及梨园河口白垩系风化壳含水层结构和水文地质参数。通过山区不同流域等级的地表水与地下水转化关系分析,将山区地下水对平原区侧向径流补给带划分为大中型河流河谷补给段和小微型河流或冲沟群流域构成的浅山带补给段。河谷补给段勘探资料较为丰富,多用达西断面流方法计算;针对浅山带补给段极为缺乏勘探资料的实际,以梨园河口断面径流量为参照,构建了浅山带岩性、汇水区面积、降水量等3 个变量的山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算方法。估算出黑河中游盆地南部山区浅山带地下水对平原的侧向径流补给量为0.40×108 m3/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×108 m3/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×108 m3/a;3 项补给量之和为0.77×108 m3/a,占盆地地下水资源量的3.0%。该研究为西北内陆干旱盆地山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算提供了一个可供借鉴的实例。     

采煤对浅层地下水环境的影响及矿井水生态利用分析

黄河流域中上游矿区煤?水矛盾突出,煤炭开采对地下水环境造成一定的破坏。基于此,以鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田榆神府矿区为研究区,在野外调查、数据分析、室内测试的基础上,分析研究区矿井水的量质特征,揭示煤炭高强度开采对地下水环境的影响,并开展矿井水生态利用研究。结果表明:研究区矿井富水系数在0.23~2.28,平均为0.91,评估2020年区内矿井排水量高达4.70亿m3,受采掘活动影响,浅埋煤层开采区地下水位下降趋势明显;区内矿井水出现不同程度的污染组分超标现象,主要超标指标为化学需氧量(COD)、Na+、SO₄ 2?、溶解性总固体(TDS),未处理的矿井水外排将会污染区内地下水环境;研究区浅层地下水超限的水质指标主要为NO₃-N,与矿井水超限水质指标差别较大,反映出浅层地下水水质受采矿活动影响较小;提出矿井水浅层回灌和矿井水生态灌溉2种模式开展研究区矿井水的生态利用,矿井水回灌对矿井水中的溶解性有机碳、色度具有较好的去除效果,回灌后出水满足Ⅲ类地下水限值;浅埋煤矿矿井水具有作为矿区生态修复灌溉用水的较好潜力,中深埋煤矿和深埋煤矿矿井水不适宜作为灌溉用水。研究结果为我国西部煤矿区水资源保护和生态修复提供重要依据。      

雨水花园集中入渗对地下水水位与水质的影响

作为低影响开发（Low Impact Developmet, LID）措施之一,城市雨水花园集中入渗雨水径流可增加对城区地下水的补给。根据一现场监测试验,研究了长期（监测期3年）及短期（降雨3天内）雨水花园入渗点及对照点地下水位与水质的变化,分析了集中入渗的效果和影响范围。结果表明:① 雨水花园对入渗区地下水位产生了显著影响（α=0.01）;② 氨氮（NH₄-N）在3年及雨后3日的观测值均显著小于对照值;总氮（TN）指标在短期增加显著,长期均值增加不显著。③ 硝态氮（NO₃-N）浓度在降雨后有所升高,但不显著,几个观测点浓度有增有减;总磷（TP）浓度的短期值和长期均值有增有减。对于类似研究区地下水位在2~3 m的情况,集中入渗雨水径流可有效补给地下水,对氮素影响明显,对磷影响有限。     

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。     

近30年来降水量变化和人类活动对北京潮白河冲洪积扇地下水动态的影响

对北京潮白河冲洪积扇分布区30年来降水量、地表径流量、地下水水位和地下水储存量进行了时间序列分析。结果表明: 过去30年中,区域地下水动态发生了明显变化,特点是1998年以来,地下水位和地下水储存量迅速下降与减少。1998年以来,年降水量为以往多年平均值的76％左右。在储存量变化的影响因素中,降水量减少导致的补给量减少约占24％,人类活动,如工农业地下水开采、应急水源地地下水开采和地表水体入渗减少等因素约占76％。由于未来气候变化的不确定性,在南水北调的水进京后仍可能出现连续枯水年,因此,以丰水年降水进行水源涵养存在较大风险。对于已经处于严重超采状况的潮白河冲洪积扇来说,为了满足未来供水的需要,应急水源地从现在起应减少开采量或停采以逐步恢复地下水储存量。     

北京通州甘棠地区水资源管理方案与运营

根据北京通州地区甘棠乡水源地多年监测的数据，所建立的水资源管理模型，经过近10a的运营，在管理方案的指导下，逐步实行农业喷灌措施，节水约525×10     

基岩海岛地下水与海水相互作用研究

中国北方基岩海岛水文地质条件独特,气候变化和人类活动不同程度地影响着海岛地下水与海水相互作用过程,然而对包括海水入侵(SWI)和海底地下水排泄(SGD)的水文过程的定量认识比较缺乏。本研究基于2012—2016年我国北方某基岩群岛降水、地下水水位、水质动态监测数据,运用数理统计、空间插值和水力学方法,分析了基岩海岛地下水与海水相互作用的特征和影响因素。结果表明,降水和开采是影响地下水、海水相互作用的主要因素,地下水水位变化滞后于降水事件约10 d;南岛东北岸、南岸的大部分地区没有发生海水入侵,地下水向海排泄过程较稳定,2012—2016年SGD速率均值为0.2 m/d,向海NO₃^-N通量均值为81.8 mmol/(m²·d);北岛东南地区是海水入侵的严重区域,地下水水位长期低于海平面且逐年下降,2012—2016年SWI速率均值为0.3 m/d,向陆NO₃^-N通量均值为69.6 mmol/(m2·d)。分别计算南、北两岛枯水季(2014年4月)、丰水季(2013年9月)SGD水...     

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。     

Groundwater circulation and hydrogeochemical evolution in Nomhon of Qaidam Basin,northwest China

In this study, analysis of hydrogeological conditions, as well as hydrochemistry and isotopic tools were used to get an insight into the processes controlling mineralization, recharge conditions, and flow pattern of groundwater in a typical arid alluvial-lacustrine plain in Qaidam Basin, northwest China. Analysis of the dissolved constituents reveals that groundwater evolves from fresh water (TDS =300–1000 mg/l) to saline water (TDS ≥5000 mg/l) along the flow paths, with the water type transiting from HCO ₃?Cl–Na ?Mg to HCO ₃?Cl–Na, and eventually to Cl–Na. Groundwater chemical evolution is mainly controlled by water–rock interaction and the evaporation–crystallization process. Deuterium and oxygen-18 isotopes in groundwater samples indicate that the recharge of groundwater is happened by meteoric water and glacier melt-water in the Kunlun Mountains, and in three different recharge conditions. Groundwater ages, estimated by the radiogenic (³H and ¹⁴C) isotope data, range from present to Holocene (～28 ka). Based on groundwater residence time, hydrogeochemical characteristics, field investigation, and geological structure distribution, a conceptual groundwater flow pattern affected by uplift structure is proposed, indicating that shallow phreatic water is blocked by the uplift structure and the flow direction is turned to the northwest, while high pressure artesian water is formed in the confined aquifers at the axis of the uplift structure.