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变化环境下中牟县地下水演变研究

李岩  
【摘要】:地下水承载着极其重要的资源、生态和地质环境功能,为保障经济社会的发展、生态系统健康发挥了重要作用。随着全球气候变化和人类活动的增强,地下水系统遭受了一系列生态环境地质问题。地下水系统与气候和人类活动的关系以及地下水循环过程要比地表水复杂得多,目前变化环境对地下水的影响研究还处于起步阶段。将变化环境、特别是气候变化的影响研究从地表水扩展到地下水,评价气候和人类活动强度变化对地下水系统的影响,将有利于变化环境下地下水资源安全利用。论文依托于水利部公益性行业科研专项经费项目,以中牟县为典型研究区,开展变化环境下区域地下水演变研究。论文主要包括三部分:采用趋势性、持续性、突变性和周期性方法分析中牟县地下水动态变化特征;采用数值模拟方法研究地下水循环规律;讨论变化环境情景下地下水的响应。主要研究成果如下:(1)根据研究区17口地下水观测井1990-2013年地下水埋深资料,采用线性趋向和Mann-Kendall趋势性法对研究区地下水动态进行趋势性分析;基于R/S法计算得到Hurst指数和容量维D_0,分析地下水动态变化持续性;采用Mann-Kendall突变分析法和小波分析法分别对地下水动态变化突变性和周期性进行分析。同时,采用上述方法对研究区气象要素变化特征进行分析。结果表明:研究区地下水埋深呈上升趋势,并且这种趋势将会持续,地下水埋深突变年份为1992年和2013年,地下水变化第一主周期为22a,第二主周期为9a;降雨和蒸发等气象因素的变化对地下水埋深的趋势性、持续性和周期性具有一定的相关性。(2)通过收集研究区地层岩性、地下水开发利用、地下水位等资料,建立了研究区水文地质概念模型;采用GMS软件中的MODFLOW模块构建了研究区地下水流数值模拟模型。结果表明:地下水流场总趋势为从西南向东北方向流动,经模型识别验证,地下水模拟流场和实测流场整体流向一致,等水位线分布情况较为接近,观测孔水位的模拟值和实测值拟合较为一致,地下水数值模拟模型能够较好的反映水文地质条件和水流状态。(3)基于Had GEM2-ES模式的Rcp2.6、Rcp4.5、Rcp8.5三种排放情景的全球气候模式预估结果,以2015年为现状年,根据根据研究区气候—人类活动—地下水系统之间的作用关系,拟定3种情景:现状情景,气候变化情景和气候变化—人类活动自主改变情景,分别研究了未来情景下地下水的变化。结果表明:现状情景,不考虑气候变化和人类活动改变,2016~2050年年均地下水位下降0.04m,而近年研究区地下水水位年均下降0.06m,模拟结果可信;气候变化情景,考虑气候变化及其诱发人类活动对浅层地下水位的影响,共分为8种方案,其中2020年和2050年平均气候情景间接影响方案地下水流场与基准情景流场基本一致;气候变化—人类活动自主改变情景,综合考虑气候变化、气候变化诱发人类活动以及自主人类活动对浅层地下水位的影响,其中平均气候条件下浅层地下水位均呈下降趋势,设定的自主人类活动改变措施不足以应对地下水下降趋势。


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