基于水文连通特征的黄土高原淤地坝系水资源挖潜调控利用体系

降雨径流的调控利用是缓解黄土高原干旱缺水与控制水土流失的有效手段.以黄土高原典型流域为例,研究了水分富集和输移通道等流域和淤地坝系的水文连通特征,淤地坝减少地表径流,存贮了大量水资源.提出以淤地坝系、截渗系统、调蓄窖池等组成的微观到宏观的水资源挖潜调控利用体系.该体系将时空分布不连续、不稳定且无效损失较大的雨水土壤水资源实现收集储存,把有间歇性和离散型特征的降水径流转变为具有相对持续供水能力的稳定系统,来弥补供水不足.该体系通过降雨径流入渗等过程转化为地表水、土壤水和地下水3部分,形成一套完整水资源挖潜调控利用体系,经工程实际运行计算,可为黄土高原沟壑区生态生产生活提供水源保障.     

衢江流域地表水与地下水的转化关系

地表水和地下水之间的转换关系是流域水循环和水环境问题研究的关键.以水化学和氢氧同位素作为示踪剂可以在一定程度上反映流域内地表水和地下水之间的关系.以衢江流域为研究区,分析了流域内地表水、地下水的水化学和氢氧稳定同位素的空间分布规律和演化趋势,定性和定量地揭示了流域内地表水与地下水的转化关系,结果表明:①溶解性总固体(TDS)、pH指标显示研究区地表水与地下水水化学指标空间变化特征相似,两者转化频繁;流域上游主要是地下水补给地表水,中下游则主要是地表水补给地下水;②阴阳离子组分显示:研究区水化学类型主要是HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca类型水,流域内水的最终来源为大气降水;水中离子主要受岩石风化和降水因素影响;③δD-18δO关系显示氢氧同位素含量沿河水流向不断富集;依据氢氧同位素与大气降水线之间的关系,显示出研究区地下水和地表水均受大气降水补给;④地表水与地下水的定量关系显示:研究区上游主要是地下水补给地表水,地下水对地表水的平均贡献率为19.67％,日均补给量为2.73×106 m3/d;中下游主要是地表水补给地下水,地表水对地下水的平均贡献率为22.77％,日均补给量为3.49×106 m3/d.     

基于稳定氢氧同位素的高寒草甸坡地壤中流产流研究

以青海湖流域高寒草甸坡地为例, 通过收集2013年4—9月大气降水、土壤水和壤中流样品, 测定其稳定氢氧同位素值(δD和δ18O)并分析不同水体同位素特征, 同时使用二源线性混合模型辨析壤中流的产流来源.结果显示:大气降水的氢氧同位素值更加接近浅层(0~40 cm)土壤水的氢氧同位素值, 说明大气降水对浅层土壤水的补给作用要高于深层(40~80 cm)土壤水, 而壤中流的氢氧同位素值更加接近深层土壤水的氢氧同位素值, 说明该部分壤中流主要来源于降水前储存在土壤中的水分; 在非降水期间, 土壤水对坡上和坡中位置壤中流的平均贡献率分别为88.54%和78.43%;当降水事件发生时, 壤中流的水分来源由土壤水逐渐转变为大气降水, 而降水停止后土壤水重新成为壤中流的主要来源, 说明土壤水是高寒草甸壤中流产流的重要来源.     

基于氢氧同位素的岔巴沟流域地表水-地下水转化关系研究

以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟流域为研究对象,通过2005年6月、8月两次对地表水、地下水采样,分析8D、818O、电导率(EC)和pH的变化,研究了岔巴沟流域的地表水一地下水转化关系.河水的氢氧同位素和EC沿河道变化大;主河道河水的δ值沿程富集,而EC在6月份时逐渐增加而8月份则先减小后增大;地下水δ值变幅较小而EC变化大.结果表明,旱季,河水接受以泉水为主要排泄形式的地下水补给,流量很小,在部分河段甚至干涸,仅在中游部分河段,由于河道两侧地下水位下降,基流或降雨径流对地下水形成一定的补给,但在其它河段没有明显的补给;雨季,降雨径流的退水过程快,洪水补给地下水的时间短且局限在河道两侧,洪峰过后,地表径流源于基岩裂隙泉以及各支沟淤地坝拦蓄的降雨径流,中游河水接受基岩裂隙泉水及各支流的补给量增加,而下游支流及泉水流量小,对地表径流量的贡献小,地表水沿程经历强烈蒸发,仅河道附近的地下水接受河水补给.淤地坝减少地下水排泄,增加地下水的转化量以及淤积层、地表径流的矿化度,但尚未明显影响地下水水质.     

胶州湾北岸不同水体水化学及氢氧同位素特征研究

研究不同水体的形成和运移过程,有助于合理开发利用水资源,对地表水与地下水污染协同防治和生态环境保护具有重要意义。以胶州湾北岸地区浅层地下水、河水及海水为研究对象,通过采集水化学和氢氧稳定同位素样品进行测试分析,综合运用统计学和Piper三线图,分析不同水体的水化学特征和影响因素,并结合氢氧稳定同位素特征研究其补给来源和转化关系。结果表明：研究区基岩裂隙水整体以淡水为主,部分点位受海水入侵影响,呈微咸水特征;第四系孔隙水整体为咸水且化学组分较稳定;河水水化学组分变化程度较大,呈微咸水-咸水特征。研究区地表水体间存在相互转化关系,祥茂河河水的主要来源为大气降水;洪江河、墨水河河水为大气降水与海水的混合水,且墨水河受海水混合影响程度大于洪江河;胶州湾海水为河水和标准海水的混合水。研究区地下水和地表水之间存在相互转化,基岩裂隙水来源除大气降水外,还与第四系孔隙水存在密切的水力联系,受海水入侵的影响;第四系孔隙水来源为大气降水与海水的混合水,径流过程中接受地表水体或基岩裂隙水的补给并经历不同程度的蒸发作用。     

真空蒸馏提取与原位采集对土壤水氢氧稳定同位素值比值的影响

为了研究不同采样方法对采集的土壤水氢氧稳定同位素比值的影响,设计了室内降水入渗模拟试验,收集土柱底部出流水、土壤溶液采样器原位采集10cm、40cm、70cm、100cm处的土壤水,在相同层位采集土壤样品并采用真空蒸馏法提取土壤水。通过样品的氢氧稳定同位素比值对比分析可知,降水入渗干燥的土壤过程中土颗粒优先吸附轻同位素,第一个收集的水分具有最正的氢氧稳定同位素比值;真空蒸馏法提取的土壤水是土壤吸湿水和入渗水分的混合,土壤溶液采样器原位采集的土壤水代表土壤中流动的水分,此水分是土壤中可被有效利用的水分。     

降雨入渗条件下土壤水同位素变化实验

 通过输入比初始土壤水富集轻同位素且同位素组成稳定的降雨进行室内降雨入渗实验,研究土壤水氢氧同位素在土壤中变化情况。实验结果表明,降雨在入渗过程中,降雨同位素与初始土壤水同位素发生混合稀释,出流同位素组成随时间减小,最后趋于稳定,接近降雨同位素组成;出流氢氧同位素关系线斜率由以初始土壤水和降雨同位素组成为端点的混合线斜率决定;通过曲线拟合出流同位素随时间的变化函数关系,确定其传递函数分布为指数-活塞流模型分布,且氢同位素和氧同位素的传递函数相同。     

干旱半干旱荒漠化草原区降水-地表水-地下水同位素分布特征——以达尔罕茂明安联合旗为例

为能揭示出研究尚处于初级阶段的干旱半干旱荒漠化草原区水循环机理,本文应用被视为水体“DNA”探索的同位素示踪方法,对以达尔罕茂明安联合旗为例的干旱半干旱荒漠化草原区所采集的降水、地表水和地下水中同位素含量的时空分布特征进行探究。根据降水氢氧同位素含量及其氘盈余(d)值的变化过程,发现研究区大气降水水汽在夏季主要受海洋季风的影响、冬季主要受蒙古高压影响,而且从时空变化来看研究区地表水和地下水同位素含量随时间变化不大但由于纬度和降水源区不同的影响随着自西向东的空间变化各水体同位素含量逐渐变大。此外,研究区地表水和地下水同位素含量均散落于当地大气降水方程线下方,说明研究区域内地表水和地下水的补给来源主要为降水,并且部分区域地表水与地下水同位素含量分布比较集中,属于交叉分布,说明这些区域还存在地表水和地下水转换互补。     

飞凤山处置场地下水水化学、氢氧稳定同位素特征及其指示意义

飞凤山低中放固体废物处置场是中国西南地区极为重要的核废料处置场。处置场位于四川省北部山区,地层是一套志留系泥页岩,属于传统意义上的低渗透性岩类,但处置场地下水特征与低渗透性岩类中地下水活动规律不符。为了研究处置场地下水特征与补排关系,通过现场调查、取样分析等手段,测定处置场及其周边地下水的化学特征及同位素,分析地下水补给、径流、排泄关系,掌握地下水的基本规律。研究表明:飞凤山处置场地下水化学类型主要为HCO_3-Ca型,处置场降水井地下水化学类型为HCO_3~-(K+Na)·Ca;研究区氢氧同位素数据表明飞凤山地区凉水井一带及处置场T06取样点附近受降雨直接快速补给,其他区域大气降水入渗地下过程中一定程度受到了蒸发作用的影响;处置场降水井地下水来源虽然是大气降雨,但其补给高程较其他区域更高,且径流通道是处置场SE-NW方向的裂隙密集带。在区域及处置场范围,存在一种地下水通过裂隙密集带径流补给的形式,从而形成了处置场降水井附近的远源补给。     

鄱阳湖苔草枯水期的水分利用策略

选取鄱阳湖湿地典型植物苔草为对象,通过野外采样,对苔草的土壤水、植物水稳定氢氧同位素组成进行分析,研究鄱阳湖湿地苔草在枯水期的水分利用策略。结果发现:土壤水的氢氧稳定同位素比之间有明显的线性相关关系,在水位更低的2016年土壤水经历了更严峻的蒸发,根据氧同位素比和土壤含水率随深度变化可以将土壤水分为表层土壤水、深层土壤水和地下水三层;在枯水期,苔草对三种水源的利用比例为28.2%~41.4%,对各水源利用比例总体上大致相当,但断面之间的表现差异明显,各采样点之间有所差别,且在2016年枯水期差别更加明显。