宁夏中部干旱风沙区降雨入渗补给系数的估算

降雨入渗补给量是干旱地Ⅸ地下水资源的重要组成部分,降雨人渗补给系数取用的正确与否直接关系到降雨入渗补给量的估算.宁夏中部干旱风沙区地下水资料相对较少,只能采用现场观测与验证结合的方式进行确定.利用宁夏盐池县猫头粱降雨资料与地下水动态观测资料对宁夏中部干旱风沙区的降雨入渗补给系数进行估算,并用宁夏同心县长沙河流域地下水资料进行验证,得出宁夏中部干旱风沙区的降雨人渗补给系数0.119～0.257,为该地区水资源评价工作提供依据.     

不同水土保持措施对地下水的动态影响研究

水土保持对地下水的动态变化影响显著。基于渭河流域缺水高含沙土壤的条件,通过室内模型模拟降雨试验和利用数值分析软件VisualMODFLOW进行数值模拟相结合的方法,研究了不同水土保持措施对降雨转化为地下水这一动态过程的影响。并在此基础上分析了地下水沿程水位、径流量等对不同水土保持措施的响应。研究发现:1)水土保持措施可促进降雨入渗以补给地下水;2)降雨入渗补给系数α和各层土壤给水度Sy主要受下垫面变化的影响;3)在同一坡度同一雨强,不同下垫面条件下,地下水补给量为秸秆覆盖>种植草地>裸坡。     

降雨入渗条件下厚包气带土壤水流通量的模拟与分析

降雨较少的半干旱半湿润地区大范围的厚包气带中土壤水运动的研究越来越受到关注,其中厚包气带对降雨补给浅层地下水特征的影响是重要的研究问题。探究厚包气带情形下降雨对浅层地下水的补给作用和机理可为分析人类干扰情况下水文循环规律的变化、合理地制定水资源开发利用规划提供理论依据。本文以北京市大兴区新凤河流域采育镇由GEOPROBE钻机获得的9.6m厚包气带土壤样品为研究对象,在室内详细测得土壤特性数据的基础上,运用HYSRUS-1D软件模拟55a降雨入渗条件下的一维土壤水流动态过程,分析土壤水流通量的时空变异特征,探讨用较浅层位(2m深度附近)的土壤水流通量来估算深层土壤水渗漏量的可行性,旨在为野外裸地厚包气带条件下评价降雨入渗对浅层地下水的补给提供简捷实用的方法。研究结果表明:该地区多年自然降雨条件下的平均土壤水分深层渗漏量为131.03mm,多年平均降雨入渗补给系数约为0.21。其中,平水年对应的平均降雨入渗补给系数约为0.18。当模拟时段达到55年时,土壤剖面2m以下的入渗通量几乎不随深度变化而变化。这一实际案例的研究结果对该区域宏观水资源管理和评价具有一定的参考价值。     

利用环境氚估测黄土高原坡地深层渗漏量

应用环境示踪剂氚,通过氚峰值示踪法研究了黄土高原长武塬区王东沟流域典型坡地梯田上、中、下3个坡位的深层渗漏及地下水补给量。结果表明:黄土坡地仍然存在清晰的1963年氚峰,存在不同程度的弥散过程;上、中、下3个坡位的氚峰值深度分别为6.6,7.6,8.2m,平均入渗速率分别为9.2,11.2,12.4cm/a,深层渗漏量分别为20,22,27mm/a。上、中、下3个坡位的估测补给量均依次增大,主要是由于坡地梯田在不同坡位存在一定的径流所致;下坡位地势较低,一方面可以接受上方水分补给,另一方面较低的地势与中上坡相比实际蒸发蒸腾量较小。3个坡位的估测补给量为3%~5%,小于黄土高原已经报道的补给系数。     

典型济南泉域强渗漏带的保护开发与评价

兴隆片区是距济南市趵突泉、黑虎泉、五龙潭、珍珠泉4大泉群直线距离最近、面积最大的典型性强渗漏补给带。在城市化进程中,其部分区域逐渐由近自然型向覆盖性强渗漏带过渡。基于强渗漏带保护策略和低影响开发理念,对兴隆强渗漏带不同开发情景进行了分析模拟,提出了兴隆强渗漏带保护性开发措施。结果表明:在较少考虑保护和低影响开发的原规划A情景下,建设后地表径流的增加量约6.5万m~3/(a·km~2),增幅为36.29%;入渗补给量减少约8.8万m~3/(a·km~2),降幅为46.86%。在充分考虑保护和低影响开发的调整规划B情景下,比A情景减少地表径流约16.17%,增加入渗补给约41.20%,保护效果明显;但与近自然态相比,入渗补给量仅恢复至原水平的75%。开发建设强烈改变了下垫面的原有性质,损坏了强渗漏带地下水补给功能,即便采取低影响开发,也无法完全消除因工程建设导致的地下水补给量减少;因此以全流域生态修复和调水补源为核心的C情景的入渗补给功能可恢复并增加至现状的129.85%,是最为理想有效的保护措施。     

深层干化黄土自然降雨入渗特征试验研究

为探讨自然降雨在黄土区干化土壤中的入渗性能,研究干化黄土的降雨入渗机制,在陕北米脂试验站,建立野外10 m大型土柱模拟枣林地深层干化土壤,利用CS650-CR1000土壤水分自动监测系统对2014-2019年的土壤水分状况进行了连续定位监测。结果表明:(1)日降雨量为33.6,35.6 mm的大雨(降雨强度分别为3.73,2.97 mm/h,降雨历时9.0,12.0 h)状况下,最大入渗深度为140,100 cm,累积入渗量达20.05,16.10 mm;日降雨量为19.0,16.8 mm的中雨(降雨强度分别为2.24,1.53 mm/h,降雨历时8.5,11.0 h)状况下,最大入渗深度为90,60 cm,累积入渗量达8.12,9.77 mm;日降雨量为9.6,8.8 mm的小雨(降雨强度分别为1.48,0.76 mm/h,降雨历时6.5,11.5 h)状况下,最大入渗深度为30,20 cm,累积入渗量仅为1.05,0.23 mm。(2)降雨入渗的湿润锋运移深度(Z_i)随时间(T)呈幂函数Z_i=aT^b增加。(3)雨水的入渗历时包括降雨历时、自降雨停止至入渗结束两个时段。6次降雨(33.6,35.6,19.0,16.8,9.6,8.8 mm)在降雨停止后时段内的入渗深度分别为100,60,70,40,30,20 cm,入渗量依次为9.86,10.78,2.09,8.42,1.05,0.23 mm。在总入渗历时内,6次降雨入渗补给系数分别为0.60,0.45,0.43,0.58,0.11,0.03。黄土区降雨入渗深度受降雨量、降雨强度、入渗历时影响较大,提高单次降雨的雨量有助于提升雨水入渗补给系数,促进干化土壤得到有效水分修复。     

内蒙古河套灌区灌溉入渗对地下水的补给规律及补给系数

为准确估计内蒙河套灌区灌溉水入渗补给地下水量,采用试验研究与数值模拟相结合的方法,分别根据灌水前后地下水位变化和土壤含水率变化计算了灌溉水入渗补给地下水系数,并依据土壤水动力学原理,采用数值模拟验证,得到作物生育期灌溉补给地下水系数为0.15,秋浇灌溉补给地下水系数为0.3。河套灌区地下水位埋深相对较浅,通过灌水前后的土壤含水率变化情况和数值模拟结果显示,灌水2～4 d补给地下水量达到最大,8～10 d后即完成对地下水的入渗补给,不同灌水量灌溉水入渗规律基本一致,入渗补给量和入渗时间与灌溉水量直接相关。研究结果将为确定维持灌区生态环境良性发展的引水量阈值提供参考。     

辽宁省平原区产流规律的探讨

辽宁省中部平原区位于辽、浑、太河下游 ,土壤透水性较好 ,地面坡度比较缓。该区产流特性主要是降雨先满足入渗 ,当包气带饱和后才开始产流 ,或者在雨强特大时 ,在产流的过程中逐渐使包气带饱和。地下水埋藏深度是影响平原区产流量及降雨补给包气带和地下水的补给量的主要因素。降雨与地下水位增量的关系为直线和抛物线型 ,地下水埋深 <0 .8m时为直线 ,埋深 >0 .8m时为曲线 ,当地下水位深度在 2 .8m时 ,地下水位趋于稳定。地下水位愈低地下库容愈大 ,当地下水库容至某一值时 ,地下水库容将趋于稳定。如能结合平原区的降雨和地下水观测积累的资料 ,用降雨径流关系推求平原区的径流量 ,会收到较好的效果     

膜下滴灌灌水量对土壤水热影响及地下水补给耗水响应

为探求灌水量对棉田地温和生育期地下水补给棉花耗水比例的影响,设置了4种不同膜下滴灌灌水量(3 000,3 750,4 500,5 250m~3/hm~2)进行野外均衡场试验研究。结果表明:灌水量一定时,浅层土壤受气温影响更为显著;同一气象条件下、同一土层地温和土壤有效积温均随灌水量的增加而降低,当灌水量增加75%时,有效积温降低11.3%,同时温度变幅也相对变小;灌水量越大,棉花耗水量及地下水补给作物水量也随之增大。当灌水量从3 000m~3/hm~2增加到5 250m~3/hm~2时,棉花的耗水量增加146.3%,地下水补给比例增加540%,而棉花需水敏感期地下水补给量则增加152.93mm,需水敏感期的地下水补给量最大,但日均地下水补给量随棉花生育期的延长而增大,且各处理的水分利用效率差异不大。此外,在地温较高的夏季高温期(花铃期和吐絮期)以及灌水量较小时,夜间地下水补给作物水量大于或接近白天补给量,说明地温影响地下水的向上补给水量和补给时段。此研究可为合理高效利用农业水资源和优化膜下滴灌棉花灌溉制度提供有效依据。     

自然降雨对干化土壤水分恢复有效性分析

研究自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性,有利于合理利用降水资源,加强干化土壤水分管理,促进土壤干层得到有效恢复。在陕北米脂试验站设置野外地下大型土柱,通过2014—2019年连续定位监测降雨、土壤含水率状况,分析自然降雨对干化土壤水分恢复的有效性。结果表明:(1)从深层干化土壤水分恢复角度考虑,黄土丘陵半干旱区降雨可以分为3种类型:表层入渗快速蒸发型、浅层入渗缓慢蒸发型和深层入渗补给型。其中深层入渗补给型降雨为有效降雨,该类型雨量>26 mm,能够对深层干化土壤产生有效水分补给。2014—2019年发生深层入渗补给型降雨仅16次,累积雨量791.8 mm,降雨次数、降雨量的有效率分别为4.64%和35.19%。(2)月尺度条件下,降雨量(P月)与逐月入渗深度(Z逐月)、月累积入渗深度(Z累积)均呈二次函数关系变化,Z逐月=-0.0102P月2+3.955P月-6.7335(R^2=0.9639),Z累积=-0.0003P月2-0.1331P月+191.71(R^2=0.9208)。(3)年尺度条件下,2014—2019年雨量分别为187.6,391.6,590.8,337.6,342.4,400.0 mm,降雨逐年引发的入渗深度依次为160,220,400,260,260,120 cm,累积入渗深度依次可达180,220,400,700,1000,1400 cm。研究结果对揭示自然降水恢复干化土壤机理,加强土壤干层人工蓄水保墒技术,合理选择保墒措施,以及促进当地生态环境建设具有积极的推动作用。     

典型喀斯特峰丛洼地降雨特性及浅层地下水埋深变化特征

以桂西北典型喀斯特峰丛洼地连续6年(2006-2011年)的降雨资料和浅层地下水埋深的实测数据为基础,分析研究区降雨特性和浅层地下水的变化特征。结果表明:研究区虽然降雨丰富,但年际变化大且季节分布不均。除2008年为丰水年(1 979.8mm)、2011年为欠水年(1 127.3mm)外,其余年份均为平水年(1 302.7～1 510.1mm);降雨主要集中在4-9月(雨季),其占全年降雨量的比例表现为平水年(82.4%～85.1%)>丰水年(74.7%)>欠水年(65.9%);有效降雨次数、累计有效降雨量和最大日降雨量有随年降雨量增加而增加的趋势;60min雨强大于16mm/h的降雨和最大日降雨量的最大值分别为67.4mm/h和152.9mm,主要集中在5-8月;年内50%以上为无雨天气,其中,平均出现26次连续3d以上,5次连续10d以上的无雨天气,不同水文年差异不大,且多发生在旱季,年降雨量并未因无雨天数的增加而降低。雨季地下水埋深约为2m,旱季大于3m,呈中等变异,且雨季大于旱季;地下水埋深年内随降雨呈单峰型分布,但峰值维持时间短,前期降雨对地下水位的涨落有重要影响。     

Redistribution process of precipitation in ecological restoration activity of Pinus sylvestris var. mongolica in Mu Us Sandy Land,China

Precipitation is the most important water resource in semi-arid regions of China. The redistribution of precipitation among atmospheric water, soil water and groundwater are related to the land surface afforested ecological system. The study took widely replanted Pinus sylvestris var. Mongolica (PSM) in Mu Us Sandy Land (MUSL) as a research object and monitored precipitation, soil moisture, sap flow, and deep soil recharge (DSR) to find out moisture distribution in shallow soil layers. Results showed that the restoration process of PSM in MUSL changed the distribution of precipitation, with part of it infiltrating downward as DSR and part of it being stored in the shallow soil. Consequently, evapotranspiration increased and DSR significantly decreased, resulting in up to 466.9 mm of precipitation returning to the atmosphere through evapotranspiration in 2016. Vegetation increased soil water storage (SWS) capacity, with maximum SWS in PSM plot and bare sandy land (BSL) being 260 mm and 197 mm per unit horizontal area, respectively in 2016. DSR decreased from 54% of precipitation in the BSL plot to 0.2% of precipitation in the PSM plot in 2016. A great portion of infiltrated water was stored in the PSM ecosystem, resulting in a time lag of infiltration to reach the deep soil layer, and the infiltration rate in the BSL plot was 11 times of that in the PSM plot. SWS decreased 16 mm and 7.6 mm per unit horizontal area over a one-year period (from March to October, non-freezing time) in 2017 and 2019, respectively. The PSM annual sap flow was maintained at a relatively constant level of 154 mm/yr. Through in-situ measurement and comparative analysis of the precipitation redistribution of the BSL plot and the PSM plot, we find that PSM can significantly reduce the shallow soil water storage and DSR. However, substantial reduction of shallow soil water storage and DSR is detrimental for the long-term development of PSM forest. Therefore, it is necessary to reduce PSM density to cut the water consumption by PSM per unit area, thus to augment the shallow SWS and DSR, which will be beneficial for the PSM to survive under extreme drought conditions in the future. This study helps us understand the role of precipitation-induced groundwater recharge in the process of vegetation restoration in semi-arid regions and explains the possible causes of PSM forest degradation.     

An assessment of the impact of climate change on evapotranspiration,groundwater recharge,and low‐flow conditions in a mesoscale catchment in Northeast Germany

Future climate changes might have some impacts on the discharge regime of rivers in Germany regarding, e.g., longer low‐flow periods in summer months due to a decreased precipitation and increased evapotranspiration. During such low‐flow periods, water temperature increases leading to a reduced oxygen concentration and a decrease in water quality. An assessment of such impacts is required to derive adaptation strategies for future water‐resources management. The main objective of our study was to obtain an estimation of the impact of projected future climate change on evapotranspiration, groundwater recharge, and low‐flow conditions. For that purpose, we applied a hydrological catchment model in the Ucker catchment with an area of 2415 km² located in the lowlands of NE Germany using meteorological time series from 1951 to 2055. These time series were generated by the Potsdam Institute of Climate Impact Research based on the A1B‐Scenario with an increase of 1.4°C of the mean annual temperature and a mean decrease of 8% in annual rates of precipitation. After model calibration, the comparison of simulated and observed daily discharge rates from 1989 to 2003 led to a Nash‐Sutcliffe‐Index NS = 0.63. The results of this simulation study indicated that the amount of days with low‐flow conditions in the Ucker river will increase and groundwater recharge especially at forested areas will decrease in an order of magnitude of 1%–94%.     

天山北麓近50年气温和降水的变化特征

根据天山北麓8个气象站1961—2010年气温和降水资料,采用线性趋势分析、Mann-Kendall检验、Hurst指数等方法,分析了天山北麓气温和降水的变化特征。结果表明:（1）50 a来,天山北麓年平均气温和年降水量均呈增加趋势,其变化率分别为0.26 ℃/10 a、15.67 mm/10 a;冬季增温最为明显,升温幅度达0.49℃/10 a左右,降水倾向率表现为夏季最大,为5.44 mm/10 a;（2）年平均气温和年降水量的突变年份分别在1996年和1983年;未来两者整体上呈增加趋势;（3）极端高（低）温指数在近50 a呈现增加（减少）趋势;极端降水指数中零降水日数和最长连续无降水日数呈不同程度的递减趋势,1日最大降水量和极端强降水日数以1.36 mm/10 a和1.81 d/10 a的速率递增,各极端气候指数空间差异明显;极端气温指数与年平均气温、极端降水指数与年降水量均有很好的相关性。     

Augmenting freshwater availability in mountain headwater streams: Assessing the sustainability under baseline and future climate change scenarios

Mountain headwater streams are important freshwater sources, but they are mostly intermittent and highly susceptible to climate change. This paper examines the sustainability of augmented freshwater availability in mountain headwater streams for water supply under baseline and future climate change scenarios using an integrated modeling approach. The climate change data in the 2040s (2030–2059), under Representative Concentration Pathway 4.5 and 8.5 scenarios, were downscaled for the impact assessment. In the region, climate change raises the average precipitation by 5–7% and the temperature by 13–15% in the 2040s. SWAT–MODFLOW model, integrating Soil and Water Assessment Tool (SWAT2012) and finite-difference Modular Groundwater Flow (MODFLOW) models in a single package, was used to assess the water balance. Results show that extracting a minimum of 16.2 m³/day from the sand storage and 30 m³/day from the aquifer was possible without affecting the groundwater table and water yield. The average annual catchment recharge was 6% of the precipitation under the baseline simulation. Climate change is projected to reduce the average water yield and groundwater recharge by 26% and 19%, respectively. However, the water supply-demand is significantly small compared to the exploitable rate of water in the area. This study was based on limited data, and therefore the findings need to be interpreted with caution, though the model output was validated using satellite products. Construction of a series of sand dams is suggested to maximize the benefit under the potential climate change and water supply-demand increase.     

华北平原典型井灌区农田水循环过程研究回顾

本文回顾了中国科学院栾城农业生态系统试验站在农田水分循环和水量转化方面的研究工作和进展。目前, 对于冬小麦-夏玉米农田的蒸散耗水量及其结构(植物蒸腾和土壤蒸发)有较详细的研究结果。全年总蒸散量多年平均870 mm, 每年亏缺的350 mm 左右需要靠提取地下水保证; 同位素分析结果显示土壤蒸发的深度在地表下20 cm 处, 而植物蒸腾耗水也主要是利用0~40 cm 土层的土壤水分。对于土壤深层渗漏量和地下水接受垂直补给的问题, 不同研究结果间仍然存在较大差异, 尚需更精细的试验来确定。对于区域水量平衡和地下水资源可持续性的评价和管理, 目前急需重点开展区域蒸散量的精确估算和模拟研究, 以及不同土地利用和不同农业种植方式的水量平衡与水分转化过程研究。     

近50年赣西北大坑小流域径流对降雨的响应

根据赣西北大坑小流域1957—2005年逐日降雨和径流资料,采用时间序列分析法和统计回归分析法,对降雨变化及径流的响应进行了分析。结果表明:（1）大坑小流域1957—2005年平均年降雨量为1 596.3 mm,其年内变化为典型的单峰型曲线,降雨的季节差异非常明显,同时,降雨量的年际变化较大,总体呈增加趋势。（2）大坑小流域1957—2005 年平均年径流深为814.3 mm,其年内变化为单峰型曲线,径流深的季节差异较大,同时,径流深的年际变化较大,总体呈增加趋势。（3）从年径流深与年降雨量的回归分析可知,大坑小流域的降雨量与径流深之间存在密切的相关性。当水文年降雨量增加或减少10%时,年径流深会表现出增加或减少17.8%的正响应;当水文年降雨量增加20%或减少30%时,年径流深会表现出增加35.6%或减少53.4%的正响应。     

采煤扰动下潜水位及包气带水分变化特征

为更好地了解采煤扰动下潜水位及包气带水分变化规律,在陕北典型矿区开展了降雨、潜水位、包气带土壤含水率等水循环要素的野外原位观测试验,基于观测数据,采用Spearman秩相关系数检验、小波分析等方法,分析了未开采区及采空区潜水位和包气带水分的变化特征。结果表明：未开采区地下水位对于降水的响应明显且时间上存在4、5个月的滞后,采煤扰动后,地下潜水位持续下降,与降水响应关系微弱;在垂向上,未开采区较大降水可对100 cm以下埋深的土壤含水率产生影响,采空区土壤含水率总体减小,且同降水的响应程度不显著,含水率最大值相对于未开采区出现时间提前,50 cm以下埋深的土壤含水率对小强度降水无响应。采煤扰动潜水位下降后造成包气带增厚,包气带损耗的水量增加,随之造成降雨入渗补给地下水减少,进一步加剧了潜水位下降。     

黄土高原降雨量的地理地带性研究

黄土高原地区230个气象站年平均降雨量492mm,52%的降雨量集中在夏季,与同纬度地区比较,年降雨总量少,且季节分配集中。降雨量具有明显水平地带性,随纬度升高降雨量按指数率减少,随经度提高降雨量逐渐增加。年降雨量平均水平变化率为60mm/纬度和26mm/经度,不同水平地带内,降雨量愈少,降雨量的水平变化率愈大。降雨量的垂直分布,对山地降雨量与海拔高度关系多为抛物线,年最大降雨量出现的海拔高度为2300～2700m,不同山区降雨量垂直递增率差异较大。对黄土高原地区而言,降雨量与海拔高度呈负相关,海拔低于1800m的地区,降雨量随海拔升高而减少。