CN104807973A - 基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，建立包气带截留阀值模型，将测定的降水材料与地下水材料带入包气带截留阀值模型求解，得到包气带截留水量，即地下水获得补给的最小降水量，再计算地下水潜在补给量。本发明解决了水文地质的地下水补给问题，提供了新的可靠方法，促进了水文地质学科的发展，科学合理的确定区域的地下水潜在面状补给量，有利于地下水资源的优化配置，为水资源的管理提供可靠数据，为进一步制定经济发展和生态保护措施提供更为详实的科学支撑，可以直接应用于区域地下水资源的计算和评价，提高了测定结果的适用性，避免了测量结果在尺度转化过程中可能造成的误差。

Description

基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法

技术领域

本发明属于水文地质技术领域，尤其涉及一种基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法。

背景技术

干旱区通常面临着水资源紧缺和生态环境脆弱等诸多环境问题，人类活动的参与往往使得这些问题变得更为突出。例如鄂尔多斯盆地，降水补给是地下水的唯一补给来源。水是人类生活必须，也是维系经济社会发展的重要因素，准确的评价干旱区地下水面状补给是科学合理的管理水资源的关键。

然而地下水面状补给是水文地质领域十大未解决的难题之一。目前，行业内在计算地下水面状潜在补给时往往依据经验给定一个地下水可得到补给的最小降水量。再依据该值来就算有效降水量，从而计算地下水面状潜在补给，该方法存在较大的不确定性，对计算结果的科学性和合理性存在较大不利影响，严重的制约了地下水资源的优化配置，增加了水资源的管理难度，尤其对于我国北方等干旱缺水的区域如何协调经济发展与生态保护带来巨大困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，旨在解决目前在计算地下水面状潜在补给方法存在较大的不确定性，计算结果不准确，严重制约地下水资源优化配置，增加水资源管理难度的问题。

本发明是这样实现的，一种基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，该基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法包括：

建立包气带截留阀值模型，将测定的降水与地下水参数带入包气带截留阀值模型求解，得到包气带截留水量，即地下水获得补给的最小降水量，再计算地下水潜在补给量；解决了地下水面状潜在补给量计算中长期使用经验值的弊病，从而，科学合理的确定区域的地下水潜在面状补给量，有利于地下水资源的优化配置，为水资源的管理提供可靠数据，为进一步制定经济发展和生态保护措施提供更为详实的科学支撑；直接针对区域这一面状对象来测定地下水补给潜力，有别于蒸渗仪等原位实验仅针对某个点或者场地进行监测，因此，不存在尺度效益等原位实验的通病，即，测量的结果可以直接应用于区域地下水资源的计算和评价，提高了测定结果的适用性，避免了测量结果在尺度转化过程中可能造成的误差；解决了地下水面状潜在补给量计算中长期使用经验值的弊病，从而，科学合理的确定区域的地下水潜在面状补给量，有利于地下水资源的优化配置，为水资源的管理提供可靠数据，为进一步制定经济发展和生态保护措施提供更为详实的科学支撑；直接针对区域这一面状对象来测定地下水补给潜力，有别于蒸渗仪等原位实验仅针对某个点或者场地进行监测，因此，不存在尺度效益等原位实验的通病，即测量的结果可以直接应用于区域地下水资源的计算和评价，提高了测定结果的适用性，避免了测量结果在尺度转化过程中可能造成的误差；

进一步，包气带截留阀值模型数学表达式如下：

包气带截留水量为确定值，S_I，则地下水潜在补给量R，表达为：

$\left\{\begin{array}{cc}R=0,& P\≤S_I\\ R=P-S_I& P>S_I\end{array}\right.;$

其中P为次降水量，各项单位均为mm；模型避免了陷入讨论具体单次降水事件过程中包气带中包括水量、热量、水气交换、初始条件、边界条件、优先留通道等具体问题，使问题进入无法确定求解的水文地质十大疑难问题的窘迫境地。

地下水总是均匀混合的条件下，地下水的同位素丰度表示为面状补给的同位素丰度的加权平均值，即：

δ_G＝∑Rⁱ·δⁱ/∑Rⁱ；

其中，δ_G，δⁱ分别表示地下水同位素丰度和第i次面状补给的同位素丰度，‰；通过以上数学模型的建立，搭建了大气降水和地下水同位素丰度之间的转化关系，为同位素示踪提供了新的应用途径，首先拓展了水文地球化学应用的范畴，使雨量效应这一理论基础延生出了新的应用技术，可以更为准确的确定北方地区地下水面状补给潜力，为解决水文地质十大难题之一的地下水补给问题提供新的可靠方法，促进了水文地质学科的发展；

进一步，在建立包气带截留阀值模型之前需要地下水样品采集及测定；

地下水采集点筛选，地下水取样点选择浅层地下水取样点，即选择井深较浅小于150m的水井进行取样，选用地下水定深取样设备和分层取样设备取样，采样前需要对取样井进行抽水，抽取水量应大于井管容积的3倍，采集点应位于水面1.5m以下，取样后需密闭保存，确保了地下水样的代表性，即确保样品可以代表年龄较轻的地下水，确保了地下水样未受蒸发浓缩作用影响。

进一步，地下水样品采集及测定之前需要：

布设降水收集装置，同时监测降水量，降水收集装置分别布设于不同代表性区域或布设于同一地形的不同区域，时间至少监测1年，每次降水后均需取样，取样后需擦干集水器，样品取得后需密闭储存，将制备后的样品送氢氧稳定同位素实验室进行同位素丰度测试，可以确保所取降水样品可以代表地下水的最新的补给来源，保障了最终计算潜在面状补给的可靠性。

进一步，制备样品时通过2ml注射器抽取，抽取后换带涤纶纳米滤片的针头，再将水样注入1ml带硅胶隔垫玻璃瓶，并进行统一编号，注射器、针头及滤片均为一次性使用；确保了制样过程中水样始终未与空气接触，避免发生二次蒸发浓缩作用，影响同位素丰度的代表性；另外，纳米滤片的使用可以确保制样的清洁，保证了测试结果的真实性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

氢氧稳定同位素示踪方法已广泛被应用于水循环研究中，原因在于氢、氧元素均是水的组成部分，其稳定同位素形成的水分子与普通水分子在物理、化学等各方面特性上具有较强的相似性，仅存的些微差别仅在蒸发、冷凝两个过程中表现出较强的分馏作用，即同位素效应，因此氢氧稳定同位素是示踪水循环的最佳示踪剂。

本发明以降水氢氧稳定同位素与地下水稳定同位素之间的关系为理论依据，应用降水的雨量效应，通过建立阀值模型，准确的确定地下水可获得补给的最小降水量这一关键参数的测定方法，为评价地下水资源量提供新的可信方法。

本发明提供的方法已经成功的评价了鄂尔多斯盆地北部地下水补给的最低降水强度为6.2mm，虽然与传统所用经验法的5mm数值较接近，但评价结果显示该方法比传统方法确定的潜在补给量少约5万m³/km²，更精确的给出了鄂尔多斯盆地北部地下水补给量，为水资源开发利用和保护提供了更为精准的数据。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法包括以下步骤：

S101：布设5处降水收集装置，同时监测降水量，降水收集装置分别布设于不同代表性区域或布设于同一地形的不同区域，时间至少监测1年，每次降水后均需取样，取样后需擦干集水器，样品取得后需密闭储存，制样时通过2ml注射器抽取，抽取后换带涤纶纳米滤片的针头，再将水样缓慢注入1ml带硅胶隔垫玻璃瓶，并进行统一编号，注射器、针头及滤片均为一次性使用，制备后的样品送氢氧稳定同位素实验室进行同位素丰度测试；

S102：地下水样品采集及测定：A地下水采集点筛选。在一个区域会有很多可采集地下水的地点，如居民井、灌溉机井、泉口等，地下水取样点选择浅层地下水取样点，即选择井深较浅(<150m)的水井进行取样，选用地下水定深取样设备和分层取样设备取样，采样前需要对取样井进行抽水，抽取水量应大于井管容积的3倍，采集点应位于水面1.5m以下，取样后需密闭保存；

S103：建立包气带截留阀值模型，将测定的降水数据与地下水数据整理后带入以上模型求解，即可得到研究区包气带截留水量，即地下水可获得补给的最小降水量，再计算地下水潜在补给量。

本发明实施例的具体步骤如下：

步骤一，降水的采集及测定：

降水的采集，考虑到降水时空分布的不均一性，要求需至少布设5处降水收集装置，同时监测降水量，降水收集装置分别布设于不同代表性区域，如山地、平原等，或布设于同一地形的不同区域，如东、西等，以便所取的降水能够代表本区降水同位素特征，时间上至少监测1年，包括丰、枯水等不同时期，集水装置每次降水后均需取样，取样后需擦干集水器，避免残留水分影响下次取样结果；

降水同位素样品制备，样品取得后需密闭储存，避免与空气发生接触从而发生水分交换，影响样品的同位素丰度，制样时通过2ml注射器抽取，抽取后换带涤纶纳米滤片的针头，再将水样缓慢注入1ml带硅胶隔垫玻璃瓶，并进行统一编号，注射器、针头及滤片均为一次性使用，避免重复使用中造成样品混染，C样品测试，制备后的样品送氢氧稳定同位素实验室进行同位素丰度测试；

步骤二，地下水样品采集及测定：

地下水采集点筛选，在一个区域会有很多可采集地下水的地点，如居民井、灌溉机井、泉口等，取样点应尽量选择浅层地下水取样点，即选择井深较浅(<150m)的水井进行取样，地下水循环速率较快，即地下水年龄较轻，避免取样年龄过大受到全球气候变化等其他因素的影响，同时避免选择大口井取样，因为大口井口径较大，井水与空气接触面大，部分井水已发生蒸发浓缩作用，其同位素丰度已不能代表地下水同位素特征；

地下水样品采集，选用地下水定深取样设备和分层取样设备，如PACKER系统，采集水井浅层地下水水样，采样前需要对取样井进行抽水，抽取水量应大于井管容积的3倍，确保所取水样为新鲜地下水样，采集点应位于水面1.5m以下，取样后需密闭保存，C样品制备及测试，样品制备与测试与降水样品相同；

步骤三，建立包气带截留阀值模型，考虑到每次降水补给地下水时，总要经过包气带，在北方地区，包气带往往长期处于水分亏空状态，每次降水均会被包气带部分或全部截留，截留量取决于包气带特征及降水量等因素。现建立包气带截留阀值模型，模型数学表达式如下：

假设包气带截留水量为一确定值，SI，则地下水潜在补给量，R，可表达为：

$\left\{\begin{array}{cc}R=0,& P\&le;S_I\\ R=P-S_I& P>S_I\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中P为次降水量，各项单位均为mm；

由于面状补给是西北地区多数区域尤其是一些沙漠地区，如毛乌素沙地，的地下水的唯一补给来源，在地下水总是均匀混合的条件下，则地下水的同位素丰度可表示为面状补给的同位素丰度的加权平均值(此混合方程可依据混合水的来源进行响应的修改)，即：

δ_G＝∑Rⁱ·δⁱ/∑Rⁱ   (2)

其中，δ_G，δⁱ分别表示地下水同位素丰度和第i次面状补给的同位素丰度，‰。

步骤四，将测定的降水数据与地下水数据整理后带入以上模型求解，即可得到研究区包气带截留水量，S_I，即地下水可获得补给的最小降水量。再依据式(1)计算地下水潜在补给量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，其特征在于，该基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法包括：

布设降水收集装置，同时监测降水量，降水收集装置分别布设于不同代表性区域或布设于同一地形的不同区域，时间至少监测1年，每次降水后均需取样，取样后需擦干集水器，样品取得后需密闭储存，将制备后的样品送氢氧稳定同位素实验室进行同位素丰度测试；

建立包气带截留阀值模型，将测定的降水数据与地下水数据带入包气带截留阀值模型求解，得到包气带截留水量，即地下水获得补给的最小降水量，再计算地下水潜在补给量。

2.如权利要求1所述的基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，其特征在于，包气带截留阀值模型数学表达式如下：

包气带截留水量为确定值，S_I，则地下水潜在补给量R，表达为：

$\left\{\begin{array}{cc}R=0,& P\&le;S_I\\ R=P-S_I& P>S_I\end{array}\right.;$

其中P为次降水量，各项单位均为mm；

地下水总是均匀混合的条件下，地下水的同位素丰度表示为面状补给的同位素丰度的加权平均值，即：

δ_G＝∑Rⁱ·δⁱ/∑Rⁱ；

其中，δ_G，δⁱ分别表示地下水同位素丰度和第i次面状补给的同位素丰度，‰。

3.如权利要求1所述的基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，其特征在于，在建立包气带截留阀值模型之前需要地下水样品采集及测定；

地下水采集点筛选，地下水取样点选择浅层地下水取样点，即选择井深较浅小于150m的水井进行取样，选用地下水定深取样设备和分层取样设备取样，采样前需要对取样井进行抽水，抽取水量应大于井管容积的3倍，采集点应位于水面1.5m以下，取样后需密闭保存。

4.如权利要求1所述的基于同位素雨量效应的地下水面状潜在补给量测定方法，其特征在于，制备样品时通过2ml注射器抽取，抽取后换带涤纶纳米滤片的针头，再将水样注入1ml带硅胶隔垫玻璃瓶，并进行统一编号，注射器、针头及滤片均为一次性使用。