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《吉林大学》 2017年
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气候变化和人类活动影响下伊舒盆地地下水环境演化研究

张楠  
【摘要】:随着我国城市化、工业化进程加快,人类活动在地下水环境演化中的作用日趋变强。在人类活动的干扰下,原有的地下水环境演化模式遭到破坏,出现了一系列环境水文地质问题,对生态环境和人类生存产生了极大的威胁。伊舒盆地位于吉林省中部,是吉林省重要的粮食生产基地和地下水源储备基地,近年来,由于人类的不合理地开采和破坏,导致伊舒盆地地下水位不断下降,水质条件不断恶化,地下水环境的演化正逐步从量变到质变,进入新的地下水环境演化模式。目前对地下水环境演化模式的相关研究及文献均鲜有报道,本文从伊舒盆地第四系地下水环境的演化规律研究入手,对地下水环境演化模式进行定义、分类以及定性和定量相结合的分析研究,为该地区未来作为长春、吉林等地的应急水源地提供科学依据,也对当地经济的可持续发展、地下水环境的改善、水资源的总体规划等有着极其重要的理论和现实意义。本文依托中国地质调查局项目“伊舒盆地水文地质调查项目”(1212011089024),针对伊舒盆地第四系地下水环境在自然与人类活动双因素影响下的地下水动力场和地下水水化学场演化规律及演化模式展开专题研究。通过野外调查试验和室内数据分析研究相结合,以水文地质学、地质统计学和数理统计学等多学科理论为指导,应用Map GIS空间分析等技术方法和手段,揭示伊舒盆地地下水环境的演化特征和规律,并在此基础上对研究区地下水环境演化模式进行综合分析。主要研究成果如下:1.地下水动力场时空演化特征(1)地下水位演化特征。基于野外水文地质调查以及长期地下水水位动态监测资料,绘制了地下水位埋深动态曲线、水位埋深时空分区图以及水位变化幅度时空分区图,结果表明:研究区地下水位随时间变化总体呈现持续下降的趋势,潜水和承压水埋深变幅差异较大,其中桦皮厂-孤店子以及莫里青乡—伊通县一带井灌区水位埋深变幅较大,超过6m。1980~1997年水位下降幅度相对较大,1997~2014年地下水位变化幅度变小,局部地区出现水位回升。潜水水位埋深时空变化受气候变化影响更为显著,承压水水位埋深时空变化受人工开采影响较为显著。(2)地下水量演化特征。运用水量均衡法对研究区地下水资源量的计算和分析结果表明:地下水资源量随时间的变化趋势与降水同步,多年平均地下水资源量为41419.68×104m3/a,其中大气降水入渗补给量占总资源量的80%;各流域地下水资源模数的排列顺序为东辽河流域伊通河流域饮马河流域拉林河流域松花江干流流域。研究区地下水资源量演化主要受气候变化影响。(3)地下水循环条件演化特征。通过对地下水循环条件的演化分析得出,天然条件下,地下水主要补给来源为大气降水,排泄方式以河流和蒸发为主;随着人工开采地下水加剧,人工开采成为主要的排泄方式。2.地下水化学场时空演化特征(1)地下水化学类型演化特征。采用舒卡列夫分类方法绘制了地下水化学类型时空分布图,结果表明:1980~1990年代主要为HCO3-Ca型水,基本符合天然水化学场的分布特征;2000年代受到人类活动强烈干扰,类型分布表现为复杂化,且潜水的水化学类型比承压水更加复杂多样。(2)地下水化学组分演化特征。根据地下水水质动态监测数据绘制了矿化度、总硬度和硝酸盐年际动态变化曲线以及各年代时空分布图,结果表明:矿化度、总硬度和NO3--N从1984~2014年变化波动性较大,整体呈逐渐增高的趋势变化,但总体在地下水质量Ⅲ类标准范围内,其中个别地区潜水中NO3--N有超标现象。(3)地下水质量演化特征。采用免疫进化算法优化的地下水水质评价公式,计算得出地下水水质综合污染指数WQI值,并分别绘制各年代的水质时空分布图,结果表明:研究区地下水水质从1980~2000年代,地下水质整体优于Ⅲ类水,仅有个别区域出现Ⅳ、Ⅴ类水,且承压水水质稍微优于潜水水质。3.地下水环境演化模式(1)依据研究区地下水环境演化规律的研究,提出了地下水环境演化模式的定义,并根据自然因素和人类活动的影响程度的不同,将地下水环境演化模式分为5种:(1)自然因素主导的演化模式—模式Ⅰ;(2)自然为主、人类为辅的演化模式—模式Ⅱ;(3)自然、人类作用相同的演化模式—模式Ⅲ;(4)人类为主、自然为辅的演化模式—模式Ⅳ;(5)人类活动主导的演化模式—模式Ⅴ。地下水环境演化模式的提出为未来地下水的合理开发利用提供科学依据。(2)本研究区涉及五个流域,采用灰色关联法分别对气候变化和人类活动与地下水环境之间的关系进行相关性分析,在此基础上定性分析了各流域的地下水环境演化模式:1980~1989年全区基本表现出自然为主、人类为辅的演化模式Ⅱ,1990~1999年饮马河流域和东辽河流域为模式Ⅱ,其他流域表现为自然、人类作用相同的演化模式Ⅲ;2000~2014年除拉林河流域改善为演化模式Ⅱ,其他流域均为演化模式Ⅲ。(3)为了进一步定量化研究伊舒盆地地下水环境演化模式,依据建立的地下水环境演化模式评价体系,结合叠置指数法、模糊层次分析法以及Map GIS软件对研究区三个时期地下水环境演化模式进行定量的综合计算,并绘制了地下水环境演化模式时空分布图,结果表明:1980~1990年代研究区均以自然为主、人类为辅的演化模式—模式Ⅱ为主,小范围区域表现为自然、人类作用相同的演化模式Ⅲ;2000~2014年以模式Ⅱ和模式Ⅲ为主,小范围地区出现人类为主、自然为辅的演化模式Ⅳ;研究区还未出现人类活动主导的演化模式—模式Ⅴ。通过对研究区地下水环境演化模式的研究,合理规划人类活动强度,协调好人类、自然与地下水环境的关系,为地下水的可持续开发利用奠定基础。
【关键词】:地下水环境演化 气候变化 人类活动 演化模式 伊舒盆地
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P467;P641
【目录】:
  • 摘要4-7
  • Abstract7-15
  • 第1章 绪论15-27
  • 1.1 选题背景及研究意义15-16
  • 1.2 国内外研究现状16-23
  • 1.2.1 地下水环境演化研究进展16-17
  • 1.2.2 气候变化和人类活动下地下水环境演化研究现状17-20
  • 1.2.3 地下水环境演化研究方法20-23
  • 1.3 主要研究内容23-24
  • 1.3.1 研究目标23
  • 1.3.2 研究内容23
  • 1.3.3 研究方法23-24
  • 1.4 技术路线24-26
  • 1.5 论文主要创新点26-27
  • 第2章 研究区概况27-49
  • 2.1 自然地理概况27-32
  • 2.1.1 地理位置27
  • 2.1.2 地形地貌27-30
  • 2.1.3 气象30
  • 2.1.4 水文30-32
  • 2.1.5 社会经济概况32
  • 2.2 区域地质概况32-39
  • 2.2.1 地质构造32-34
  • 2.2.2 地层岩性34-36
  • 2.2.3 三维地质结构模型36-39
  • 2.3 区域水文地质概况39-49
  • 2.3.1 地下水赋存条件39
  • 2.3.2 地下水类型及富水性39-44
  • 2.3.3 地下水补给、径流、排泄条件44-45
  • 2.3.4 地下水开发利用现状45-49
  • 第3章 地下水动力场的时空演化49-107
  • 3.1 地下水位演化特征49-84
  • 3.1.1 监测点及资料情况49-50
  • 3.1.2 地下水位埋深动态变化特征50-68
  • 3.1.3 地下水位空间分布特征68-69
  • 3.1.4 地下水位埋深时空变化趋势69-84
  • 3.2 地下水资源量演化特征84-99
  • 3.2.1 计算区划分84-85
  • 3.2.2 水文地质参数计算85-88
  • 3.2.3 地下水均衡计算88-95
  • 3.2.4 地下水资源量计算95-96
  • 3.2.5 地下水可开采资源量96-98
  • 3.2.6 地下水资源量时空演化特征分析98-99
  • 3.3 地下水循环演化特征99-104
  • 3.3.1 天然状态下地下水循环99-100
  • 3.3.2 人工干扰下地下水循环100-102
  • 3.3.3 地下水补排量演化分析102-104
  • 3.4 本章小结104-107
  • 第4章 地下水化学场的时空演化107-141
  • 4.1 水化学类型演化特征107-114
  • 4.1.1 潜水水化学类型时空演化107-111
  • 4.1.2 承压水水化学类型时空演化111-114
  • 4.2 主要水化学组分演化特征114-131
  • 4.2.1 主要水化学组分年际变化特征114-116
  • 4.2.2 主要水化学组分时空演化特征116-131
  • 4.3 地下水质量演化特征131-140
  • 4.3.1 水质评价因子131
  • 4.3.2 基于免疫进化算法优化的地下水水质评价131-135
  • 4.3.3 地下水质量时空演化特征135-140
  • 4.4 本章小结140-141
  • 第5章 地下水环境演化模式141-197
  • 5.1 地下水环境演化模式定义及分类141-145
  • 5.1.1 地下水环境演化模式定义141-142
  • 5.1.2 地下水环境演化模式分类142-145
  • 5.2 影响因素分析145-172
  • 5.2.1 气候变化特征145-162
  • 5.2.2 人类活动强度变化特征162-165
  • 5.2.3 影响因素与地下水环境关联度分析165-172
  • 5.3 地下水环境演化模式分析172-180
  • 5.3.1 拉林河流域地下水环境演化模式172-174
  • 5.3.2 松花江干流流域地下水环境演化模式174-175
  • 5.3.3 饮马河流域地下水环境演化模式175-177
  • 5.3.4 伊通河流域地下水环境演化模式177-178
  • 5.3.5 东辽河流域地下水环境演化模式178-180
  • 5.4 地下水环境演化模式评价体系180-192
  • 5.4.1 评价指标体系的建立180-187
  • 5.4.2 地下水环境演化模式判定方法187-189
  • 5.4.3 地下水环境演化模式评价结果189-192
  • 5.5 地下水资源管理与保护192-195
  • 5.5.1 地下水资源管理192-193
  • 5.5.2 地下水资源保护193-195
  • 5.6 本章小结195-197
  • 第6章 结论及建议197-201
  • 6.1 结论197-199
  • 6.2 建议199-201
  • 参考文献201-209
  • 研究生期间发表的学术论文209-211
  • 指导教师及作者简介211-213
  • 致谢213

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