李志教授團(tuán)隊(duì)解析了黃土區(qū)降水-土壤水-地下水連通性及變化機(jī)理

生態(tài)修復(fù)和人口快速增長(zhǎng)顯著增加了黃土高原的生態(tài)耗水和生產(chǎn)生活用水，對(duì)深厚黃土中的“土壤水庫”和“地下水庫”產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而導(dǎo)致地下水位下降和河川徑流減少，加劇了水資源的供需矛盾。此背景下，亟需明確黃土高原地下水文過程的演變機(jī)理，特別需要解析地下水的來源和歸趨。然而，黃土區(qū)地下水的補(bǔ)給機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，地下水排泄時(shí)空演變的機(jī)理研究尚不充分。

針對(duì)以上問題，李志教授團(tuán)隊(duì)通過大量野外樣品采集和實(shí)驗(yàn)，結(jié)合傳統(tǒng)水文監(jiān)測(cè)和多種同位素聯(lián)用的示蹤技術(shù)等手段，在解析地下水補(bǔ)給機(jī)制和排泄的時(shí)空演變方面取得系列進(jìn)展，在Journal of Hydrology和Science of the Total Environment等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表多篇論文。

為明確深厚黃土中潛水的補(bǔ)給方式，選擇多個(gè)典型黃土塬區(qū)，考慮大氣、包氣帶、飽和帶的多種水體和含水層，采集降水、土壤水、潛水和承壓水，測(cè)定水化學(xué)指標(biāo)和多種同位素組成(δD、δ¹⁸O_water、δ¹⁷O_water、³H、δ³⁴S、δ¹⁸O_sulfate、δ¹³C和¹⁴C)，定性識(shí)別了降水、土壤水、潛水和承壓水之間的水力連通性。包氣帶土壤水和飽和帶潛水具有相似的水化學(xué)和穩(wěn)定同位素特征，說明包氣帶和潛水含水層間存在水力連通性。潛水和承壓水的SO₄^2-濃度有明顯差異，硫氧同位素和¹⁴C年齡進(jìn)一步表明潛水中SO₄^2-主要來源于降水，而承壓水中SO₄^2-主要來源于含硫蒸發(fā)巖和更冷時(shí)期的古降水。這些結(jié)果厘清了潛水的補(bǔ)給方式，即潛水來自當(dāng)?shù)亟邓奈ㄒ谎a(bǔ)給，而不存在來自承壓水的頂托補(bǔ)給。此成果以Identifying hydraulic connectivity among the vadose zone, unconfined and confined aquifers in the thick loess deposits using multiple tracers為題發(fā)表在Journal of Hydrology，博士生王萬洲為論文第一作者，李志教授為通訊作者。

圖1 黃土塬區(qū)水循環(huán)概念模型圖

降水如何穿越深厚黃土包氣帶到達(dá)地下水位仍是目前研究的難點(diǎn)，為此，進(jìn)一步解析了降水補(bǔ)給潛水的方式和速率。發(fā)現(xiàn)土壤中Cl^-、NO₃^-和³H剖面都具有明顯的單峰特征，地下水TDS、Cl^-、NO₃^-、δD和δ¹⁸O值無明顯的時(shí)空變異和對(duì)降雨的響應(yīng)，且經(jīng)歷過蒸發(fā)過程，這表明了降水以活塞流形式補(bǔ)給潛水的主導(dǎo)性。但部分地下水點(diǎn)位檢測(cè)出較高的氚濃度，¹⁴C年齡也指示了現(xiàn)代水的混入，說明降水也可能以優(yōu)先流形式補(bǔ)給潛水。但優(yōu)先流的貢獻(xiàn)隨潛水埋深增加而逐漸降低；氚和¹⁴C年齡與井深的關(guān)系表明，黃土塬發(fā)生優(yōu)先流的極限水位深度可能小于40 m。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步明確了降水補(bǔ)給潛水的雙重模式，即區(qū)域尺度上的活塞流(77%-89%)和局部尺度上的優(yōu)先流(11%-23%)。包氣帶厚度控制了潛水補(bǔ)給的方式，而降雨量主導(dǎo)了潛在補(bǔ)給和實(shí)際補(bǔ)給的量。此成果以Mechanism of groundwater recharge in the thick loess deposits by multiple environmental tracers為題發(fā)表在Science of the Total Environment，博士生王萬洲為論文第一作者，李志教授和韓鳳朋副研究員為論文通訊作者。

圖2 黃土塬區(qū)地下水補(bǔ)給概念模型圖

地下水排泄形成河道基流，主導(dǎo)流域尺度的水文過程，但變化環(huán)境下黃土高原地下水排泄的時(shí)空模態(tài)及主導(dǎo)因素研究不足。為此，使用55個(gè)水文站點(diǎn)的長(zhǎng)序列河川徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行基流分割，獲得基流后作為地下水排泄量，采用地理探測(cè)器和彈性系數(shù)等方法，檢測(cè)和歸因了該區(qū)主要河流的基流變化。發(fā)現(xiàn)基流占河川徑流的35%-76%，85%水文站的基流降幅大于10%。降水和水文地質(zhì)條件主導(dǎo)了基流的空間異質(zhì)性，而潛在蒸散量、人類活動(dòng)、地下徑流、NDVI和土壤水是基流減少的原因，貢獻(xiàn)率分別為27%、21%、17%、16%和16%。這充分揭示了地下水排泄的時(shí)空變化及其主導(dǎo)因素，有助于理解變化環(huán)境中的地下水文過程。此成果以Detecting and attributing the changes in baseflow in China’s Loess Plateau為題發(fā)表在Journal of Hydrology，博士生燕鑫為論文第一作者，李志教授和王正師副教授為論文通訊作者。

圖3 基流時(shí)空變化和環(huán)境因子對(duì)基流變化的彈性及貢獻(xiàn)

以上研究結(jié)果有助于識(shí)別黃土區(qū)變化環(huán)境下地下水文過程的演變機(jī)制，促進(jìn)水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域的水文過程模擬，為黃土高原植被建設(shè)和水資源的可持續(xù)管理提供支持。

研究得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金和中央高校科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：

1. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130339

2. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165360

3. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128957

編輯：趙杰

終審：李志