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黑河流域中游盆地地下水动态特征及其调蓄能力分析

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水文地质工程地质 2022年第3期49卷 11-21页

作者：凤蔚李文鹏邵新民祁晓凡黎涛中国地质环境监测院北京100081 浙江省地质环境监测中心浙江杭州310007

40多年来,我国西北地区大规模的地下水开发利用造成了部分地区地下水水位持续下降甚至泉水干涸,部分地区地下水仍能维持动态稳定,判断这类地区水资源开发利用是否具有可持续性是必须解决的重大科学问题。以黑河流域中游盆地作为研究对象... 详细信息

40多年来,我国西北地区大规模的地下水开发利用造成了部分地区地下水水位持续下降甚至泉水干涸,部分地区地下水仍能维持动态稳定,判断这类地区水资源开发利用是否具有可持续性是必须解决的重大科学问题。以黑河流域中游盆地作为研究对象,采用MK检验和连续小波分析等方法,分析长时间序列地下水水位数据的变化特点,研究区域地下水动态特征;结合区域水文地质条件,综合划分黑河流域中游盆地地下水补排平衡区与非平衡区;利用克里金插值法估算1990—2020年盆地含水层对水资源的调节水量,并评价不同动态平衡区的调蓄能力。结果显示,黑河流域中游盆地地下水水位动态类型有:水文型、水文-开采型、开采型和蒸发-开采型4种长周期动态稳定型,过量开采型或上游过度引用地表水型2种长周期持续下降型。黑河-梨园河倾斜平原、酒泉盆地和黑河中游下段侵蚀堆积平原的大厚度含水层是黑河流域中游盆地的地下水补排平衡区,其在1990—2001年共输出地下水12.06×10^(8) m^(3),2001—2020年共储存地下水9.06×10^(8) m^(3)。大厚度含水层为地下水的长周期调蓄提供了充足的空间,在合理控制开采量的前提下,该类含水层的天然调蓄能力可满足生产生活和下游生态用水需要。盆地地下水补排非平衡区,如黑河以东诸河倾斜平原、盐池盆地和榆木山山前诸小河流域等地区,目前的地下水开发利用方式和强度是不可持续的,应适当减少地下水开采量,调节盆地上游的引水量和开采量,抑制地下水资源枯竭。本研究成果可为西北干旱内陆地区水资源管理和持续开发利用提供参考。

关键词：黑河流域中游盆地地下水动态地下水补排平衡区大厚度含水层含水层调蓄

白洋淀湿地不同植物群落区表层沉积物碳氮磷化学计量特征

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湖泊科学 2022年第2期34卷 506-516页

作者：尹德超王雨山祁晓凡安永会王旭清徐蓉桢中国地质调查局水文地质环境地质调查中心保定071051 中国地质调查局地质环境监测院北京100081

白洋淀是雄安新区的核心生态功能区.为探究白洋淀不同植物群落区表层沉积物碳(C)氮(N)磷(P)化学计量特征,采集了96组表层沉积物样品开展对比分析.研究表明:白洋淀湿地表层沉积物总有机碳(TOC)含量均值为39.64 g/kg,范围为14.4~136.82 g/... 详细信息

白洋淀是雄安新区的核心生态功能区.为探究白洋淀不同植物群落区表层沉积物碳(C)氮(N)磷(P)化学计量特征,采集了96组表层沉积物样品开展对比分析.研究表明:白洋淀湿地表层沉积物总有机碳(TOC)含量均值为39.64 g/kg,范围为14.4~136.82 g/kg,总氮(TN)和总磷(TP)均值分别为2.62和0.75 g/kg,范围分别为0.72~10.57和0.46~1.38 g/kg;不同植物群落区表层沉积物C、N、P化学计量特征存在显著差异,挺水植物分布区表层沉积物TOC和TN含量高于其他区,水田区沉积物TP含量最高;表层沉积物C∶N∶P比例平均值为141∶8∶1,C∶N比值相对稳定,C∶P和N∶P比值空间分异性较大;不同水生植物群落区沉积物C、N、P化学计量特征存在差异,挺水植物区沉积物C∶P和N∶P比值显著高于其他各分区,沉水植物区表层沉积物C∶N最大,挺水植物区和沉水植物区C∶N∶P比例平均值分别为222∶13∶1和129∶6.5∶1;白洋淀表层沉积物C、N、P化学计量特征受植物群落生物量、磷氮磷化学计量特征、枯落物分解速率以及人类活动等多个因素影响;与我国东部主要湖泊相比,白洋淀表层沉积物C、N、P含量均处于较高水平,建议在水生植物生长末期收割打捞运出淀外,减少淀内N、P营养盐累积,减缓白洋淀富营养化和沼泽化进程.

关键词：白洋淀底泥碳氮磷营养元素化学计量学分布特征

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

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水文地质工程地质 2022年第3期49卷 29-43页

作者：祁晓凡李文鹏崔虎群康卫东刘振英邵新民中国地质环境监测院北京100081 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 西北大学地质学系陕西西安710069 河北地质大学水资源与环境学院河北石家庄050031 浙江省地质环境监测中心浙江杭州310007

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... 详细信息

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0.37×10^(8) m^(3)/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 m^(3)/(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0.06×10^(8) m^(3)/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5.77×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均减少0.16×10^(8) m^(3)/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0.15×10^(8) m^(3)/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5.45×10^(8) m^(3),地下水溢出量平均增加0.08×10^(8) m^(3)/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。

关键词：水循环机制地表水与地下水转化水平衡地表水与地下水耦合数值模拟黑河流域

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

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水文地质工程地质 2022年第3期49卷 1-10页

作者：李文鹏邵新民祁晓凡吴玺王文祥安永会孙银行中国地质环境监测院北京100081 浙江省地质环境监测中心浙江杭州310007 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 潍坊学院建筑工程学院山东潍坊261061

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... 详细信息

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0.40×10^(8) m^(3)/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×10^(8) m^(3)/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×10^(8) m^(3)/a;3项补给量之和为0.77×10^(8) m^(3)/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。

关键词：黑河中游盆地河谷段浅山带侧向径流补给量

雄安新区白洋淀表层沉积物重金属地球化学特征及生态风险评价

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中国地质 2022年第3期49卷 979-992页

作者：尹德超祁晓凡王雨山徐蓉桢安永会王旭清耿红杰中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 中国地质调查局地质环境监测院北京100081

【研究目的】白洋淀为雄安新区核心生态功能区,为支撑白洋淀湿地生态修复与保护,系统开展了全淀区表层沉积物环境质量调查。【研究方法】在白洋淀湿地采集表层沉积物样品484组,查明了白洋淀表层沉积物重金属地球化学特征,并采用地累积... 详细信息

【研究目的】白洋淀为雄安新区核心生态功能区,为支撑白洋淀湿地生态修复与保护,系统开展了全淀区表层沉积物环境质量调查。【研究方法】在白洋淀湿地采集表层沉积物样品484组,查明了白洋淀表层沉积物重金属地球化学特征,并采用地累积指数法、潜在生态风险指数法等多种方法开展了重金属生态风险评价。【研究结果】白洋淀表层沉积物重金属含量普遍偏高于河北省表层土壤重金属含量背景值,府河入淀口及白沟引河入淀口为重金属元素主要富集区,入淀河流输入为白洋淀重金属主要来源;环境地球化学综合评价结果为清洁无污染等级分布面积144.54 km^(2),占表层沉积物分布总面积的96.68%;各重金属污染程度由重到轻排序为Cd>Cu>Hg>Pb>Zn>Ni>Cr>As,Cd元素污染程度等级以中度和偏中度为主,Cu元素以轻度和清洁为主,其他元素以清洁无污染为主;重金属潜在生态风险以轻度和中度为主,河流入淀口所在淀区重金属潜在生态风险高于其他淀区,潜在生态风险由高到低排序为南刘庄>烧车淀>小白洋淀>王家寨>藻苲淀>捞王淀>池鱼淀>泛鱼淀。【结论】白洋淀表层沉积物环境质量总体较好,南刘庄等局部淀区存在重金属污染潜在生态风险,以Cd元素污染最为突出。

关键词：表层沉积物地球化学特征重金属生态风险环境地质调查工程雄安新区白洋淀

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马莲河流域化学风化的季节变化和影响因素

环境科学 2018年第9期39卷 4132-4141页

作者：王雨山韩双宝邓启军祁晓凡中国地质调查局水文地质环境地质调查中心保定071051 中国地质大学(北京)水资源与环境学院北京100083

为查明黄土高原马莲河流域不同季节河水化学的变化特征、来源及主要控制因子,2016年1~12月在流域下游雨落坪水文站采集时间序列水样40组,分析了主要离子组成并计算了化学风化速率.结果表明,河水总溶解固体(TDS)均值1 154.0 mg·L^(-1),... 详细信息

为查明黄土高原马莲河流域不同季节河水化学的变化特征、来源及主要控制因子,2016年1~12月在流域下游雨落坪水文站采集时间序列水样40组,分析了主要离子组成并计算了化学风化速率.结果表明,河水总溶解固体(TDS)均值1 154.0 mg·L^(-1),远高于长江、黄河和珠江.阳离子以Na+为主,均值202.8 mg·L^(-1),其次为Ca^(2+)和Mg^(2+),阴离子以SO_4^(2-)为主,均值431.2 mg·L^(-1).主要离子质量浓度的季节变化明显,总体规律是雨季前降低,雨季后增高,在融冰期和暴雨期分别突增和骤降.离子来源主要为岩石化学风化,蒸发岩、硅酸盐和碳酸盐贡献比例均值分别为67.1%、13.7%和19.2%.矿物含量和风化速率的不同决定了各风化作用对气候变化的差异响应:蒸发岩因其高风化速率对季风气候响应积极,雨季风化作用增强;雨季前期河水流量低,较长的水岩作用时间有利于硅酸盐风化进行;碳酸盐风化作用在雨季晚期和后期明显增强,可能因其在黄土中含量较高,雨季后降雨吸收了更多的土壤CO_2形成H2CO3增进了碳酸盐的溶解.蒸发岩、碳酸盐风化速率和流量显著正相关,流量是控制流域化学风化的主要因素.

关键词：马莲河水化学季节变化蒸发岩化学风化

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白洋淀表层沉积物氮磷分布、储量及污染评价

地质通报 2023年第11期42卷 1983-1992页

作者：尹德超王雨山祁晓凡王旭清安永会杨进平中国地质调查局水文地质环境地质调查中心河北保定071051 中国地质调查局地质环境监测院北京100081

白洋淀是雄安新区核心生态功能区,为查明白洋淀表层沉积物氮磷分布特征、储量及污染程度,系统开展了氮磷营养盐调查及污染评价。结果表明:白洋淀底泥层总氮含量为528.5~10566.5 mg/kg,均值为2859.91 mg/kg,总磷含量为425.7~2446.0 mg/kg... 详细信息

白洋淀是雄安新区核心生态功能区,为查明白洋淀表层沉积物氮磷分布特征、储量及污染程度,系统开展了氮磷营养盐调查及污染评价。结果表明:白洋淀底泥层总氮含量为528.5~10566.5 mg/kg,均值为2859.91 mg/kg,总磷含量为425.7~2446.0 mg/kg,均值为789.22 mg/kg;过渡层总氮含量为318.5~4662.0 mg/kg,均值为1706.7 mg/kg,总磷含量为315.05~976.30 mg/kg,均值为598.97 mg/kg;表层沉积物总氮总储量为15.86×10^(4)t,其中底泥层总氮储量为3.76×10^(4)t,过渡层总氮储量为12.10×10^(4)t;总磷总储量为5.54×10^(4)t,其中底泥层总磷储量为1.02×10^(4)t,过渡层总磷储量为4.52×10^(4)t。根据综合污染指数法评价结果,白洋淀湿地底泥层氮磷污染程度均为重度,过渡层除烧车淀为重度外,其余各淀泊均为中度或轻度。

关键词：白洋淀表层沉积物氮磷储量污染评价

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表层岩溶动力系统中土壤水分及其岩溶效应

应用生态学报 2009年第7期20卷 1586-1590页

作者：邓艳覃星铭蒋忠诚罗为群祁晓凡中国地质科学院岩溶地质研究所广西桂林541004 广西师范大学生命科学学院广西桂林541004 中国地质大学武汉环境学院武汉430074

对广西弄拉表层岩溶动力系统中森林和灌丛的土壤容重、非毛管孔隙度等物理性质以及土壤CO2、土壤水和泉水水化学特征进行了研究.结果表明:森林和灌丛环境下的土壤物理性质存在显著性差异,影响土壤含水量.土壤水固定CO2浓度和土壤CO2之... 详细信息

对广西弄拉表层岩溶动力系统中森林和灌丛的土壤容重、非毛管孔隙度等物理性质以及土壤CO2、土壤水和泉水水化学特征进行了研究.结果表明:森林和灌丛环境下的土壤物理性质存在显著性差异,影响土壤含水量.土壤水固定CO2浓度和土壤CO2之间存在显著的负相关关系.森林土壤水中游离CO2浓度为0,灌丛为5.33×103mg.m-3.土壤水和泉水中pH、Ca2+、Mg2+、Cl-浓度存在一定的负相关关系,其K+、Na+、HCO3-浓度和有机碳含量存在正相关关系.经过雨水的淋溶,土壤层各离子浓度均大幅度增加,其溶蚀能力大大增强.森林环境下的岩溶作用稳定但强度大,灌丛环境下的岩溶作用活跃但强度小.

关键词：表层岩溶动力系统土壤水表层岩溶泉岩溶效应

基于地表水循环遥感观测的黑河流域水平衡分析

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水文地质工程地质 2022年第3期49卷 44-56页

作者：闫柏琨李文鹏甘甫平郑跃军祁晓凡白娟郭艺吴艳红王龙凤马燕妮中国自然资源航空物探遥感中心北京100083 自然资源部航空地球物理与遥感地质重点实验室北京100083 中国地质环境监测院北京100081 中国科学院空天信息创新研究院北京100094

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量... 详细信息

流域内水循环各环节的水量及其时空分布是不断变化的,掌握流域水循环与水平衡状况是进行流域水资源合理开发利用的重要基础。以2000—2019年黑河流域水文显著变化期为研究时段,综合应用TRMM与GPM卫星观测的降水量、遥感估算的蒸散发量等数据并结合气象站点、水文站点等观测数据,对流域降水、蒸散发与径流等水循环要素的水平衡进行了分析。结果表明:祁连山区是主要产流区,向中游年均下泄水量约为45.11×10^(8) m^(3)。其中,消耗于中游的年均量约为29.92×10^(8) m^(3),约占66%;补充下游的年均量约为15.19×10^(8) m^(3),约占34%。民乐—张掖盆地是黑河中游水资源消耗的主要区域,年均消耗的上游来水和当地降水量达43.97×10^(8) m^(3),约占中游消耗量的75%;中游农田蒸散发年均消耗水量约20.3×10^(8) m^(3),占总消耗量的35%;上游区降水量增加是黑河干流出山口径流量增加的主因,对径流量增加的贡献率为96%,导致年均径流增加0.35×10^(8) m^(3),潜在蒸散发对径流增加几乎没有贡献。根据目前黑河干流上游径流量变化与中游水资源消耗现状,如果未来水文周期变化导致上游径流减少,中下游用水矛盾凸显的风险较大。地表水循环遥感观测可作为流域水平衡分析的方法之一,分析流域地表水水资源的空间分布状况、揭示水资源变化趋势与原因,支撑水资源合理配置,陆面实际蒸散发是水平衡分析不确定性的主要来源,准确估测不同类型下垫面实际蒸散发量是提升分析可靠性的关键。基于互补相关的陆面实际蒸散发估算方法相对简单,但其中用于计算湿环境蒸散发量的Priestley-Taylor公式中乘性经验系数受地形影响空间变异很大,区域上采用统一数值会对结果造成不可忽视的影响。

关键词：水资源水文降水蒸散发径流水循环水平衡