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內容簡介

區域地下水演化與評價理論方法從非飽和水運移與水勢理論、區域地下水演化與水循環理論和地下水異變機製與可持續性評價理論三個方麵，凝練與集成張光輝科研團隊在1983～2013年期間，曆經30年應用基礎研究的成果，包括包氣帶水分運移、重金屬在包氣帶行為、降水地錶水土壤水地下水“四水”轉化、土壤鹽分分布特徵與地下水關係、區域地下水循環演化及其環境異變規律、層圈間水循環過程與地下水演變周期性、大厚度包氣帶條件下潛水入滲補給量形成、深層地下水補給與釋水、西北地區流域尺度水循環演化與調控閾、人工地下調蓄與外域調水對地下水修復潛力、地下水異變機製及其持續性評價理論以及不同時期對21世紀中國水問題與方略的看法。

內頁插圖

目錄

序言
第一篇 非飽和水運移與水勢理論
第一章 非飽和水運移與土壤水勢 3
第一節 零通量麵理論與應用 3
第二節 “三水”轉化水勢標示特徵 6
第三節 包氣帶性狀對入滲性影響 23
第四節 溫度對包氣帶水運移影響 31
第五節 土壤水動力狀態標示特徵應用與機理 40
小結 45
參考文獻 46
第二章 水文地質學與“四水”轉化研究 50
第一節 水文地質學形成與演進 50
第二節 “四水”轉化定量關係與機製 52
第三節 二元水循環中“四水”轉化特徵 62
第四節 潛水入滲補給量形成規律與監測方法 71
第五節 應用ZFP法計算淺層地下水補給量問題 82
第六節 原位實測潛水蒸發極限深度與給水度測定新方法 94
小結 103
參考文獻 104
第三章 重金屬在包氣帶中行為特徵與控製 107
第一節 鎘在包氣帶中行為特徵及主要影響因素 107
第二節 鎘的形態變化特徵及影響因素 126
第三節 鎘在土壤中遷移與轉化模式特徵 130
第四節 鎘在土壤中遷移與轉化控製作用 136
第五節 鎘生態環境危害效應與影響因素 154
第六節 減輕和控製重金屬生環危害對策 160
小結 164
參考文獻 165
第四章 環渤海平原土壤鹽化與地下水關係 168
第一節 研究背景 168
第二節 土壤鹽分與鹽漬化分布特徵 171
第三節 土壤鹽分剖麵不同聚型及其水動力學特徵 192
第四節 土壤鹽漬化成因機製與主要影響特徵 206
第五節 土壤積鹽特徵與地下水關係 210
第六節 土壤鹽分情勢界定與鹽漬化防治對策 218
小結 224
參考文獻 225
第二篇 區域地下水演化與水循環理論
第五章 中國地下水演化研究起源與理論 231
第一節 區域地下水演化研究屬性與進展 231
第二節 中國區域地下水演化研究起源與進展 239
第三節 中國大陸水循環演化理論與意義 246
第四節 中國北方淺部地下水同位素分層特徵與意義 252
第五節 區域水循環演化信息熵特徵 262
第六節 地下水形成與區域水循環演化關係 267
小結 276
參考文獻 276
第六章 全新世以來華北平原地下水演化規律 280
第一節 華北平原地下水演化地史特徵 280
第二節 華北平原地下水演變周期性 303
第三節 華北平原地下水演化區位特徵 309
第四節 300年來太行山前平原地下水補給演化特徵 315
第五節 近 60年以來區域地下水演變時代特徵 321
第六節 華北東部平原深層水補給特徵與釋水機製 331
小結 338
參考文獻 339
第七章 西北典型流域水循環演化特徵與調控閾 343
第一節 流域水循環與演化特徵 343
第二節 流域地下水循環演化與水化學特徵 355
第三節 流域水循環與地下水演化同位素特徵 364
第四節 流域水循環過程與演化機製 367
第五節 平原區地下水溫度變化特徵與意義 378
第六節 下遊區生態脆弱特徵與調控閾 383
小結 392
參考文獻 394
第八章 區域地下水調蓄條件與潛力 397
第一節 基本理念與調蓄原理 397
第二節 太行山前平原地下調蓄條件 399
第三節 不同條件下地下調蓄功能特徵 404
第四節 華北主要河道帶地下調蓄潛力 414
第五節 華北東南平原區地下調蓄潛力 420
第六節 淺層水超采區地下調蓄效應 421
小結 427
參考文獻 427
第三篇 地下水異變機製與可持續性評價理論
第九章 區域地下水超采因緣與效應 431
第一節 華北平原水資源緊缺情勢與因緣 431
第二節 滹沱河流域平原區地下水流場異變與動因 444
第三節 人類活動對華北白洋澱流域徑流影響特徵 449
第四節 深層水漏鬥區開采量組成變化特徵與機製 455
第五節 華北東部平原地麵沉降特徵與機製 463
第六節 人類活動對區域地下水劣變影響程度 466
小結 474
參考文獻 475
第十章 地下水脆弱性與華北平原特徵 479
第一節 地下水脆弱性理論與評價方法 479
第二節 地下水脆弱性評價應用實例 489
第三節 人類活動對地下水脆弱性影響特徵 504
第四節 地下水脆弱性綜閤特徵 507
第五節 華北平原地下水脆弱性特徵 511
第六節 華北山前丘陵區地下水賦存非均一與易疏乾性 515
小結 521
參考文獻 521
第十一章 區域地下水變化與灌溉農業關係 524
第一節 灌溉農業布局與用水強度變化特徵 524
第二節 華北農灌用水與地下水承載力適應性狀況 542
第三節 區域地下水超采與灌溉作物布局關係 547
第四節 河北糧食持續增産與地下水關係 556
第五節 農業開采與降水互動耦閤對地下水影響特徵 562
第六節 區域地下水質變與化肥農藥施用影響 570
小結 574
參考文獻 575
第十二章 區域地下水功能及可持續利用性評價理論方法 578
第一節 地下水可持續開采量與地下水功能關係 578
第二節 地下水功能可持續利用性評價理論方法 583
第三節 地下水功能評價體係屬性層組成與意義 589
第四節 地下水功能評價中數據提取與處理技術 592
第五節 地下水功能評價GFS係統及功能 595
第六節 華北平原地下水功能分布與區劃特徵 601
小結 610
參考文獻 611
第四篇 21世紀中國水問題與方略
參考文獻 627

精彩書摘

第一篇非飽和水運移與水勢理論
本篇共計四章，分彆為非飽和水運移與土壤水勢、水文地質學與“四水”轉化研究、重金屬在包氣帶中行為特徵與控製和環渤海平原土壤鹽化與地下水關係，重點闡述潛水麵以上的包氣帶水分、溶質和鹽分時空變化規律和非飽和水動力學特徵、土壤水動力狀態標示特徵、降水地錶水包氣帶水地下水“四水”轉化規律、大厚度包氣帶中監測入滲補給量方法和應用零通量麵（zero flux plAne,ZFP）法計算淺層地下水補給量問題，深入剖析毒性金屬在包氣帶中行為特徵及其與土壤水分非飽和程度關係。最後，針對華北平原中、東部微鹹地下水閤理利用麵臨的問題，給齣土壤鹽分與鹽漬化程度空間格局、土壤鹽分不同聚型及其水動力學特徵和它們與地下水之間關係。第一章非飽和水運移與土壤水勢第一章非飽和水運移與土壤水勢第一節零通量麵理論與應用零通量麵方法自1982年引入我國以來，促進瞭我國土壤水分運移規律和降水與灌溉水入滲補給地下水機理的深入研究。自21世紀以來，水勢理論被引入地下水數值模擬中，促進瞭解決水鹽運移數值模擬和入滲模型有關水文地質參數難題。
一、 ZFP法原理與20世紀80年代應用特徵
水勢理念由國際土壤學會於1963年提齣（TAylor,1983A,1983b）。20世紀70年代，英國水文學者Cooper(1980)在繪製林地土壤總水勢分布剖麵時發現，總水勢梯度（IusA）存在比較穩定的零拐點，且具有區域一緻性分布特點。包氣帶剖麵中，水勢能梯度為零值的點稱為零通量點。由同一區域、不同剖麵的零通量點組成的麵，稱為零通量麵。根據零通量麵位置及其上、下土壤層水勢梯度指嚮，能夠確定土壤水分變化量的去嚮，進而提高研判包氣帶水鹽運移去嚮和降水入滲補給地下水狀況。
ZFP方法（zero flux plAne,ZFP）是建立於能量守恒和質量守恒理論基礎上的，由“達西定律”和“水流連續性方程”聯立構建式（1��1），有q=K(θ)�功咋筞=0（當IusA=�功咋筞=0時）（1��1）式中，q為非飽和狀態下單位麵積的水分通量，m/d；K(θ)為土壤非飽和滲透係數，其大小與包氣帶含水量狀況相關，m/d；�功咋筞或IusA為總水勢梯度，cmH2O/cm非飽和帶水勢能的單位。或mmHg/cm。
IusA和q分彆由負壓計（又稱張力計）和中子水分儀或其他儀器實測的土壤水勢、含水量資料計算獲得，無需求取不易準確獲得的K(θ)參數，所以，應降低因K(θ)取值不確定帶來的問題。
在獲得土壤水勢和土壤含水量資料基礎上，利用式（1��1）原理，可以分彆確定某時段ZFP之上或之下的土壤水分變化量去嚮。當IusA指嚮地錶，錶明土壤水分變化量運移嚮地錶，進入大氣中；當IusA指嚮地下水麵，錶明土壤水分變化量運移嚮地下水，或已補給進入地下水中。
當根據某時段土壤水勢和土壤含水量監測資料確定ZFP位置和土壤剖麵含水變化量之後，就可以確定土壤水分蒸發量、地下水入滲補給量或潛水蒸發量。如果ZFP為發散型，即ZFP之上土壤總水勢梯度指嚮地錶，ZFP之下土壤總水勢梯度指嚮地下水麵，則ZFP之上的土壤剖麵水分變化量為該時段的土壤水蒸發量，ZFP之下的土壤剖麵水分變化量為該時段包氣帶水入滲對地下水補給量。
ZFP方法適用於岩土顆粒較細（中粗砂以下）第四紀鬆散沉積地層、潛水位埋深大於蒸發影響極限深度的地區。一般難以應用基岩山區和以卵礫石為主的鬆散地層分布區，這些地區ZFP存在條件欠缺，或雖ZFP存在，但監測十分睏難。在適用ZFP方法的地區，ZFP也不是永續存在或穩定不變的，其存在與降水（或灌溉）入滲和蒸發條件密切相關。較充分灌溉或較大降水，都會導緻ZFP消失。在我國北方地區，除瞭較大降水或充分供水灌溉期間，大部分時段ZFP是存在的。一般是取用年內最深的ZFP作為確定入滲補給量和蒸發量的分界綫，然後應用土壤水勢理論計算降水或灌溉入滲補給地下水量和土壤水蒸發消耗量，或根據土壤剖麵某段的水勢和含水量變化監測資料求算非飽和條件下K參數，這期間與ZFP存在與否沒有關係，隻需確定被研究的土壤剖麵段的總水勢梯度方嚮是一緻的，即土壤水完全嚮上運移，或完全嚮下運移。
20世紀80年代初，如何剋服水文地質參數不確定性，進一步認識大氣降水、土壤水、地錶水和地下水“四水”轉化過程，以及提高地下水補給量評價精度問題受到重視。此時，ZFP方法被引入，基於國傢“六五”科技攻關項目第38項子課題“華北地區地下水補給量及其時空變化規律研究”，先後在河北省石傢莊、南宮縣和南皮縣建立瞭實驗研究基地和野外原位試驗場，對ZFP方法開展瞭係統性應用研究。隨後，河南鄭州、商丘，山東禹城，遼寜瀋陽，陝西西安，甘肅張掖，新疆昌吉和四川成都等地陸續建立瞭與ZFP方法有關的地下水均衡試驗場（站），全麵展開瞭ZFP的應用實驗研究，為後來的我國地下水循環演化和新一輪地下水資源調查評價奠定瞭堅實基礎。
本書作者於1988年在《水文地質工程地質》上發錶的“試論在我國北方應用零通量麵方法計算地下水補給量問題”，比較全麵地闡述瞭當時ZFP方法應用的局限性和彌補方法，並於1992年在《水利學報》上闡述瞭“零通量麵方法的改進”，促進瞭ZFP方法在我國“四水”轉化研究中更好的應用。同期，原地質礦産部水文地質工程地質研究所研發的WM型負壓計，及時地提供瞭ZFP方法應用的關鍵技術支撐。清華大學的謝森傳等（1988）在零通量麵方法研究基礎上，提齣定位能量法。這一時期，ZFP方法主要應用於包氣帶水分入滲補給量與蒸發量確定研究。
二、 20世紀90年代水勢理論應用特徵
在ZFP方法不斷深入應用中，張光輝等（1991A,1991b）發現在降水或灌溉入滲過程中，總水勢梯度具有如下特徵：當被監測土層含水量處於增加狀態（土壤吸水階段），隨著土壤含水量不斷增大，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，且逐漸降低。當充分供水入滲、被監測土層含水量趨近於飽和狀態時，即流入、流齣被監測土層的水量相等（土壤過水階段），總水勢梯度趨近於1��0cmH2O/cm或等於1��0cmH2O/cm。當被監測土層含水量處於減少狀態（土壤脫水階段），總水勢梯度小於1��0cmH2O/cm。
20世紀90年代，我國北方乾旱氣候頻發，農業灌溉節水問題受到高度重視，80年代的許多ZFP方法研究成果被推廣到指導農業灌溉節水關鍵技術研究中。因為式（1��1）中IusA錶徵土壤水動力狀態，它的變化與入滲供水量（或灌溉水量）和土壤含水量狀況密切相關，所以，利用IusA監測結果可以瞭解農田水分虧缺程度和是否需要灌溉，以及掌控已灌溉的程度。即當土壤層的上部含水量遠低於其下部含水量時，上部水勢的絕對值（或觀測值）必然遠大於下部水勢的絕對值（或觀測值），由此呈現IusA�� 0cmH2O/cm情況，它錶明自地錶至土壤層下部土壤中，水分因蒸發蒸騰作用而大量損失，距離地錶越近，損失水量越大，水勢的絕對值越大（水勢越小），土壤水分虧缺程度越來越嚴重。這時，可結閤土壤水分張力計的具體觀測值，適時灌溉。當IusA值越趨近1��0cmH2O/cm時，錶明土壤含水量臨近飽和，需注意調控灌溉水量或限控灌溉時間，避免較多無效灌溉水量的發生，應及時結束該次灌溉。
20世紀90年代初，荊恩春等（1994）總結瞭過去近10年來有關土壤水分通量法實驗研究成果，提齣瞭定位通量法、糾偏通量法和瞬時剖麵通量法，給齣瞭應用檢驗結果。靳孟貴和方連育（2006）基於土壤水勢理論，在河北王瞳地區開展瞭實地驗證研究，確定瞭王瞳地區土壤水理論無效庫容、土壤水最大次調節量、土壤水可利用量和土壤水儲存量，推動瞭土壤水資源化研究。
三、 21世紀以來水勢理論應用特徵
進入21世紀以來，隨著地下水數值模擬對水文地質參數要求的不斷提高，ZFP法又受到關注。曾亦鍵等（2008）在土壤水分特徵參數的計算和聶衛波等（2009）在建立溝灌土壤水分運動數值模擬與入滲模型中，都較好地應用ZFP法解決瞭參數方麵難題。王鵬等（2009）通過太行山區典型植被對土壤水勢動態影響研究，發現刺槐林地土壤對降水入滲的反應時間最快，側柏林地土壤在雨後的持水性最好。汪丙國等（2010）應用土壤水分通量法和包氣帶水均衡的原理，闡明巨厚包氣帶條件下覆蓋秸稈麥田的地下水入滲補給量小於不蓋秸稈，對於解答華北平原地下水水位不斷下降和農業活動對入滲補給影響難題具有促進作用。宋獻方等（2011）利用土壤水勢和地下水觀測數據研究瞭滄州、衡水地下水淺埋區不同年份土壤水分動態規律，結果錶明，平水年或豐水年後的土壤水分從錶層到深層為增長型趨勢，枯水年為增長減小增長趨勢，土壤水分具有補給和消耗的季節性變化特徵。
劉貫群、宋濤（2008）提齣，漫灌條件下，經過2次灌溉過後土壤含水量不斷升高。徐學選等（2010）研究黃土丘陵區降水土壤水地下水轉化，實驗結果錶明，降水補給地下水存在一定的滯後時間，與包氣帶厚度和岩性有關。王政友（2011）認為，降水入滲補給地下水滯後時間與地下水埋深之間為乘冪關係。郝芳華、歐陽威（2008）認為在灌區的灌溉(降雨)下滲潛水蒸發類型環境中，降水影響較小。聶振龍、連英立（2011）利用包氣帶環境示蹤劑研究張掖盆地降水入滲速率，錶明在張掖盆地地下水位埋深>5m的地帶仍存在降水入滲補給，在沙丘覆蓋區地下水水位埋深6��3m時，降水入滲補給速率為13��3～14��4mm/A，在裸地區地下水水位埋深8��6m時，降水入滲補給速率為16��8～18��4mm/A。李雪轉、樊貴盛（2012）通過非充分供水土壤水分入滲規律研究，提齣非充分供水土壤水分入滲過程是自然界降雨水分和灌溉水進入土壤的重要過程之一，小強度降水或噴灑條件下的水分入滲屬於非充分供水入滲。孫曉旭、陳建生（2012）研究土壤水蒸發與降水入滲非飽和帶過程中不同水體的氫氧同位素的變化規律發現，對於砂土的土壤水蒸發過程中剩餘水體的氫氧同位素分餾遵從瑞利模式，而黃土的剩餘土壤水的氫氧同位素值越來越遠離瑞利分餾關係綫。
傅斌等（2008）提齣入滲率隨降雨曆時增加而減小，纍積入滲量可以用降雨曆時的綫性函數來錶示。吳繼強等（2009）發現，不同有效麵孔隙度條件下纍積入滲量符閤KostiAkov模型，但其參數是有效麵孔隙度的函數，大孔隙的連通性在一定條件下對土壤水分的優先入滲起主導作用。付湘等（2010）認為，土壤空間變異下，田間降雨、入滲和徑流之間滯後的非均一特徵需加以重視，其明顯影響數值模擬結果。束龍倉等（2008）提齣，閤理考慮水文地質參數不確定性，可以提高地下水補給量可靠度。譚秀翠、楊金忠（2012）提齣，石津灌區淨入滲水量及潛在補給係數具有明顯的時空變異性，其主要取決於根區層土壤的水量均衡過程。
另外，ZFP法在環渤海平原區土壤水鹽運移研究應用中發現，錶聚型、中聚型和底聚型等不同土壤鹽分聚集類型都各有其獨特水勢動力學剖麵特徵。其中，錶聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是總水勢梯度指嚮地錶，其絕對值遠大於1��0cmH2O/cm，錶徵土壤水鹽嚮上運移。在這種土壤水動力學剖麵背景下，蒸發將促使淺埋的地下水通過包氣帶毛細輸導至地錶，水分氣化進入大氣，鹽分殘留在錶層土壤中，進而加劇土壤鹽漬化。中聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是包氣帶上部的水勢梯度指嚮地下水麵，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，水鹽嚮下運移。在入滲水量有限條件下，往往入滲水流濕潤峰尚未到達包氣帶下部時，該場入滲已結束，剖麵下部的水勢梯度仍然指嚮地錶，水鹽嚮上運移，形成剖麵中水鹽含量凸現特徵。隻有當入滲水量足夠充分，剖麵中部所聚的鹽分纔能夠充分嚮下運移，直至進入地下水中。否則，在蒸發作用下，剖麵中部的水鹽嚮上運移至地錶層，由中聚型轉化為錶聚型。底聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是入滲水分自上而下貫穿整個土壤剖麵，水勢梯度指嚮地下水麵，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，水鹽嚮下運移，包括進入地下水中。
四、 水勢理論應用未來趨勢
從過去30年水勢理論和ZFP方法應用特徵來看，水勢理論及其技術方法的未來應用趨勢應包括如下四個方麵：1拓展包氣帶非飽和參數研究，包括K(θ)、D(θ)、C(θ)及S（根係吸水率），減少計算的不確定性，提高地下水數值模擬研究可靠性；2深化土壤水鹽運移和聚集模式認識，通過科學調控潛水水位埋深改變零通量麵位置，實現控製土壤水鹽（養分或汙染物）運移的研究；3通過區域性零通量麵分布及其埋深變化規律研究，提高ZFP方法確定降水入滲對地下水的潛在補給量的區域代錶性；4土壤水資源閤理利用研究，促進農業節水灌溉的監測與預警技術方法研究。
第二節“三水”轉化水勢標示特徵
大氣降水或灌溉水進入包氣帶，轉變為土壤水；再經過入滲，轉化為地下水，或地下水蒸發進入包氣帶，轉變為土壤水；然後，蒸發轉化為大氣水。這是陸殼錶層的一種主要水分循環運動方式，在包氣帶水勢場製約下不斷變化。土壤含水量增加或減少，是“三水”轉化過程中水分運移的結果。在能量方麵，土壤水勢梯度錶現齣相應特徵性變化。通過對“三水”轉化過程中水勢梯度特徵及其變化規律的進一步認識，不僅可以正確地認識“三水”之間轉化關係，而且，對於加深認識降水或灌溉入滲補給地下水機製，以及潛水蒸發過程和相關水文地質問題也具有重要意義。
一、 基本理念與試驗條件（一）基本理念本書中的“三水”是指降水或灌溉水、包氣帶水（或稱土壤水）和地下水。
包氣帶是指從地錶到潛水位之間的非飽和帶，位於地球錶麵以下、潛水麵以上的地質介質，也常被稱為非飽和帶（unsAturAted zone），但一般不包括潛水麵之上的毛細上升區（cApillAry fringe）。包氣帶中空隙未被水充滿，而包含相當數量的氣體。
包氣帶是大氣水、地錶水與地下水之間發生水力聯係和進行水分交換的地帶，是岩土顆粒、水、空氣三者同時存在的一個復雜係統，其中植物根係活動層與外界有強烈的水分交換。包氣帶中岩土（以下，統稱

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