学术前沿 | Journal of Hydrology 人类和构造活动对黄土高原黄河上游梯田地下水的影响

学术   2024-11-11 08:03   陕西  

黄河梯田是关系到黄土高原人类生存的最重要地貌地貌之一。经过半个多世纪的地表漫灌溉,地下水位的快速上升导致了地质灾害频发,造成了黄河梯田的快速短期演变,这种快速演变与人类生存之间的矛盾日益严重。然而,水通过厚厚的黄土包气带并在数月或数年内导致地下水快速响应的过程仍然存在争议。以黄河四号台地黑台台地为例,在区域地质调查的基础上,发现该地区至少发育了 112 条构造诱发裂缝。我们认为,晚更新世以来历史和古代地震的地震运动的叠加效应推动了黄土层中这种密集分布的裂缝的发展。这些裂缝与区域尺度上由 NE 方向的挤压应力产生的一系列断层面一起,构成了黑台台内潜在的优先水运通道网络。结合大规模原位积水测试和电阻率层析成像的结果,我们发现这种裂缝网络有助于在黄土层内建立集水区,从而在更广泛的空间尺度上增加土壤饱和度,从而可能增加润湿前沿的整体运动速度。我们半量化了裂缝网络在增强地表水对地下水补给方面的效率,并提出人类和构造活动的影响大大缩短了地下水对地表水的响应时间,缩短的时间远远超过一个数量级。2023 年 12 月 18 日吉石山 Ms 6.2 地震后构造痕迹和阶地地下水的实地调查结果进一步强调,人类和构造活动导致地下水分布模式快速短期演变的因果机制可能普遍适用于黄土高原的所有黄河阶地。本研究缓解了长期以来关于地表水渗透模式(包括活塞流和优先流)以及黄土地区在短时间内地表水快速补给地下水的渗透介质的争议。
图 1.(a) 黄土高原。(b) 黄河上游(龙阳峡-青潼峡)的梯田,那里是人类居住区和农业灌溉区的所在地。(c) 2023 年 12 月 18 日,积石山发生 Ms 6.2 级地震,并在震中附近进行了地质调查。(d) 研究区域的地质图和 (e) 地形图。此外,暴露区域包括四组沉积地层。从下到上依次是:基岩、卵石、粘土和黄土。
图 2.(a) 电阻率断层扫描 (ERT) 的位置。(b) 测试地点。区域 B 中地表水渗透的两个指定观测点是 TS1 和 TS2。
图 3.(a) 黑台地区历史上的地震震中和等震线。地震震中标注(绿色圆圈)附近的数字分别表示地震的年份和估计的震级。数字所指的年份是指纪元 (AD),括号中的数字是指粗略估计的古代或历史地震的震级(用于古代或历史地震的震级分类标准,它使用 1/2 等分数来表示非整数的古代或历史地震震级)。(b) 黑台台中构造诱发裂缝 (C1–C5) 的空间分布和结构痕迹的位置 (T1–T5)。
图 4.(a) 与构造引起的裂缝相邻的黄土剖面内的水分变化。(b) 在没有构造引起的裂缝的情况下,黄土剖面内的水分变化。(c) 雨水导致 7 月 3 日的 3 m 传感器记录的数据发生异常变化;在 7 月 5 日重置其位置后,传感器数据恢复到其原始状态。沿 x 轴,供水日期由黄线标记,而供水事件的累积数量由相应的序列号表示。每个湿度传感器的初始响应日期由箭头表示。TS1 系列结束表示 TS1 的地表水渗透在最终供水后停止的点。
图 5.浅钻孔的含水量(ZK5 延伸 3 m,但从地表以下 4 m 开始;所有其他深度均为 7 m)。所有钻孔位置如图 2b 所示。润湿前沿的位置由垂直于 y 轴的虚线表示。
图 6.推断的黑台地区断层的深部延伸 (F1–F5)。如图 S5e 所示,根据 T1 的验证,可以推断 F4 为反向故障。根据沿 NE 发展的正常断层的线性分布,也可以推断 F5 是正常断层。
图 7.Heitai 平台内地下水补给模式的示意图。请参阅 正文 以了解 A、B、C1 和 C2 处发生的过程的解释。
图 8.黑台台地粘土层厚度分布(修改自中国地质调查习安中心)和 2013 年至 2017 年蔬菜生长分布(修改自 Xu et al., 2021)。箭头表示地下水流的方向,水位差异是指根据 2019 年和 2015 年的 ERT 调查解释的地下水位差异。请参阅正文,了解位置 A、B 和 C 发生的过程。

5. 结论

我们发现,构造诱发的裂缝包括黄土高原河流阶地上地表水渗透的优先通道。具体来说,黑泰地层内裂缝网络的形成可归因于两个区域构造过程:首先,自晚更新世以来发生的历史和古代地震的地震运动的叠加效应;其次,由区域水平 NE 方向的挤压应力产生的一系列断面。本研究提出的黄土层中表层水的优先流介质及其成因机制改变了对黄土高渗透性的传统理解,因为黄土的大孔隙和垂直节理是优先流介质。
通过河流梯田上的土壤基质的短期活塞流无法实现有效的地下水补给。我们认为,构造引起的裂缝网络可以提高地表水补给地下水的效率。该网络增加了地表水迁移到更深的黄土层的可用通道以及这些通道之间的连通性。此外,至关重要的是,我们发现通过构造引起的裂缝渗透的地表水可以在黄土内形成集水区,从而在更广泛的空间尺度上增加土壤饱和度。黄土初始含水量增加的预期结果可能是润湿前沿总速度的加速。因此,我们认为人类和构造活动的影响显着缩短了地下水对地表水的响应时间,缩短的时间远远超过了一个数量级。然而,人类活动(如土地利用)的差异以及构造引起的裂缝网络的持续发展和演变对准确量化人类和构造活动对地下水的影响构成了挑战。
在所研究的黄河阶地中,地表水快速补给地下水的独特模式是地质构造过程和人类工程综合作用的结果,它调节了地下水的分布模式。通过利用我们的上述发现作为科学指南,农民可以调整他们的农业种植结构、土地利用类型和灌溉方法,从而帮助减轻当地的地质灾害。反过来,这可以进一步缓解山体滑坡引起的黑台台地景观演变过程的短期加速,并帮助当地人民生存。综上所述,黑台地区可以作为研究地下水位快速上升与河流阶地社会经济协调发展之间联系的典型案例。这些研究成果有可能扩展到黄土高原的其他黄河阶地地区或世界范围内的类似地质环境。然而,此类研究仍需与大规模地球物理勘探和结构痕迹的详细实地调查相结合,以进行更有力的验证,从而为平衡黄土高原和其他类似地区的人地关系提供科学指导。

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