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《长安大学》 2011年
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地下水补给历史及其对气候变化的响应

邓林  
【摘要】:地球系统“大气圈-水圈-岩石圈-生物圈”的相互作用,其中最关键、最活跃、最重要的纽带就是陆地水系统中的水循环。陆地水循环受气候和环境变化以及人类活动的影响,并决定着水资源形成及与水土相关的环境演变。中国降水时空分布不均,水资源短缺、洪涝灾害及水土流失等与水相关的生态-环境问题十分突出。全球变化背景下,陆地水循环变化的特点、趋势及其与水土资源安全的研究是国家水问题研究的重大需求,也是地球系统的水学科前沿和应用基础问题。 包气带位于大气圈、岩石圈、水圈、生物圈的界面,是大气降水转化为地下水的重要环节和了解圈层之间物质和能量转化规律的关键部位。全球气候变化不仅引起地下水位和排泄的变化,而且引起地下水资源空间上的再分布。这些变化不仅涉及水交换带中的所有含水层,而且最迅速、最强烈地影响包气带水。因而包气带不仅是研究区域地下水补给历史和特点的切入点,也是研究地下水演化与全球变化关系的重要纽带。 陕北沙漠-黄土过渡带地处我国东亚夏季风锋面的尾闾地区,属典型的干旱半干旱环境。该地区降雨量在200-400毫米之间,蒸发量却达2000mm以上,水资源短缺,生态环境脆弱,对气候变化响应敏感。该区丰富的石油、天然气和矿产资源使其已成为我国新兴的能源化工基地。然而,由于区内地表水严重短缺,而地下水开发潜力较大,能源开发的用水将很大程度上依赖于有限的地下水资源,地下水资源的可持续开发利用是关系到生态环境保护、地方经济建设的重大问题。因此,对该地区地下水补给历史的研究对于认识区域地下水资源的历史演化背景和利用潜力,掌握区内地下水资源的储量及其动态变化,及区内合理开发、利用和管理地下水资源具有重要的理论和实践意义。 另一方面,该区由于地处沙漠-黄土边界带,包气带的厚度差异较大,由最浅的1米到最厚的超过20米,相对较厚的包气带就记录了较长时间尺度降水补给地下水的历史。因此该区域也是研究气候变化和地下水补给历史及其关系的最佳区域之一 本文通过在陕北沙漠-黄土过渡带四个地点开展钻孔取样,系统测试不同深度样品的氯离子浓度、含水率等指标,提取地下水包气带中保存的过去水文-气候信息,恢复地下水补给的历史过程,分析识别气候变化对地下水补给影响的可能机制。并以包气带水的化学元素组成为代用指标重建区域环境变化的历史,并讨论其与区域和全球变化的联系。 本文主要侧重于四个方面的研究:(1)通过对陕北沙漠-黄土过渡带四个地下水包气带剖面的水化学分析,采用传统和广义氯质量平衡方法提取了包气带的氯剖面记录及其反映的地下水补给信息;(2)结合研究区器测气候要素的变化特征,探讨了地下水补给对气候变化的响应;(3)利用包气带氯剖面重建了过去近百年来研究区气候变化历史;(4)讨论了气候变化背景下区域水资源开发利用的方向和重点。 通过研究,本文取得以下几个方面的认识: 一、确认了氯离子示踪地下水补给的可靠性,重建了研究区域包气带氯剖面记录的地下水补给历史。 测试结果表明,四个包气带剖面中源于大气沉降的平均Cl-浓度非常接近而SO42-浓度出现较大差别,说明大气沉降Cl-浓度主要受空间大尺度海陆距离的影响,而SO42-浓度则受到空间小尺度的人为活动影响较大,有很大的空间变率,证明研究区适合利用Cl-而不适合利用SO42-来提取地下水补给信息。 基于广义氯质量平衡方法(GCMB法)重建了神木沟掌(GZ)、横山下沙沟(XSG)、榆林圪求河(GQH)三个氯剖面记录的11年、21年和37年的地下水补给过程。其中GZ剖面记录了1990-1991年、1992-1996、1997-2000年三个地下水补给的相对稳定时段;XSG剖面记录了1981-1991年、1992-1995年、1996-2001年地下水补给的相对稳定时段;GQH剖面记录了1967-1970年、1971-1975年、1976-1995年、1996-2003年四个地下水补给的相对稳定时段。GZ、XSG、GQH三个剖面记录的最长稳定时段平均降水入渗系数分别为14.5%、12.6%和12.4%,地下水平均补给强度分别为53.4mm、47.2mm和47.1mm。二、证实了年降水量对区域地下水补给的主控作用,同时揭示除年降水量以外,温度和地表植被等因素对地下水补给的影响,指出氯离子浓度的变化有效记录了区域气候和环境的变化,可作为气候和环境变化的可靠代用指标。 GZ、XSG、GQH三个剖面氯离子浓度变化记录的地下水补给历史与区内气象要素的器测记录(温度和降水)对比表明,年降水量是控制地下水补给强度的主导因素。三个砂性氯剖面变化非常相近,这说明它们比较一致地记录了由区域气候变化所导致的地下水补给的改变。特别是三个氯剖面都记录了在上世纪90年代后期以来,由于降水的减少而导致的地下水补给明显减少。然而,降水的构成、气温及气候变化导致的地表植被的改变,使得地下水的补给对年降水量的响应并不是严格线性的。降水构成、温度和地表植被的改变可使地下水补给对降水量的响应增强或削弱,甚至导致地下水补给与年降水量变化在某些时段呈现相反的趋势。 三、重建了过去近百年研究区气候变化过程。 基于CMB法提取的横山(HS)砂黄土包气带氯剖面记录了过去近百年来地下水补给过程。以氯浓度为代用指标反映的地下水补给变化与降水器测记录的对比表明,地下水的补给强度变化与年均降水量在趋势上存在较好的对应关系,进一步确认年降水量是控制地下水年补给强度的主导因素。在此基础上,根据HS氯剖面的变化重建近百年中没有器测记录时期的年降水的状况。结果表明,在缺乏器测记录的上世纪30年代末期至40年代中期,应为降水偏少的偏干时期;而40年代中期至50年代中期,本区降水偏多,气候为过去70多年来最为湿润的时期。 不仅如此,横山剖面氯离子重建的降水记录,可与中国东部(东经100°以东)地区1921年至2002年降水距平变化进行较好的对比,表明包气带氯剖面记录的地下水补给对全球变化背景下的区域气候变化具有指示作用,可为该环境敏感带的短尺度古气候研究提供新的途径。 四、讨论了气候变化背景下区域水资源开发利用的方向和重点。 对气候变化敏感的陕北沙漠-黄土过渡带,地下水环境不仅受区域自然和人为因素的控制,还受全球变化大背景的驱动。气候变化在不同的时间尺度上对地下水产生影响,从季节到年、十年、百年到千年万年尺度。浅层含水层系统对季节至年、十年时间尺度的气候变化更为敏感。为了保障地下水资源的可持续开发利用,研究区的地下水开发利用的对象应以浅层地下水为主。因此,重视并开展全球变化背景下的气候变化对区域浅层地下水的影响研究,并针对性地制定可持续的开发对策对于合理利用及保护区内浅层地下水资源,为当地经济发展的用水需求提供保障具有重要意义。 本文进行的研究,是我国典型干旱半干旱区地下水循环与气候变化研究相结合的一个尝试,也是当前全球地球系统科学研究的一个新领域,作为一种新的探索,还需从不同角度和方向开展更多深入的研究工作。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P641;P467

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