Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 黄土高原包气带典型水文特征与潜在地下水补给的时空演变研究 | |
| 陆彦玮 | |
| 出版年 | 2020 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 西北农林科技大学 |
| 中文摘要 | 水资源是人类赖以生存和发展的基础,理解区域水资源现状、演变机理是实现水资源有效调控、保障地区可持续发展的前提。我国黄土高原水资源有限,生态环境脆弱,对气候环境变化极为敏感。近年来,随着退耕还林还草工程的深入实施和区域经济社会的快速发展,黄土高原生态环境建设虽然改了原有土地利用和植被覆盖,遏制了土壤侵蚀,降低了水土流失,但也面临着区域水资源和生态环境建设供需是否平衡,是否可持续的“新问题”。因此,充分认识和理解自然状态下黄土包气带水资源补给及演化过程,分析潜在地下水补给的时空响应规律,对准确评价区域陆地水资源补给潜力,进而更好地指导区域水资源系统规划和生态环境可持续开发,实现新时代下黄土高原高质量发展具有十分重要的科学和现实意义。鉴于传统水文研究方法无法完全解答新时代下黄土高原新问题的不足,本研究尝试从深厚黄土包气带—陆地系统各水体间“转化纽带”和各圈层间“反应场所、信息载体”的角度出发,基于黄土高原地区气候和土壤明显的地带性特征,对黄土高原典型地区包气带土壤性质、水文信息以及大气输入进行大量调查与采样,利用多种时空数据分析手段和多元水文示踪技术,对黄土高原典型包气带土壤容重、包气带水文循环过程、包气带大气氯输入进行了深入探究。在充分明确包气带“物质量化、水文循环过程和氯信号输入”三方面内容的基础上,发展氯示踪技术对黄土高原不同气候区包气带中滞留的水文气候信息进行解析与重建,以弥补黄土高原近千年、高分辨率水文气候历史记录缺乏。同时,在时间维度上探讨黄土高原潜在地下水补给演变过程及其对气候变化的响应,在空间维度上分析黄土高原潜在地下水补给的分布特征及其主控因子。主要结论如下:1.黄土高原典型包气带土壤容重分布及其模拟预测:黄土包气带土壤容重分布在区域水平方向上相似,基本不受土地利用类型和景观位置的影响;但在垂直方向上变异较大,并随深度变化呈现出在大尺度上(>30m)的对数增加和中尺度上(3–13 m)的震荡变化。其中,土层深度是包气带土壤容重在大尺度上变化的主导因素,而磁化率相比于土壤质地和有机碳参数能更好地解释中等尺度容重的空间变异。包气带浅、深层土壤容重的分布特征及其主要影响因素截然不同。包气带土壤容重的垂向分布特征主要由压实作用贡献的“大尺度对数增长”和土壤质地性孔隙控制的“中尺度振荡”两方面耦合而成,且压实和质地性孔隙的最优解释变量分别为土体深度和磁化率与粘粒含量,据此提出一种多尺度容重概念模型,从机理上描述了包气带容重的分布特征,解释了黄土包气带土壤容重约82%的变异,大幅提高包气带土壤容重预测的精度和准确性,对包气带水分、溶质、碳等物质储量及通量的准确估算,推动土壤水文、地球关键带等相关研究及应用的发展具有重要的参考价值。2.黄土高原典型包气带水文循环过程:土壤水分的动力学分馏和非均匀流(优先流或大孔隙快速流)入渗只能影响黄土包气带的浅层(0–2 m)土壤,而深层(>2 m)土壤水分运动以活塞流入渗为主且不受动力学分馏影响,具有一定的时空稳定性。雨、旱两季降水都能对浅层(0–2 m)土壤水进行补给,而深层(>2 m)土壤水分补给主要来源于雨季大降水。深厚黄土包气带水分运移机制以活塞流为主导,加之黄土包气带成层分布、水平均质,这使得黄土包气带土壤水文信息在垂直和水平方向上分别具有空间时序性和空间一致性。因此,黄土包气带中的水文信息具有重建当地长时间尺度潜在地下水补给(水文气候)历史的巨大潜力。3.黄土高原大气氯输入通量估算及其空间分布特征:为丰富大气氯输入评估方法,缓解黄土高原大气氯输入数据的不足,提出基于包气带氚、氯剖面耦合的反向氯质量平衡法(ICMB)和氯累积年龄法(ICCA)间接估算方法。通过与实际监测数据相比较,发现反向氯累积年龄法具有较高的可靠性和准确性,而对于反向氯质量平衡法更适用于农田或污染地区的大气氯输入反向估算。以上间接评估方法为今后全球范围内大气氯输入通量的评估与研究提供新手段。黄土高原大气氯输入空间分布上整体呈现出“东南、西北两头高,中间低”的变化趋势。其中,东南大部受东亚季风主导,大气氯输入通量以海陆距离为主要控制因素,而西北内陆氯输入来源复杂,海陆距离效应并不明显,氯浓度与降水量显著负相关,表现出较强的淋洗效应。4.基于氯示踪技术重建潜在地下水补给历史:从不同角度分析了包气带氯示踪技术重建黄土高原潜在地下水补给历史的可行性。一方面,不同气候区(渭南、长武、海原和景泰)包气带重建的潜在地下水补给序列随时间的变化趋势相似,表明了黄土高原不同地区的潜在地下水补给在时间变化上具有一致性。具体表现为,在AD 1350–1400、1500–1600、1750–1800和1950–1995年间黄土高原表现出潜在地下水补给量较高的相对湿润期,AD 1400–1500、1620左右、1740左右、1800–1950年间黄土高原相对干旱,潜在地下水补给量较低;另一方面,与附近的树木年轮和溶洞气候记录对比,气候要素变化趋势基本一致,进一步验证了利用黄土包气带氯示踪剂重建区域水文气候历史的可靠性。对于包气带氯示踪技术重建潜在地下水补给历史的性能。相比干旱荒漠地区,较高的水分补给通量和大气氯输入量使得包气带对短时间尺度的干、湿水文气候交替更为敏感且记录能力更强。一方面,干旱地区(巴丹吉林沙漠和景泰)包气带浅层(0–2 m)分别累计了50年和43年的氯信号,而半湿润区(渭南和长武)仅累计了12年和14年的氯信号,这说明了具有较大补给通量的半湿润地区包气带有助于短期湿润气候信号快速地进入深层渗漏区,更有利于高时间分辨率水文气候演变信息的记录与重建。另一方面,通过Cook模型模拟可知,包气带对于水文气候事件的保存能力取决于土壤含水量和补给率两方面因素。较高的补给通量有助于“气候事件”更好地分离,使得相邻气候事件信号很难被弥散和扩散作用而混合和平滑,从而可以保留较长时间。5.黄土高原潜在地下水补给的时空演变分析:在时间维度上,黄土高原近1000年的潜在地下水补给历史与表征季风气候变化的太阳辐射(活动)和北半球温度异常指标显著正相关,随全球变化(亚洲季风)表现出:暖湿气候-高潜在地下水补给量、干冷气候-低潜在地下水补给量的对应关系和相互交替的波动变化,表明了东亚季风强度变化是黄土高原地区潜在地下水补给时间变化的主要驱动力。在空间维度上,沿黄土高原东南至西北内陆方向,不同气候区(中温带干旱区-景泰、中温带半干旱区-海原、中温带半湿润区-长武和暖温带半湿润区-渭南)近200年潜在地下水补给通量分布为3.9±2.6 mm yr~(-1)、15.1±9.5 mm yr~(-1)、25.5±15.6 mm yr~(-1)和72.0±29.1 mm yr~(-1),呈明显的地带性特征。其中,强降雨水量(>20 mm)和高强降雨水量(>30 mm)分别可以解释黄土高原潜在地下水补给量82%和91%的空间变异,是黄土高原潜在地下水补给最主要控制因素,而浅层土壤质地(粘粒含量)则控制着 |
| 中文关键词 | 深厚包气带 ; 土壤容重 ; 水文循环过程 ; 大气氯输入 ; 氯示踪技术 ; 潜在地下水补给 ; 水文气候演变 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | P641;P333 |
| 来源机构 | 西北农林科技大学 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/354763 |
| 作者单位 | 西北农林科技大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陆彦玮. 黄土高原包气带典型水文特征与潜在地下水补给的时空演变研究[D]. 西北农林科技大学,2020. |
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