深厚黄土区降雨如何补给潜水？

学术 2024-11-10 08:00 陕西

生态修复和人口快速增长显著增加了黄土高原的生态耗水和生产生活用水,加剧了区域水文过程的演变和地下水储量的消耗。在此背景下,亟需明确地下水的补给机制,准确量化地下水的补给速率。然而,深厚黄土区潜水的补给机制仍存在争议,目前的研究多从包气带角度、点位/田间尺度、基于单次采样结果解析补给机制,很少从饱和带角度、区域尺度、基于动态监测方式开展研究,故无法阐明补给的时空异质性,难以解决现有争议。此外,潜水补给机制的不明确也导致难以准确量化实际补给到含水层的水量,补给速率评估面临方法单一、不确定性大等问题。因此,有必要系统采集降水、土壤水、潜水和承压水,立足包气带-饱和带的视角,考虑空间变化和时间动态,多方法联合解析潜水补给机制。

针对“下伏承压水能否越流补给潜水、降雨如何穿越巨厚包气带补给潜水、多少降雨能有效补给到潜水位”等科学问题,本研究以黄土高原南部的典型黄土塬为研究区,开展多样品采集和动态监测实验,综合利用地下水位监测、水文地球化学、多同位素联合等技术手段,识别了潜水补给的来源、方式、速率、空间变异和控制因子。首先,在明确降水、土壤水、潜水和承压水之间水力连通性的基础上,厘清了潜水的补给来源和路径,揭示了降水补给潜水的方式和空间变异。然后,评估了两种物理法（地下水位波动法WTF、达西定律DL）和四种示踪法(氯离子质量平衡CMB、氚更新率TRR、氟利昂CFC和14C测年法CBD)估算潜水实际补给速率的不确定性,确定了最优补给评估方法。最后,基于优选方法识别了潜水实际补给的空间变异和主控因子,提出了潜水资源可持续利用的调控策略。主要结论如下:

（1）黄土塬区潜水和承压水没有垂向上的水力联系,承压水难以自下而上补给潜水,潜水只接受自上而下的降水补给。深层土壤水主要来自雨强>30-40 mm/d的暴雨补给,并通过活塞流垂直渗流到潜水位（0.15 m/a）,由上而下补给潜水。潜水和承压含水层之间有致密较厚的红黏土和泥岩,且潜水水头总是高于承压水。由于不同的补给时期、径流模式、水化学演化、硫酸盐浓度/来源和对古水文气候的响应,潜水和承压含水层不可能通过越流或者导水通道产生垂向上的水力联系,因而排除了承压水自下而上补给潜水的可能性。

（2）降雨补给潜水的方式为双重流模式:区域尺度上的活塞流（77%-89%）和局部尺度上的优先流（11%-23%）,且包气带厚度控制了潜水补给方式的空间变异。土壤中Cl-、NO3-和3H剖面都具有明显的单峰特征,潜水TDS、Cl-、NO3-、δD和δ18O值无明显的时空变异和对降雨的响应,表明了降水主要以活塞流形式补给潜水;但部分潜水点位检测出较高的3H,指示了局部优先流补给。Mix SIAR模型量化结果表明优先流仅贡献了11±8%-23±14%,且优先流发生可能性随着潜水埋深增加而逐渐降低,极限水位深度可能小于40 m。由于活塞流在整个黄土塬区普遍存在且处于主导地位,因此,在区域和长期尺度上,非饱和带和饱和带应接近水力平衡。

（3）六种潜水实际补给估算方法的不确定性主要来源于:水文地质参数的时空异质性、简化的地表-包气带水文/溶质传输过程、简化的地下水-溶质运移过程、及不同的时间尺度。相比于示踪法,物理法对水文地质参数更加敏感。大气氯沉降和重建的降雨氚时间序列是CMB和TRR的主要不确定性来源。忽略混合弥散效应会导致CFC高估补给36%-48%,忽略因深根植被吸水而过度消耗的土壤水含量会导致WTF高估补给,因长期大量抽水而急剧增加的局部水力梯度也会导致DL异常高的补给。原理假设、数据输入和示踪剂特性的差异导致各方法的时间尺度也不尽相同。

（4）各方法估算的实际补给速率具有明显差异,CMB被优选为最适合黄土塬区的补给评估方法。WTF、CMB和CFC估算的补给（88±24、98±33和53±9 mm/a）总体上高于DL、TRR和CBD估算的补给（10±3、14±3和10±49 mm/a）。这不仅归因于方法的不确定性,也取决于黄土塬区水文地质条件与各方法原理假设的匹配程度。氚和CFCs比地下水流场和14C保留了更多补给信号,含水层非均质性和强烈的人工抽水降低了物理法和CBD的应用潜力,而厚包气带的滞后效应限制了WTF、TRR、CFC和CBD。相比之下,CMB很少受到上述因素的干扰,最适合估算潜水补给速率。

（5）黄土塬区潜水实际补给具有强烈的空间变异,降雨量和侧向流分别主导了塬间和塬面尺度上补给的空间变异。区域尺度上,潜水平均实际补给速率为85±41 mm/a,数值上略高于潜在补给,可能原因包括:优先流发生的时空异质性,时空尺度的不匹配,土壤氯提取技术的偏差等。潜水补给速率呈现从塬中心到边缘逐渐增加的变化趋势,主要归因于侧向流的影响,而非反映了古今补给的差异。侧向流进一步导致了CMB“表观”实际补给速率沿地下水流方向的高估。

本研究多角度、多尺度、多方法揭示了黄土塬区潜水补给机制,为解决“深厚黄土区降雨如何补给到潜水”这一科学难题提供了合理解释,深化了对黄土高原地下水文过程演变机理的认识；拓展了物理法和示踪法在黄土区潜水实际补给评估中的应用,总结归纳了各方法的适用性、不确定性和优劣,为准确评估区域地下水补给和更新能力提供了丰富的技术手段。本研究所揭示的黄土塬区水循环概念模式和优先流发生机理可为区域水文过程建模提供借鉴,所提供的潜水资源调控策略对区域水资源的可持续开发利用具有重要意义。

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