Groundwater circulation relative to water quality and vegetation in an arid transitional zone linking oasis, desert and river

In groundwater-dependent ecosystems, groundwater circulation controls the overall water quality and ecosystem dynamics. Groundwater and vegetation across a 30-km groundwater transect linking oasis, desert and river in an extremely arid area were investigated with a series of soil profiles drilled into the unsaturated zone to understand groundwater circulation and its control on groundwater quality and surface vegetation in the extremely arid Lower Tarim River, NW China. Measurements have included water-table depth, water chemistry and water isotopes (2H, 18O, 3H) for 15 water samples, soil moisture and chloride content for 11 soil profiles, and vegetation investigation. Results show that the groundwater in desert zone is characterized by slow recharge rate (pre-modern water), great water-table depth (6.17-9.43 m) and high salinity (15.32-26.50 g/L), while that in oasis (uncultivated land) and riparian zone is characterized by relatively fast recharge rate (modern water), small groundwater-table depth (3.56-8.36 m) and low salinity (1.25-1.95 g/L). Stable isotopes show that secondary evaporation takes place during irrigation in oasis. The vegetation characteristics (coverage, richness, evenness and number of plants) are closely related to soil moisture and water-table depth. Groundwater recharge from irrigation in oasis and from river in riparian zone sustains a better ecosystem than that in the desert area, where lateral and vertical groundwater recharge is limited. The more evapotranspirative enrichment may occur in the vegetated and water-rich riparian zone as compared to desert. This study also demonstrates the effectiveness of environmental tracers in studying ecohydrological processes in arid regions.     

依赖地下水生态系统的生态水文研究评述

变化环境下的地下水水文情势变化直接影响到地表生态的格局与过程，是引起生态系统结构与功能演变的关键因素. 针对依赖地下水生态系统，评述了其生态水文研究的主要进展:依赖地下水生态系统的生态水文识别，变化环境条件下依赖地下水生态系统的水文响应，依赖地下水生态系统的生态需水规律，以及依赖地下水生态系统的生态水文模拟4个方面. 总体而言，随着依赖地下水生态系统研究的深入，目前研究已经从单一关注地下水与生态系统交互作用，过渡到多要素耦合驱动、多时空过程相互影响的研究阶段，将地表水与地下水以及二者与地表生态的交互作用纳入到统一的研究框架中. 未来重点研究领域与方向包括:依赖地下水生态系统的识别与演变机制研究；依赖地下水生态系统的分类及其空间绘图；依赖地下水生态系统的生态需水规律；依赖地下水生态系统的生态水文要素与过程综合模拟.上述研究的开展将为生态系统的保护与恢复提供切实的理论与实践支撑.      

德阳市地下水富集规律及可持续开发利用

针对德阳市地下水资源面临的严峻形势,利用资料收集、水文地质调查和室内综合分析的方法,归纳了研究区水文地质特征,总结了地下水富集规律,并根据水文地质特征和地下水富集规律的差异性将德阳市划分为断褶山区裂隙-岩溶地下水资源禀赋区(Ⅰ)、平原孔隙地下水资源禀赋区(Ⅱ)和红层裂隙-孔隙地下水资源禀赋区(Ⅲ)。研究表明,禀赋区(Ⅰ)具备生态保护和水源涵养的功能特点,需加强生态环境保护;禀赋区(Ⅱ)具备规模开发利用的特点,可开展基于湿地生态系统的地下水人工补给工程,增加地下水储存量;禀赋区(Ⅲ)地下水仅能满足基本的人畜饮水,有效储集大气降水,拦截地表水流,增加蓄水量,是解决缺水问题的有效途径。阐明水文地质特征,总结地下水富集规律,进行地下水资源禀赋分区是研究地下水资源可持续开发利用的基础。     

玉符河流域地下水位与降水量的时滞分析

选取2000～2014年玉符河流域4组孔隙含水层、岩溶含水层水位监测数据及同期济南市降水量数据,采用连续小波变换和交叉小波变换对地下水位与降水量的时滞进行分析。结果表明:相同地段不同含水层的水位变化规律较为一致,降水量和地下水位存在约1年的连续主震荡周期。自上游到下游,地下水位与降水量的时滞逐渐增大,岩溶水位与降水量的时滞为73.22～117.99 d,孔隙水位与降水量的时滞为75.00～127.52 d。对于相同地段不同的含水层,岩溶水位对降水的时滞整体上小于孔隙水位对降水的时滞。     

Solutions for a cultivated planet

Increasing population and consumption are placing unprecedented demands on agriculture and natural resources. Today, approximately a billion people are chronically malnourished while our agricultural systems are concurrently degrading land, water, biodiversity and climate on a global scale. To meet the world's future food security and sustainability needs, food production must grow substantially while, at the same time, agriculture's environmental footprint must shrink dramatically. Here we analyse solutions to this dilemma, showing that tremendous progress could be made by halting agricultural expansion, closing 'yield gaps' on underperforming lands, increasing cropping efficiency, shifting diets and reducing waste. Together, these strategies could double food production while greatly reducing the environmental impacts of agriculture.     

郑州市地下水渗流场的数值模拟和优化管理

建立准三维数值模拟模型和优化管理模型对郑州市地下水资源进行评价、管理。以非均质各向同性渗流模型模拟地下水流,用不规则三角网格有限差分法求解。先解逆问题反求参数,再解正问题计算地下水各项资源量,并数值预报地下水渗流场至1998年。将模拟模型与规划模型相耦合,建立了地下水资源优化管理模型。     

试论地下水更新能力与再生能力

从循环、更新和再生的基本定义出发,论述了地下水运动在全球水循环过程中的重要作用及地下水更新能力和再生能力的含义,指出"地下水循环"这一说法存在一定不足;提出地下水更新能力和再生能力是含水层系统的自然属性,地下水在含水层系统中更新和再生同时发生.地下水从含水层系统的界面补给与排泄,通过界面与其他系统发生水量交换,地下水在含水层中更替的多寡不影响含水层系统的更新能力;地下水在含水层中更新的过程中,同时发生自然作用(物理、化学和生物作用等)和人为作用(地下水污染控制与修复),其结果反映出含水层系统的再生能力,该过程受水文地球化学条件影响较大,水位变动带内尤甚,含水层系统的地下水再生能力比更新能力的影响因素要复杂得多.     

Scaling metabolism from organisms to ecosystems

Understanding energy and material fluxes through ecosystems is central to many questions in global change biology and ecology. Ecosystem respiration is a critical component of the carbon cycle and might be important in regulating biosphere response to global climate change. Here we derive a general model of ecosystem respiration based on the kinetics of metabolic reactions and the scaling of resource use by individual organisms. The model predicts that fluxes of CO2 and energy are invariant of ecosystem biomass, but are strongly influenced by temperature, variation in cellular metabolism and rates of supply of limiting resources (water and/or nutrients). Variation in ecosystem respiration within sites, as calculated from a network of CO2 flux towers, provides robust support for the model's predictions. However, data indicate that variation in annual flux between sites is not strongly dependent on average site temperature or latitude. This presents an interesting paradox with regard to the expected temperature dependence. Nevertheless, our model provides a basis for quantitatively understanding energy and material flux between the atmosphere and biosphere.     

安徽省淮北地区地下水资源开发潜力研究

由于地表水体受到污染,安徽省淮北地区主要依赖地下水作为工农业生产和居民生活供水水源。为了实现淮北地区的地下水资源可持续发展与利用,论文以地下水系统理论为指导思想,以多年地下水资源采补动态均衡为依据,计算出淮北地区地下水可开采资源量,得出地下水资源的开发潜力。研究结果表明,相对于现状年实际需水量,淮北地区地下水潜力资源量达60.12×108m3/a,远景年潜力资源量为51.14×108m3/a,具备较大的开发潜力。     

安固里淖内流区基岩地下水赋存特征及蓄水构造模式

安固里淖补给区岩性多为玄武岩或花岗岩。受地貌、岩性、构造、多期喷发旋回层、古风化壳和下伏碎屑岩层等多因素制约,玄武岩或花岗岩含水层富水性差异大,整体为贫乏,制约了张北县贫困区人民群众的生产生活。本文通过大比例尺地面调查、物探解译、钻探验证等手段,基于基岩山区蓄水构造概念,总结分析了安固里淖流域补给径流-侵蚀型、补给径流-接触型、断裂带集水蓄水型、含水岩组蓄水型四种地下水赋存类型。在玄武岩区采取以瞬变电磁法（TEM）为主,高密度法等为辅的勘探方法,找水的目标层位为砂砾岩和裂隙孔洞发育的玄武岩,二者在视电阻率上相比泥岩反映为次高阻和高阻。在花岗岩区采用电法勘查构造裂隙较为适合,目标层位为电阻率陡降段的线性构造区。通过地下水勘察实例,确定了玄武岩风化裂隙孔洞水、岩浆岩构造裂隙水、风化壳等层间裂隙水、碎屑岩孔隙裂隙水4个找水方向及适宜的开采方式。本文可为岩浆岩缺水区应急找水提供找水靶区与勘探方法参考。     

郑州市地下水资源评价与地下水库调蓄方案

目前郑州市城市供水量约６０％ 来自黄河．但自１９７１ 年以来,黄河下游多次出现断流现象,１９９２ 年以来黄河郑州段脱流、断流现象频繁出现,并有愈演愈烈之势．这对于主要依靠黄河作为供水水源的郑州市构成了巨大的潜在威胁．因此,科学地评价地下水资源,合理地开发利用地下水,对郑州市社会、经济和环境的可持续发展,具有特别重要的实际意义．本项研究在水均衡法评价地下水资源的基础上,采用数值方法评价了郑州市地下水资源,并提出了地下水库人工调蓄的供水工程措施     

后寨河流域岩溶含水层脆弱性及其对土地利用方式的响应

岩溶含水层由于其本质脆弱性,对土地利用变化极其敏感,土地利用/覆被变化在很大程度上影响着地下水的水质和水量.以典型岩溶单元—贵州普定后寨河流域为例,分析了流域水文地质背景下的岩溶含水层本质脆弱性,结合流域地下河水近20年的水化学资料,分析了含水层脆弱性对土地利用变化的响应.结果显示:土地利用/覆被变化、农业活动、城镇建设及居民活动都对地下水质变化有明显影响.因此,调整土地利用结构,恢复岩溶植被,改善生态环境是保护和改善岩溶水资源的重要途径.     

峰林平原区含水层特征与地下水开发——以广西来宾峰林平原区为例

广西来宾峰林平原区的岩溶含水层具有较成熟的三元垂直分带,即浅层岩溶带、中层和深层溶洞带;浅层带岩溶发育强烈且相对均匀,管道多呈网络状发育;含水层给水度大,透水性好,疏干和补给易于实现,具有较强的调蓄水资源能力。地下水开发构想是在枯水季节抽取超过天然径流量的地下水,获得需要的灌溉水资源量;雨季通过天然回灌,把含水层重新充满。开发地下水的关键是定井技术,主要有地质分析、蓄水构造分析、物探、核技术等方法,建议地质－物探－勘探方法综合定井。平原区常用的地下水开发工程有机井、大口井、辐射井、集水槽等,建议根据不同水文地质条件合理采用。     

全球气候变暖和人类活动对地下水温度的影响

以吉林中部平原区为例,通过对123眼地下水观测井水温多年观测数据的整理分析,论述了孔隙潜水、孔隙承压水和白垩系孔隙裂隙承压水温度的多年变化特征.采用灰色父联度分析法分析了影响地下水温度变化的主要因素,计算了各含水层地下水温度与地下水埋深、气温、降水量之间的关联度.研究结果表明,从20世纪80年代初到2001年的20 a间,3个含水层的地下水温均呈上升趋势.各含水层水温上升的主要因素不同,孔隙潜水和孔隙承压水温度上升变化的主要原因是全球气候变暖;白垩系孔隙裂隙承压水温度上升则主要是由该含水层被强烈开采、水位大幅下降、上部潜水补给作用加剧所致.     

奥灰水文地质条件研究与深部煤炭资源开发

以显德汪井田为例，在剖析奥灰水文地质条件的基础上，从定性与定量两个方面阐述了奥灰水与深部煤炭资源开发的关系，进而提出了奥灰水防治利用的初步设想。     

基于多变量时间序列（CAR）模型的洞庭湖区域地下水资源量预测

为了预测洞庭湖区域地下水资源量的变化趋势,制定应对地下水资源量较低年份的有效措施,通过分析洞庭湖区域河川天然径流量、长江三口入水量、城陵矶出水量与地下水资源量的变化趋势和相关性,运用多变量时间序列CAR模型,建立了洞庭湖区域地下水资源量的预测模型,验证了模型的预测效果;并运用该模型对洞庭湖区域地下水资源量的变化进行了预测。研究结果表明,洞庭湖区域河川天然径流量、长江三口入水量和城陵矶出水量的变化是引起地下水资源量变化的主要因素;本研究所建的模型模拟值与实测值相对误差的最大值为-7.47%,平均值为3.63%,表明该模型的预测精度高、效果好;通过对未来10年洞庭湖区域的地下水资源量进行预测可知,其平均值下降了0.49亿m3,最低值下降了0.66亿m3,表明该区域地下水资源量仍将持续降低;据不同方案下的地下水资源量预测结果可知,通过增加长江三口入水量,可以有效提高洞庭湖区域的地下水资源量。     

Meridiani Planum and the global hydrology of Mars

The Opportunity Mars Exploration Rover found evidence for groundwater activity in the Meridiani Planum region of Mars in the form of aeolian and fluvial sediments composed of sulphate-rich grains. These sediments appear to have experienced diagenetic modification in the presence of a fluctuating water table. In addition to the extensive secondary aqueous alteration, the primary grains themselves probably derive from earlier playa evaporites. Little is known, however, about the hydrologic processes responsible for this environmental history-particularly how such extensive evaporite deposits formed in the absence of a topographic basin. Here we investigate the origin of these deposits, in the context of the global hydrology of early Mars, using numerical simulations, and demonstrate that Meridiani is one of the few regions of currently exposed ancient crust predicted to have experienced significant groundwater upwelling and evaporation. The global groundwater flow would have been driven primarily by precipitation-induced recharge and evaporative loss, with the formation of the Tharsis volcanic rise possibly playing a role through the burial of aquifers and induced global deformation. These results suggest that the deposits formed as a result of sustained groundwater upwelling and evaporation, rather than ponding within an enclosed basin. The evaporite formation coincided with a transition to more arid conditions that increased the relative impact of a deep-seated, global-scale hydrology on the surface evolution.     

科学地研究全球暖化对中国水资源和粮食生产的影响——与朴世龙教授等商榷

 朴世龙教授等在2010年9月2日出版的英国Nature杂志上发表的题为“The impacts of climate change on water resources and agriculture in China”的一篇综述里采用不适当的方法处理数据,偏向评估暖化对水资源和粮食生产这一复杂的科学问题,得出的结论与中国的实际情况相差甚远。为了有助于国家的正确决策,有必要研讨全球暖化研究的方法论问题。本文旨在初步澄清关于暖化对中国的水资源和粮食生产影响的一些关键事实和相关的研究方法问题。     

云南省生态足迹与可持续发展评价

运用生态足迹方法,对云南省1992—2003年的生态足迹进行了时间序列的测度,结果表明:1)研究时段内云南省生态足迹总体呈上升趋势;2)生态赤字存在,说明云南处于不可持续发展状态;3)从不同的土地利用类型看,林地和水域表现为生态盈余,而能源用地、耕地、草地和建筑用地表现为生态赤字.综合分析结果,提出了未来云南省可持续发展的可选途径.