本专辑是由中国地质大学（北京）水资源与环境学院和中国地质大学（武汉）环境学院共同组织为纪念王大纯先生110周年诞辰而发起出版的。
王大纯先生是我国水文地质学科的开拓者和奠基人之一，他是中国首位水文地质学教授、首批博士生导师，曾担任北京地质学院和武汉地质学院水文地质工程地质系主任、中国地质科学院水文地质环境地质研究所副所长，兼任中国地质学会理事、中国地质学会水文地质专业委员会副主任、国际水文地质学家协会（IAH）中国国家委员会委员等重要职务。他将毕生精力奉献于祖国水文地质事业，在水文地质理论与实践方面均作出卓越贡献。1960年他主编了我国第一部水文地质教科书《普通水文地质学》，结束了我国高等学校水文地质专业完全使用苏联教材和观点的历史，是中国水文地质学科走自主发展之路的开端；1980年，以全新的思路为指导，以多年研究得出的系统理论为纲，编写了《水文地质学基础》一书。该书是我国水文地质学科的经典教科书，于1988年荣获全国高等学校优秀教材奖。
王大纯教授在地下水资源评价、地下水分类、地面沉降等领域提出了众多创新性的理论和观点，也为青藏高原矿产资源普查勘探、干旱地区地下水勘查开发等作出了卓越贡献。在20世纪60年代，他先后提出了中国地下水分类、中国潜水分带规律及裂隙水的分类。在水资源概念问题上，他提出地下水补给资源与储存资源二者的差异与功能，从理论上澄清了地下水资源的概念，是中国国内最早将地下水作为重要资源问题对待并加以研究的专家。他不仅注重学术创新与发展，更关注水文地质学的实际应用。20世纪60年代初，为解决山西晋南地区农田供水与盐碱地改良问题，王大纯先生在晋南开展了3年野外工作，总结归纳了该地区第四系发育史、地下水分布与形成规律。20世纪70年代，王大纯先生经过深入调查和研究，结合地质结构和补给条件分析后，得出河北平原深层地下水资源比较贫乏的结论，这一结论已被后续的实践所证实，也对当前华北平原地下水超采治理问题提供了有用的指导。
为弘扬王大纯先生“急国家之所需”的担当精神和育人不倦的师者风范，传承并发展其在水文地质学领域的学术思想，进一步推动我国水文地质学科建设与人才培养，《地学前缘》特设以“变化环境下现代水文地质学进展”为主题的专刊，向国内从事水文地质学研究的知名专家学者征集了38篇论文。
本专辑共分为六个专栏，包括：（1）地下水关键带相互作用与修复；（2）水岩相互作用及效应；（3）污染水文地质；（4）深部水文地质；（5）特殊地貌地下水；（6）水文地质新技术新方法。
“地下水关键带相互作用与修复”栏目共有5篇文章，该栏目聚焦地下水与地表水、土壤等相互作用，围绕水文与生态过程，开展了变化环境下地下水与地球关键带的相互作用过程中物质能量交换及其生态效应的定量研究。在葛洲坝库区，通过构建三维裂隙耦合模型，定量揭示了基岩河岸带地表水与地下水的交换机制；针对水库消落带，研究揭示了水位变动通过改变氧化还原环境驱动氮磷释放并影响水质的规律；在垂向潜流带，研究阐明了河流温度与溶解氧波动对CO2产生速率的关键调控作用；对毛乌素沙地的研究则揭示了地下水动态如何影响旱柳的根系吸水策略，并提出了应对干旱的优化模式。此外，子牙河流域的研究定量解析了气候、土壤及人类活动等多因子对植被生产力的交互影响。这些研究为水资源管理、生态环境保护及应对气候变化提供了重要的科学依据。
“水岩相互作用及效应”栏目共有文章7篇，该栏目聚焦水文地质研究中最重要的作用之一水岩作用展开，进行了水环境与水文地质过程的多维度解析。云冈石窟研究揭示了黄土覆盖层对水盐运移的阻滞作用，为石窟保护提供了依据；鲁北平原研究从区域尺度阐明了浅层地下水锰的空间演化及成因机制；河南省平原区研究利用机器学习方法，实现了对原生劣质地下水分布预测与健康风险区划定；黄河三角洲研究解析了高盐地下水微生物结构及其环境驱动机制；江西稀土矿区研究明确了硝酸盐污染与采矿活动的关联及其转化过程。此外，镁同位素研究系统综述了其在示踪水岩作用中的应用；地震水文地质学研究则综合论述了地壳变形与地下水系统的相互作用机制。这些研究深化了对地下水循环过程中物质运移、生态效应及灾害响应的科学认知。
“污染水文地质”栏目共有8篇文章，主要聚焦于地下水污染物的特征识别、迁移模拟及修复治理，形成了从理论方法到技术应用的全链条研究体系。在污染评估与预警方面，研究构建了地下水污染羽演变的“扩展稳定衰退”多维度评判指标体系，并建立了融合脆弱性、污染荷载与功能价值的风险综合评价体系以划分预警等级。在污染物迁移模拟方面，提出了针对裂隙介质中挥发性有机物（VOCs）传输扩散的高效预测建模框架。在修复技术层面，系统评述了硫自养反硝化技术的工程应用与效益；研发了针对硫酸盐污染的铁碳微电解耦合固定化闭环处理新方法；探究了含硅水铁矿对铬（Cr(VI)）还原过程的调控机制；解析了酸性铀污染原位生物修复的技术挑战与固铀机制。此外，基础研究还揭示了多相流条件下微纳颗粒在孔隙中的迁移与滞留机理。这些研究为地下水污染的精准模拟、风险管控和高效修复提供了系统的科学依据和技术支撑。
“深部水文地质”栏目包含4篇文章，主要围绕深部地热系统与水文地质过程展开。针对新疆地热资源，科考发现其分布具有鲜明地域特征：北疆主要依赖断裂深循环形成的中低温地热资源，而南疆因受印度欧亚板块碰撞影响，具备形成高温地热资源的潜力。在深部水文地质学研究方面，系统综述了深部裂隙渗流面临的科学挑战与发展前景，并发展了融合微地震与水文数据的深部地热储层裂隙结构表征技术。此外，还深入探讨了高地应力与高温环境下裂隙介质中地下水的非线性渗流规律，系统分析了传统立方定律的局限性，介绍了非达西流理论拓展，并评估了热水力耦合模型及数据驱动方法的预测潜力。这些成果为深部地热资源的勘探与开发提供了重要的理论依据和技术支撑。
“特殊地貌地下水”一栏共收集了7篇文章，聚焦于不同区域与系统的水文地质过程研究。在岩溶水文学领域，系统阐述了岩溶水与石漠化治理、生态系统调蓄能力及关键带模型的研究进展，总结了岩溶地下水系统的碳循环过程与固碳机制，并应用机器学习方法实现了对岩溶裂隙空间分布的预测和岩溶大泉水位的精准预报。在海岸带水文地质方面，综述了滨海地下水循环及其环境效应的研究进展。针对青藏高原，研究则总结了该区域地下水类型与资源现状，揭示了在冰川冻土作用下的水循环规律。这些研究深化了对特殊地质与地理环境下水循环机理的科学认知，为水资源管理与环境保护提供了重要依据。
“水文地质新技术新方法”一栏共收集7篇文章，系统展示了现代技术方法在地下水科学中的前沿应用与创新,综述研究总结了地球物理方法在污染探测中的进展，以及机器学习在水文要素刻画、过程模拟与管理优化中的广泛应用。在技术创新层面，研究引入了硬约束物理信息神经网络，显著提高了含水层参数反演的精度；融合数值模拟与机器学习，实现了对干旱区地下水潜力的精准评价，并提出了考虑参数不确定性的模型误差补偿方法，以提升模拟可靠性。在监测与评估实践中，联合重力卫星与基流分割技术，有效分析了青藏高原的地下水储量变化，同时，探索了电阻率法在低渗透介质热传导过程动态监测中的应用，建立了电阻率与温度的定量反演关系。这些研究共同推动了地下水科学研究向多技术融合、高精度化和智能化方向的发展。
上述论文均是水文地质领域的最新成果，既反映了地下水科学与工程领域的研究进展和前沿方向，也体现了水文地质研究与水资源、水环境、水生态等方向的交叉融合，是王大纯先生学术思想的继承和发展。

地表水-地下水交互是流域水循环与物质迁移的关键过程,其机制取决于河岸带含水层结构与水动力特征的精细刻画。现有研究多聚焦于沉积河岸带,而岩溶裂隙河岸带因介质非均质性与流动路径复杂性,其交互机制仍存在认知空白。本研究以葛洲坝库区南岸典型裂隙河岸带为靶区,通过钻孔监测网络解析地下水对长江水位波动的响应模式,并构建三维基岩裂隙-溶蚀宽大裂隙耦合数值模型,定量刻画双层裂隙含水系统的水量交换过程。主要结论如下:(1)研究区地下水赋存体系为双层裂隙含水层系统复合3条宽大裂隙密集带。地下水动态受长江水位的调控较为明显;(2)深层含水层排泄量大于浅层含水层;(3)宽大裂隙是地下水赋存迁移以及与长江进行水量交换的主要通道,其排泄量比基岩裂隙含水层高3个量级;(4)宽大裂隙是浅、深层裂隙含水层之间水量交换的主要通道。本研究定量刻画了裂隙河岸带双层裂隙-岩溶耦合系统的交互通量与通道效应,为基岩区河岸带水资源精细管理和长江大保护提供了可直接落地的科学依据与技术范式。

水库水位变动而形成的消落带作为水陆交错带的关键界面,其沉积物氮磷释放是影响水库水质的重要因素。然而,周期性水位变动引发的消落带氧化还原环境交替变化导致消落带氮磷的释放行为及其对水库水质的影响贡献尚不完全清楚。本研究以吉林省某大型水库为研究对象,通过采集淹水前、淹水期和退水期水库地表水和消落带沉积物样品,阐明水位变动下消落带沉积物氮磷释放规律及其对水库水质影响的贡献。研究结果表明:在整个水位波动周期(淹水前—淹水期—退水期),库水氨氮和磷酸根浓度呈现先增加后减小的趋势。沉积物氨氮含量先降低后升高,而无机磷含量则先增加后降低。吸附-解吸实验表明酸性条件下(pH=5)沉积物对氨氮和磷酸盐的吸附量较大,而碱性条件(pH=9)下沉积物氮磷解吸作用较强。在退水期,沉积物对氮磷表现出较强的解吸作用。质量平衡法表明,沉积物氮和磷的释放通量分别为324.15 t和8.18 t,其对水库地表水无机氮、磷变化的贡献率分别高达47.22%和57.72%。本项研究对于识别水库内源污染机制,预测水环境风险,保障居民饮水安全和推动水资源可持续管理提供重要科学依据。

河流碳排放是全球碳循环的关键环节,潜流带作为其重要组成部分,对碳排放具有显著影响。潜流带CO₂产生和排放过程受河流温度和溶解氧(dissolved oxygen,DO)等动态因素控制,然而,目前大多数模型仍基于稳态条件,难以准确捕捉CO₂产量动态变化,导致碳排放估算存在较大不确定性。为此,本研究构建了典型沙丘形态的潜流带生物地球化学耦合模型,引入日周期性变化的河流温度和DO,将其作为潜流带边界条件,利用COMSOL Multiphysics对耦合模型进行数值求解,并通过达姆科勒数(Damköhler number,Da)和相关系数来分析河流温度和DO波动边界条件对垂向潜流带CO₂产量的动态影响及调控机制。研究结果表明,温度和DO对CO₂产生速率具有显著调控作用且存在竞争关系。在潜流带平均滞留时间小于15.7 h时,存在温度阈值,使CO₂产生速率的主控因素随河流平均温度发生转换。具体表现为:在温度阈值以下,主控因素为温度波动;而在温度阈值以上,主控因素为DO波动。更为重要的是,当平均滞留时间大于15.7 h时,主控因素转换机制不存在。本研究揭示了河流温度和DO波动对潜流带中CO₂产生速率的调控机制,为理解河流碳循环提供了新视角,有助于准确评估潜流带在全球碳循环中的作用,并为预测河流生态系统对气候变化的响应提供理论依据。

毛乌素沙地依赖地下水的旱柳广泛分布,尽管旱柳生长水分来源研究取得显著进展,但对于场地尺度单株旱柳根系吸水对地下水位动态的响应机制研究成果则较少,阻碍了植被与地下水互馈机制的揭示。基于此本文采用旱柳根系挖掘、原位监测试验、人工注水试验等方法,通过监测气象要素、旱柳生理参数、分层包气带水分以及地下水位等指标,结合根系垂向分布特征,分析了地下水位动态过程中包气带水分以及根系吸水策略的变化规律。结果表明:试验区旱柳根系存在一个以吸取由大气降水入渗转化成的包气带水分的浅部毛根吸水区,集中分布在埋深0.2~0.8 m范围;两个以吸取由地下水转化成的包气带水分的深部根系吸水区,其中一个是细根与侧根吸水区,出现在2.0~3.8 m范围,用于汲取深层包气带水及毛管上升水;另一个是深层垂直触及潜水面根系吸水区,分布在4.3~4.8 m范围,主要吸取地下水。以地下水转化的深部包气带水分为水源,旱柳根系吸水强度增加为原来的3倍。旱柳根系吸取由地下水转化的深部包气带水分的压力水头阈值是-10.7 m。在此基础上,进一步结合国内外类似研究,解释了地下水动态对不同根区吸水区形成的生态水文机制及其适应意义,提出旱柳实现“多层吸水/动态分配”应对极端干旱事件的建议。这些认识深化了地下水动态与旱柳吸水机制的认知,不仅推动干旱区生态水文学理论发展,也为全球沙化土地的综合治理提供科技支撑。

探究子牙河流域植被净初级生产力(NPP)的时空演变规律及其驱动因素,厘清该区域的碳平衡状况,对促进生态环境可持续发展具有重要意义。基于2001—2023年MODIS NPP数据,综合考虑气候、土壤、地形、人类活动等因子,采用Theil-Sen趋势分析、Mann-Kendall显著性检验、Hurst指数等方法分析植被NPP的时空变化特征,使用参数最优地理探测器模型定量探测不同因子及其交互作用对植被NPP变化的影响。结果表明:(1)研究期内子牙河流域NPP年均值在224.86~371.21 gC·m^-2·a^-1波动,多年NPP值呈增加趋势,增速为4.53 gC·m^-2·a^-1。(2)NPP年均值高于400 gC·m^-2·a^-1的区域主要集中在流域西部山区,NPP年均值低于300 gC·m^-2·a^-1的区域主要分布于流域东部平原区。(3)研究期内年NPP变化以极显著上升和不显著上升为主,面积占比分别为67.21%和18.25%。呈下降趋势的区域面积占比为2.03%,零星分布于各城区周围,这与城市化进程加快有关。未来植被NPP变化以反持续性为主,反持续性上升面积占比为88.30%。(4)土壤温度、气温、高程、潜在蒸散发是植被NPP空间分异的主要影响因子,同时,具有双因子交互作用增强的特性,交互作用更好的解释了植被NPP的空间分异。研究结果有利于完善子牙河流域植被净初级生产力变化特征及其影响机制,可为该区域的固碳减排和生态保护提供科学参考。

地下水作为全球超20亿人饮用水的重要来源,其水质安全与人类健康和生态系统密切相关。原生劣质地下水(geogenic contaminated groundwater, GCG)是由于地球演化形成的地下水组分超标现象,主要表现为砷、氟、碘含量超标。受地质构造、水文地球化学和人类活动影响,原生劣质地下水分布呈现区域差异和局部突变,其成因机制和防控策略研究对保障水资源安全至关重要。本文以河南省为典型研究区,综合运用Gibbs图等方法解析研究区地下水水化学特征及主控因素,明确原生劣质地下水的分布原因;结合地方病分布数据,探究原生劣质地下水与病区的关联性,并引入机器学习模型实现原生劣质地下水空间分布的精准预测,最终基于上述研究划定地下水健康风险管控区。结果表明:研究区原生劣质地下水集中分布于豫东平原及黄河沿岸区域,且潜水原生劣质组分超标程度显著高于承压水;弱碱性还原环境是原生劣质地下水形成的关键水文地球化学条件,岩石风化溶解与强烈蒸发作用共同主导了特征离子的富集过程;原生劣质地下水分布与地方病区存在一定空间关联性;地下水中砷、氟、碘均表现出明显的空间聚集性,其中高-高(HH)聚类区(即高砷、高氟、高碘地下水叠加区)与机器学习模型识别的高风险区域高度吻合。因此,在濮阳市、新乡市、周口市、开封市及商丘市等重点区域科学划定健康风险保护区,对保障当地居民用水安全具有重要现实意义。

地震水文地质学是研究地震与地下水相互作用的一门学科,与传统水文地质研究不同,其主要关注因地震等地壳运动产生的含水介质变形而导致的地下水文过程演化。本文从地壳变形与地下水动态、地震地下水前兆异常、地震引起的同震及震后响应以及地震导致的水文地质参数变化等方面进行综述,重点介绍了近二十年以来的进展。线孔弹性理论的发展为定量刻画地震等地壳运动与地下水动态的关系提供了理论基础。地下流体前兆异常在近年来的地震预测实践中起到了较好的参考作用,其中地下水地球化学指标监测及大规模地球化学观测网络的建设是一大亮点。与此同时,建立地下水物理与化学动态的前兆异常耦合机理模型以及发展机器学习等新兴的前兆信号提取方法是未来需要重点突破的方向。地震引起的含水层介质渗透性的改变及其导致的水量交换和水化学的动态变化是解释同震及震后地下水响应的主要机理,基于地下水对潮汐、气压等周期性信号响应的含水层参数识别为连续获取水文地质参数提供了新途径,然而现有潮汐和气压响应的解析模型在参数计算方面往往存在多解性问题,发展新的模型和方法以降低计算结果的不确定性是未来需要考虑的方向。为了更好地理解地震与地下水系统间的相互作用,在前期研究基础上建立涵盖温泉、地下水监测井的断裂带试验场,开展水位、水温、流量、化学组分、形变及地震波的综合观测,是深化地震水文地质学科理论发展的基础。

黄河三角洲浅层地下水广泛呈高盐特征,受历史海侵、蒸发浓缩等因素影响,水化学演化复杂,地下水微生物群落演替尚缺乏系统认识。本文采集25组浅层地下水、2组黄河水及1组海水样品,通过水化学分析、稳定同位素示踪与宏基因组测序等方法,识别地下水盐分来源,解析不同盐度条件下微生物群落结构、演替规律及其主控因子。结果表明,地下水TDS变幅为1.0~35.0 g/L,以Cl-Na型水为主,δD、δ¹⁸O及Br/Cl比值特征共同指示受海水混合与蒸发浓缩双重作用影响。地下水中微生物群落以细菌为主(相对丰度67.7%~98.6%),古菌次之(1.0%~32.0%),真核生物与病毒占比较低。细菌优势类群包括Pseudomonadota与Candidatus Omnitrophota,前者在高盐地下水中富集,后者偏好分布于低盐环境。古菌中Candidatus Woesearchaeota广泛分布,Candidatus Lokiarchaeota、Candidatus Thermoprofundales等类群在高盐样品中占据生态优势。PCoA与LEfSe分析表明不同盐度条件下微生物群落显著分化,细菌随盐度变化明显,而古菌具有更强的耐盐适应性。RDA分析表明,TDS、${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$、Fe²⁺和${\mathrm{NH}}_{4}^{+}$是高盐样品的主控因子,${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$、pH和ORP对低盐群落影响较大。本研究揭示了高盐地下水中微生物群落的演替特征及其环境驱动机制,为理解滨海地下水系统中盐度胁迫下的微生物响应与生态功能提供了理论支撑。

锰(Mn)作为地下水中广泛存在的神经毒性金属元素,其超标(> 0.1 mg·L^-1)不仅导致饮用水感官恶化,更可能引发帕金森样神经病变。尽管前期研究揭示了黄河下游冲积平原浅层地下水Mn存在高度空间异质性及大面积异常,但对冲积沉积体系下不同地貌单元Mn富集的水文地球化学机制仍缺乏系统性认知。本研究从区域上尺度上,查明鲁北平原浅层地下水Mn的分布特征和影响因素,同时结合典型水文地质剖面精细刻画,揭示了高Mn地下水的水文地球化学过程及其形成机制。结果表明:区域上地下水中Mn含量从未检出至12.0 mg·L^-1,平均值为0.65 mg·L^-1,超标率为96.6%;沿典型剖面方向,古河道高地地段地下水Mn的平均质量浓度(0.27 mg·L^-1)显著低于泛滥平原段(0.83 mg·L^-1),在滨海平原再显著升高(2.53 mg·L^-1),水化学类型逐渐由HCO₃-Na·Mg和HCO₃·Cl-Na·Mg转变为以Cl·HCO₃-Na·Mg型为主,最终演变为Cl-Na型水。鲁北平原浅层地下水中Mn最可能的来源是沉积物中的锰氢氧化物和菱锰矿,地下水在漫长的循环过程中,影响该地区地下水Mn含量分布的因素主要有硅酸盐风化、蒸发盐矿物溶解、蒸发浓缩作用、阳离子交替吸附作用、酸碱反应、氧化还原作用等一系列水岩交互作用过程。鲁北平原不同水文地球化学分区的污染源贡献率呈现显著空间分异,与Mn含量的空间演化规律相似。综合研究发现:研究区浅层地下水Mn的空间分异主要受pH驱动的溶解和吸附过程、盐度驱动的离子交替吸附以及原生沉积背景下Mn的释放共同影响。

离子吸附型稀土矿开采导致矿区水土环境遭受严重的氮污染,但矿山排水影响下水体中硝酸盐(${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N)的分布、迁移转化过程及污染来源仍缺乏系统研究。以江西赣南足洞离子吸附型稀土矿区下游地表水和地下水为研究对象,结合水化学分析及多同位素技术(δ¹⁸O-H₂O、δ¹⁵N-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$和δ¹⁸O-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$),研究了水体中${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N来源及转化过程,并借助 MixSIAR 模型定量评估了各污染源的贡献率。结果表明,区内水体呈弱酸性、低矿化度特征,地表水以SO₄-Ca 型为主,80%地下水为 HCO₃-Ca 型;地表水的总氮(TN)及${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N、氨氮(${\mathrm{NH}}_{4}^{+}$-N)浓度显著高于地下水,表明其氮污染与采矿活动密切相关。空间上,氮来源与开矿使用高氨氮卤水密切相关,矿山开采活动对地表水氮污染影响显著。土地利用类型分布表明,地表水和地下水氮的来源不同,地表水氮源主要是林地中的矿山排水,而地下水氮主要来源于耕地上的农业活动。δ¹⁸O-H₂O、δ¹⁵N-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$和δ¹⁸O-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$同位素组成特征及其分馏系数分析表明,地表水和地下水均以硝化作用为主。利用δ¹⁵N-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$和δ¹⁸O-${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$及其重建值进行端元分析显示,SW1的${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N主要来源于铵态氮,即采矿活动排出的高${\mathrm{NH}}_{4}^{+}$-N水;SW2受到采矿和农业活动的共同影响,其来源包括铵态氮、土壤氮和污水粪肥,GW主要来源于土壤氮和污水粪肥。MixSIAR 定量结果表明,矿山排水对靠近开采区的地表水(即SW1)的${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N贡献率平均值超过50%,其中65% ~ 94% ${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N来源于矿山排水中原生${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N的直接贡献,而在远离开采区的地表水中(即SW2),矿山排水的${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N贡献值递减至约30%。不确定性分析UI₉₀显示,大气降水的贡献率最为稳定,矿山排水、粪肥污水和土壤氮的贡献率存在较大的变异性。本研究揭示了离子吸附型稀土矿区硝酸盐污染的形成机制,为矿区氮污染的精准管控提供了科学依据。

大气降水向岩土体入渗是自然界的普遍现象,由于砂岩和黄土的水力学参数差异显著、砂岩含水率监测困难,限制了人们关于两者对降水入渗响应规律的认识。本文以我国北方云冈石窟为例,利用频域反射技术在4窟顶部裸露砂岩(洞窟内可以发生降雨入渗引发的渗水)、9窟山顶黄土(洞窟内未发生降雨入渗引发的渗水)分别开展多个深度含水率监测,对比二者对降雨事件的差异响应,同时采集洞窟壁面含风化产物岩石样品并利用X射线衍射仪(X-ray Diffractometer, XRD)开展矿物组分检测。监测表明,浅表层砂岩(深度10 cm)对大于10 mm的降雨事件可发生快速响应,含水率显著增大并接近饱和,而同等强度降雨仅能引起同等深度表层黄土(深度10 cm)饱水度达到约0.75,而220 cm处几乎无响应。矿物组分检测结果表明,历史上酸雨入渗至4窟,导致${\mathrm{SO}}_{4}^{2-}$的富集并形成泻利盐,进而主导了盐风化;前人于20世纪60年代采集的风化产物样品、近期的5~10窟壁面风化产物均未检测到硫酸盐,表明在顶部黄土的防渗作用下,洞窟未受酸雨入渗影响。本研究通过对比裸露砂岩和黄土对降雨事件的响应、有无黄土覆盖层洞窟的风化产物差异,揭示了黄土覆盖层具有很好的防渗性能,可以为未来的洞窟内文物保护提供决策依据。

镁(Mg)通常是陆地水体中的主量元素,多种水岩反应可能引起Mg同位素明显的质量分馏,因此Mg同位素具有示踪水岩反应的潜力。本文系统综述了硅酸盐、碳酸盐、蒸发盐和雨水端员的Mg同位素组成特征,指出硅酸盐具有较大δ²⁶Mg值,碳酸盐具有较小δ²⁶Mg值,各种蒸发盐δ²⁶Mg值变化范围较大,雨水δ²⁶Mg值则常受到局地环境的制约,这些端员的混合作用决定了水体的初始δ²⁶Mg值;黏土形成、碳酸盐沉淀、吸附和离子交换以及植物吸收等可去除水体中的Mg并产生Mg同位素分馏,其中,蒙脱石等黏土矿物形成、吸附以及植物吸收引起水体²⁶Mg贫化,绿泥石等黏土矿物形成、离子交换和碳酸盐沉淀引起水体²⁶Mg富集。地下水与河水的赋存环境和水岩反应时间差异也会影响水体δ²⁶Mg值,河水更新速度快,其Mg同位素组成主要受硅酸盐与碳酸盐矿物溶解、黏土形成、离子交换等过程控制;地下水更新速度慢,水岩反应也更加充分,其Mg同位素组成还可能受吸附作用控制。在径流距离较长的区域尺度含水层中,Mg同位素可以示踪碳酸盐岩和硅酸盐岩含水层流动路径上的多种水岩反应,水岩反应类型受矿物种类控制。本文对Mg同位素在水岩反应示踪方面的应用提出展望:(1)未来可考虑与K同位素联用,加强河水中吸附作用的识别;(2)加强不同岩性、不同尺度含水层中地下水Mg同位素沿流动路径的变化规律研究。

地下水污染羽的演变规律与存在状态是污染防控策略制定的核心依据,其不同演化阶段及空间分布特征直接影响治理措施的精准性和有效性。因此,揭示污染羽的动态演变机制及其主控因素,对实现地下水污染的科学治理具有重要理论价值和实践意义。地下水污染羽演化过程具有显著的时空异质性和复杂性,其各阶段的时间跨度和演化特征受到多重因素的共同影响,包括含水层污染物输入通量、污染物特性、地层岩性、地下水流场以及季节性变化等。这些因素的复杂交互作用使得污染羽的演变阶段识别和状态评估面临巨大挑战,目前国际学界仍缺乏系统化的定量评价方法。尽管数值模拟技术可预测污染物浓度的时空分布,但其难以直接表征污染羽的演化阶段,且对水文地质条件和污染物刻画的资料和相关参数要求很高,在多数实际污染场地的适用性受限。针对上述问题,本文考虑了地下水中常见的典型污染物(包括重金属和有机污染物),建立了地下水污染羽形成的科学判定方法;提出地下水污染羽的演变过程本质上是污染物的泄漏质量、地层介质的储存量、地下水中污染物的迁移量以及污染物的“破坏性”去除量(如微生物降解)等核心要素动态平衡的结果;基于此,构建了涵盖污染源、水文地质条件及污染物作用过程的“扩展期-稳定期-衰退期”多维度评判指标体系,并建立了污染羽存在状态的定量化评估方法。研究成果为地下水污染羽的阶段性识别与差异化治理提供了系统的理论框架和技术支撑,对推进地下水污染精准防控具有实际意义。

微生物反硝化是硝酸盐去除的重要方法。然而,传统的异养反硝化技术依赖外部有机碳源的添加,存在处理成本高、污泥产量大及碳排放强度高等问题。在“双碳”背景之下,寻找经济且环境友好的生物处理技术,成为低碳处理硝酸盐废水的核心问题。硫自养反硝化技术使用还原态硫代替有机碳源作为电子供体驱动生物反硝化过程。与传统异养过程相比,大幅降低碳排放强度和外源碳需求。本文基于硫自养反硝化技术原理与工程应用现状,系统比较了复合型硫基材料和高硫型材料的脱氮性能,讨论了实际应用中硫自养滤料的功能特性。并基于各类反应器在结构配置、物料特性、接触方式、微生物群落富集机制等方面差异,阐释了不同类型反应器在实际应用中的性能特征。在厘清反应体系运行特性的基础上,本文综述了自养反硝化技术在市政、工业、生态等脱氮领域工程规模的应用,探讨了硫自养反硝化技术在市政污水、高盐废水及人工湿地等多场景高效脱氮应用现状,量化了硫自养技术的运行成本及环境效益。最后,展望了未来硫自养反硝化的研究方向,通过材料开发、基因工程靶向调控推动工艺标准化以突破工程化瓶颈,最终构建低碳高效的硫自养脱氮技术体系,以期为硫自养反硝化技术的工程化应用提供重要参考。

地下水污染预警对于识别重点防控区域、保障地下水资源安全具有重要意义。以新疆哈密盆地绿洲区为研究对象,构建涵盖地下水固有脆弱性、污染荷载与功能价值的污染风险综合评价体系,并采用敏感度分析验证模型合理性。在此基础上,采用熵权TOPSIS方法评估地下水水质现状,结合典型监测井数据分析水质变化趋势。进一步引入博弈论综合权重法,耦合水质现状、变化趋势与污染风险三类指标,划分预警等级。结果表明:(1)研究区地下水污染风险整体较低,较高与高风险区域占比为9.7%,高风险区包气带岩性以砂砾石为主、透水性强,人类活动密集、地下水开采强度大且受到面源与点源污染的共同作用;(2)水质现状结果显示,Ⅳ类与Ⅴ类水占比为10.1%,地下水质量主要受到水文地质条件与人类活动双重因素影响。水质变化整体呈改善趋势,水质恶化区域仅占5.4%,工农业污染及生活污水排放是其主要驱动因素;(3)预警等级以无警和轻警等级为主,高警及重警区域占比为5.3%,可归纳为自然因素主导型、人类活动主导型和复合影响型。研究所构建的基于博弈论综合权重的地下水污染预警方法有效提升了预警等级划分的客观性与空间连续性,可为区域地下水污染分区防控与重点治理区识别提供理论依据与方法支撑。

针对地下水环境中日益严重的硫酸盐污染问题(主要源于采矿、化工等工业活动及农业面源污染),本研究提出并验证了一种基于铁碳微电解与PVA-SA固定化技术的硫还原-固定-资源化闭环处理新方法。通过构建模拟含水层环境的上流式填充反应柱,系统对比了石英砂(控制组)、PVA-SA包埋麦饭石(Ma组)和PVA-SA包埋铁碳-麦饭石(FeC-Ma组)对硫酸盐的长期去除性能及硫固定效果。结果表明:FeC-Ma组出水硫酸盐浓度稳定维持在136.1 mg/L(平均去除率90%),显著优于控制组(230.3 mg/L, 80.4%);铁碳微电解通过原位生成FeS沉淀将硫化物高效固定于凝胶基质,第Ⅰ阶段(HRT=2 d)出水硫化物浓度仅2.1 mg/L(控制组为182.5 mg/L),持续运行40天后仍保持70%固定效率;宏基因组分析进一步揭示,硫酸盐还原阶段FeC-Ma体系通过协同富集完全氧化型硫酸盐还原菌(如Desulfococcus)、上调异化还原基因簇(aprA/B-dsrA/B)表达,并抑制产甲烷菌(Methanothrix丰度降低52%),驱动硫定向沉淀;基于固定硫作为电子供体开展的独立硫自养反硝化实验,成功实现硝酸盐高效还原(出水${\mathrm{NO}}_{3}^{-}$-N浓度<5 mg/L),硫元素回收率达82.1%。该技术为地下水硫酸盐污染治理与硫资源回收提供了高效解决方案。

地下水有机污染是全球可持续发展与水安全的长期威胁。裂隙基岩(包括裂隙化多孔介质沉积岩、火成岩、溶隙化碳酸盐岩)含水层分布广泛,是挥发性有机物(VOCs)污染的主要对象之一。量化裂隙介质中VOCs的传输扩散过程,对环境系统保护与资源安全利用至关重要。然而,在较大尺度条件下此类建模往往高度复杂,实现对污染物传输扩散通量的快速、便捷与精准预测,仍面临巨大挑战。基于此,本文分析了裂隙介质VOCs传输扩散通量建模的复杂性及高效精准预测的难点,针对性地阐释了裂隙介质VOCs传输扩散通量高效预测综合建模框架,并给出了高效统计替代模型建模框架与高效智能预测模型建模框架的应用案例。最后,提出了裂隙介质VOCs传输扩散通量高效精准建模未来需进一步研究的重要问题及瓶颈突破路径,包括:裂隙网络中VOCs传输扩散通量高效预测等效降维建模方法、基于知识图谱的多维度深度融合综合建模、基于仿真模拟与本构/统计关系数据强化驱动的人工智能建模,以及基于应用场景条件与综合建模框架的裂隙介质VOCs通量高效精准预测智能化建模软件系统。本文所提出的综合建模框架、典型案例建模流程及未来应深入研究的突破方向与途径,有助于解决复杂条件地下水环境系统VOCs多相态污染物关键界面通量高效精准预测与量化难题,可望为地下水污染高效修复与风险优化管控提供重要支撑。

微纳塑料(micro/nano-plastics,M/NPs)在多孔介质中的迁移与滞留机制是土壤与地下水污染领域的重要问题,然而受当前可视化技术的限制,两相流条件下M/NPs迁移与滞留过程的细观机理尚不明确。本研究基于三维可视化实验平台,直接观测并量化了渗吸条件下M/NPs在孔隙空间中的分布特征,重点分析了驱替结束后其在多孔介质骨架颗粒接触区、固相表面及液-液界面的滞留规律,探究了M/NPs粒径与驱替流量对其空间分布的控制机制。结果表明:M/NPs粒径通过改变M/NPs-固相表面与M/NPs-流体界面间的相互作用能来主导其滞留位点的选择;而M/NPs间的相互作用能大小是决定其能否聚集成团簇并滞留在孔隙空间的关键因素;驱替流量则通过改变固相-湿润相界面面积影响其滞留总量。此外,M/NPs滞留在多孔介质中不同点位的主导机制不同,其在多孔介质骨架颗粒接触区的滞留主要受筛分作用控制,而在固相表面与液-液界面处的滞留则主要依赖于界面吸附作用。在高剪切条件下滞留在固相表面的M/NPs可能会脱落,而骨架颗粒接触区作为低速区,其聚集团簇数量随流速增大而增加。本研究揭示并量化了M/NPs粒径与流速对其迁移滞留的作用机制,可为预测土壤和地下水等多相流体环境中污染物的迁移与归宿提供重要的理论依据。

多酚和铜绿假单胞菌是还原和固定Cr(VI)常用的不易产生二次污染的修复剂。这一过程的动力学受各种环境因素的控制,但这些因素对Cr(VI)修复转化的影响尚不清楚。本研究聚焦于在地下水环境中其表面受硅离子掺杂与改造的水铁矿颗粒,对多酚和细菌还原Cr(VI)的动力学影响。通过构建不同还原六价铬体系(包括二元、三元、四元)的室内对比批实验,探究水铁矿表面的硅离子掺杂程度对该过程的作用。三元体系(含硅水铁矿-多酚或细菌- Cr(VI))显示,多酚与Cr(VI)的快速络合还原显著提升了初期去除效率(最高可达 87%),但后期依赖含硅水铁矿的持续吸附能力;细菌通过分泌胞外代谢产物(EPS)促进 Cr(VI)的还原与稳定化,降低了硅掺杂影响水铁矿对Cr(VI) 吸附的敏感性。四元体系(含硅水铁矿-多酚-细菌- Cr(VI))中,多酚-细菌协同抵消部分硅掺杂的抑制作用,维持更高 Cr(VI) 去除效率,多酚发生降解或被氧化,含硅水铁矿为细菌提供栖息环境。

酸性铀污染地下水是全球亟待解决的重大环境问题。原位生物修复因其经济性与可持续性等优势,成为极具潜力的治理策略。本文系统解析酸性铀污染地下水原位生物修复的技术原理、现存问题与发展方向:追溯铀采冶活动引发的酸性污染成因,阐释金属还原微生物作用的代谢特征及原位修复技术发展历程,评述生物还原(核心)、生物矿化(稳定固化)、生物吸附(快速截留)和生物累积(资源化潜力)等多元固铀机制;剖析极端酸性环境(pH<4.0)、竞争性电子受体(硝酸盐等)、寡营养环境、微生物群落动态演替及U(IV)产物稳定性等关键制约因素,提出针对性解决策略;未来应以自主适应微生物群落构建、稳定性强化技术(如晶态U(IV)生成调控)与多机制协同融合(生物-化学耦合、电子供体智能投送等)的创新研究为方向,以提升复杂酸性系统中修复效能与长效性。

针对数据不完备条件下的岩体人工裂隙准确表征的挑战,结合深部地热储层裂隙表征情境,建立了融合微地震和水文数据的裂隙结构表征技术,显著提升裂隙表征可靠性和准确性,成为人工裂隙表征的新途径。本文综述融合微地震和水文数据的裂隙结构表征技术,包括等效连续介质假设下微地震和水文数据顺序反演、联合反演,以及离散裂隙介质假设下微地震和水文数据顺序反演理论与方法,结合工程尺度案例,对比分析不同方法的优势和劣势,评述技术发展所面临的挑战并总结未来发展趋势,以期建立更加完善的融合微地震和水文数据的裂隙结构表征技术体系,提升岩体裂隙刻画精度,为裂隙影响下的地质工程风险预测和管控提供支撑。

基于“冷壳冷幔”的理论认识,新疆一直被认为是地热资源相对贫瘠的地区,其总体勘查和开发利用情况远落后于内地。第三次新疆综合科学考察课题“地热等清洁能源资源综合调查与评价”在收集整理全疆地热已有成果的基础上,重点开展野外补充调查,新发现了地热点位11处,补充确定了地热资源赋存形式2种,估算新疆地热资源量折合超过18亿吨标准煤。调查结果显示,新疆地热资源主要分布于盆间隆起山地,与其主要人口分布保持高度一致,而较少的人口基数决定了新疆人均地热资源量较高,反而说明了其具有较大的开发利用潜力。新疆地热资源表现出“北疆禀赋差,南疆禀赋好”的分布格局:北疆天山、阿勒泰山地区广泛发育以断裂深循环成因的中低温水热型地热资源,而在南疆帕米尔高原,受印度-欧亚板块碰撞的影响,形成了目前新疆唯一发现的高温地热资源。然而,新疆地热资源开发利用整体水平相对较低,开发利用方式单一,以洗浴保健和旅游疗养为主,且主要在经济发展较好、交通较方便的北疆,南疆地热开发利用程度较低。通过本次科学考察摸清了新疆地热资源分布与开发利用现状情况,结合新疆国土空间规划,围绕新疆“双碳”发展战略,课题组提出新疆地热能源资源开发利用路线建议:在南疆塔什库尔干塔吉克自治县等地区推动“地热发电+综合利用”发展,在北疆温泉县等地区大力推进“地热+”综合能源开发,在乌-昌-石城市群全面深化浅层、中深层岩土地热能利用。

深部水文地质学是地球科学领域近年来快速发展的前沿方向,主要聚焦于地下数百米至数千米深度范围内的基岩裂隙含水系统。随着我国深部资源能源开发、环境保护与空间利用需求的不断增加,对深部地下水系统的认知程度与调控能力已成为支撑国家战略的关键科技问题。本文系统综述了深部水文地质学的研究进展,重点阐述了深部裂隙介质渗流的关键科学问题、研究方法与工程实践。首先,提出了深部水文地质学核心科学问题:深部地下水的来源与年龄、深浅层水循环相互作用机制、高度非均质含水系统表征、深部流体与工程相互作用以及深部生物圈影响。其次,系统梳理了深部裂隙介质渗流研究的关键方法与技术,包括实验室尺度的高精度观测与测试技术、现场实验与长期监测手段、多尺度数值模拟与多场耦合建模技术,以及多学科集成与人工智能研究范式。第三,聚焦典型工程背景,深入探讨了四类深部水文地质问题的研究进展:(1)深部低渗岩体裂隙渗流,以高放废物地质处置为例,分析了北山预选区深部地下水系统特征与水文循环模式;(2)深部低渗岩体裂隙溶质运移,以页岩气水力压裂为例,探讨了深部流体向上迁移的水文地质控制机制;(3)深部流体反应溶质运移,以深层碳酸盐岩储集空间为例,揭示了深部热液流体对储层改造的主控作用;(4)深部裂隙热流耦合,以增强型地热系统开发为例,分析了多场耦合作用下储层裂隙演化与热开采持续性的主控机制。最后,展望了深部水文地质学六大未来研究方向,包括深部观测技术系统建设、高精度裂隙渗流建模、多场耦合模拟能力提升、地球物理成像与水文融合、高分辨率水化学分析以及人工智能与大数据集成。本文对深部水文地质学理论、方法与应用的全面总结,旨在为高放废物地质处置、页岩气开发、二氧化碳地质封存、增强型地热系统以及深层至超深层油气资源开发等深部地质工程提供理论指导与技术支撑,为深部地下水资源的可持续管理与环境安全评价提供科学基础。

随着深部资源勘探、地热能源开发和核废料地质处置等工程活动的深入推进,地下水在高地应力高温环境下的渗流行为成为研究热点,进而关于如何构建适用于高地应力高温条件的多物理场耦合理论模型,以准确反映在真实地应力和温度条件下水-岩相互作用、裂隙形态演化与流体特性变化的动态过程成为重点关注的问题。本文系统综述了高地应力高温条件下地下水渗流的基本理论、实验研究与数值模拟进展,重点阐述了传统立方定律在裂隙渗流模拟中的适用性与局限,并介绍了非达西流与广义达西流的理论拓展,分析了地应力与温度对渗透率的耦合调控机制;总结了多项地应力与热力耦合实验成果及其渗流参数演化规律,探讨了数值模拟中地应力主导下裂隙几何形态演变与渗透通道演化过程;评价了高温环境下矿物热膨胀、热破裂与裂隙粗糙度变化对渗流路径的影响,评估了热-水-力耦合模型及数据驱动方法的预测潜力;评述了当前理论模型在高地应力高温多场耦合机制、裂隙尺度效应及长期演化方面仍存在不足,展望了未来的研究方向。

作为“亚洲水塔”的青藏高原,其地下水对于维持长江、黄河、雅鲁藏布江、怒江、澜沧江等亚洲大江大河的流量稳定、保障区域生态系统健康、确保数亿人口用水安全具有不可替代的作用。然而,相对于地表水和冰川-冻土,青藏高原地下水研究十分薄弱。少数研究利用GRACE卫星数据反演,量化了地下水储量变化的发展趋势;部分研究揭示了冻融条件下局部区域地下水动态特征及生态环境效应。本文在对相关文献进行系统梳理的基础上,总结了青藏高原地下水类型及分布和地下水利用现状,粗略估算了地下水储量和地下水资源量,揭示了冰川-冻土特殊环境下地下水-地表水相互作用规律。最后,提出了青藏高原地下水研究存在的主要科学问题,包括浅表固态-液态水转化通量和机制、青藏高原地下水循环深度、青藏高原地下水储量及其变化机制。这些科学问题的解决将提升对特殊气象水文、剧烈起伏地形地貌、复杂地质构造和水文地质条件下地下水赋存规律、循环特征及水热耦合过程等理论认识,进一步丰富水文地质学的理论体系。

20世纪末以来,我国南方表层岩溶水与石漠化综合治理的相关性研究推动了我国生态水文学的形成与发展。取得的突出研究进展包括:(1)是开展了高度依赖地下水的岩溶生态系统研究,岩溶生态系统普遍发育浅根系和深根系这二态根系,有的深根可达100多m,完全依赖岩溶地下水,但依赖程度因水文地质条件而异。(2)是生态系统对岩溶水的调蓄功能研究,生态系统对表层岩溶带水资源具有调蓄功能,特别是水源林对于表层岩溶水资源的涵养具有重要价值,使表层岩溶泉成为西南岩溶山区居民分散供水的主要水源;此外,生态调控促进了岩溶水资源的可持续利用。(3)是岩溶关键带结构及生态水文模型研究,阐明了岩溶关键带及结构的特点,建立了岩溶生态水文耦合模型,推动岩溶区水资源调控和水土漏失有效防治。岩溶关键带“六水循环”、岩溶关键带生态水文监测网络、极端气候和人类干扰下岩溶生态水文的响应过程是下一步的重要研究方向。

我国华北煤田古岩溶分布规律与发育程度是控制深部岩溶流体储存与运移的关键地质因素。研究其发育特征、影响因素和成因,对于评价煤田内部岩溶的富水性和渗透性至关重要,对煤矿开采中岩溶水害防治也具有十分重要的意义。以华北煤田南部的淮南煤田奥陶系古岩溶为对象,采用野外地质调查、钻孔取心与显微鉴定、地球物理勘探、岩石地球化学等方法,系统调查与研究了奥陶系古岩溶分布、发育特征及控制因素,并结合区域沉积史、构造演化史以及古水文等,研究了奥陶系古岩溶发育特征及形成过程。结果表明,淮南煤田奥陶系古岩溶主要分为沉积岩溶、后生岩溶和构造带岩溶3种类型,以角砾岩、裂缝、孔洞、溶洞以及岩溶陷落柱等5种形态存在,多分布于距奥陶系风化壳0~50 m范围内,其内部充填物可分为岩屑物质、化学胶结物质和混合物质3类。古岩溶发育程度受碳酸盐岩岩性与结构、成岩地质作用、地质构造演化、古水文等因素控制。奥陶系古岩溶形成从碳酸盐岩沉积弱固结成岩阶段,到抬升风化剥蚀阶段,到晚燕山运动时期构造作用阶段,其形成过程中除了接受古大气淡水淋滤作用外,还与深部热液活动作用相关,不同类型的古岩溶是多期次岩溶改造作用的结果。

全球岩溶分布面积约2 000万km²,其地下水资源约占全球地下水资源量的26.4%。在岩溶区CO₂-H₂O-CaCO₃相互作用的系统中,碳酸盐岩的溶蚀(风化)成为地球表层快速且大量吸收大气CO₂的重要表生地质过程,大量的CO₂被吸收进入岩溶地下水系统,成为表层地球系统固碳的重要环节。岩溶碳循环受水循环过程的驱动,水体赋存位置及水文状态在一定程度上决定了岩溶碳循环的途径、效率、强度以及碳汇效应。本文在总结岩溶地下水系统基本特征的基础上,围绕碳的来源、碳的动态和碳的固定三个关键过程,分析了近年来岩溶地下水系统碳循环的进展。岩溶地下水系统具有多空间维度的非均质性、含水层结构的不稳定性、水文状态的高度变异性、地下水地表水转换频繁、防污性能弱、易受污染等特征,形成了特殊的水循环过程,并控制了系统的碳循环过程。岩溶地下水系统中碳主要有溶解无机碳(DIC)、颗粒无机碳(PIC)、溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)4种,它们的含量是内源碳和外源碳动态平衡的结果,其来源和贡献比受区域气候、地质、水文、生态等条件和生物活动等过程的共同影响。岩溶地下水系统DIC的动态变化受到CO₂效应、稀释效应、活塞效应的影响,并且受水文地质条件和水-岩-气相互作用程度的影响存在显著的空间变化,而OC的变化主要取决于源效应和水文效应。自养微生物的碳同化作用、生物碳泵效应、微型生物碳泵效应是岩溶地下水系统中的主要固碳机制,具有较大的固碳潜力。未来,应进一步关注分布式水-碳耦合循环模型构建、岩溶地下河系统吸碳-稳碳-固碳-储碳全流程的监测及分析技术体系构建和岩溶地下水系统固碳增汇的人工调控模式等方面的问题,可为深入理解岩溶地下水系统的碳循环过程,准确评价岩溶区的碳收支,维护岩溶区生态安全及实现“碳中和”目标提供新的科学认知。

海岸带地下水循环是陆海交互带水动力过程与生态环境演化的关键环节,其动态演变受自然与人类活动的双重驱动,并对沿海地区的资源、生态与可持续发展产生深远影响。本文系统综述了滨海地下水循环及其环境效应的研究进展,重点探讨了以下内容:海岸带水循环的多尺度过程,包括地表水-地下水相互作用、潮汐驱动下的地下水流动态及陆海界面水文交换;地下水循环演变的驱动要素,涵盖气候变化(包括降水格局改变、海平面上升)、人类活动(包括人口经济增长、土地利用变化、流域水资源开发)以及地质地貌的控水机制;地下水文过程引发的环境效应,包括营养物质与污染物迁移对近岸水质的调控、海水入侵与土壤盐渍化的生态威胁、海底地下水排泄(SGD)对海洋碳\氮循环的贡献,以及超采引发的地面沉降灾害;阐释了我国海岸带相关的环境效应特征。提出未来研究应加强高分辨率监测、多过程耦合模拟、人地系统协同管理与碳中和背景下的生态效应评估,支撑海岸带水资源安全保障与生态保护战略实施。

岩溶裂隙发育具有高维、非线性及空间异质性特征,如何刻画裂隙的空间展布是岩溶发育规律研究的难点。以多源数据驱动的机器学习建模方法可以有效捕捉裂隙系统中隐含的非线性、非连续的特征,从而显著地提高裂隙识别与刻画的效率与精度。本研究以北京市房山张坊地区为研究对象,基于翔实的野外裂隙实测数据,系统融合了地表地形信息、区域构造背景、地层岩性分布以及地下水位等多源数据集。利用机器学习框架构建了一套综合性的定量化特征体系,该体系涵盖了断层空间影响、地层岩性组合特征、地下水埋深变化以及高精度地形衍生属性(如坡度、曲率等)等多个维度的指标。重点研究对比了支持向量回归、极致梯度提升树及随机森林这三种机器学习方法,旨在预测研究区内岩溶裂隙的发育与空间分布情况。结果表明,基于随机森林构建的预测模型表现最为优异。该模型的裂隙密度、节理走向与倾角的模拟结果与实测统计数据最符合,模型表现最为稳健,具有良好的泛化能力和方法适用性,在表达多期次裂隙发育等复杂地质过程方面具有独特优势。本研究的结果揭示,将数据驱动模型与深入的地质机理分析相融合,是突破复杂岩溶系统定量化表征与预测难题的一条有效途径。

岩溶地下水是北方岩溶区重要供水水源,准确预测其水位动态对地下水资源科学管理和保护具有重要意义。但岩溶含水系统具有强烈的非均质性和各向异性,导致其水位动态往往体现出非平稳及非线性波动状态,造成进行地下水位预测时易产生较大误差。论文提出一种耦合注意力机制(Attention)和长短时记忆(LSTM,Long Short-Term Memory)神经网络的多变量趵突泉地下水位预测模型,利用泉域2013—2024年日降水(代表补给项)及水汽压、日气温和开采量(代表排泄项)进行模型训练和预测,结果表明:①采用BEAST(Bayesian Estimator of Abrupt Change, Seasonality, and Trend) 算法对1958—2024年趵突泉水位时间序列进行分解,共识别出四个突变点并以此为依据将水位动态划分为四个阶段;②互相关分析揭示降雨和趵突泉水位动态变化之间存在2~3个月的时间滞后,表明两者之间动态变化较为一致;③所提出的预测模型以多种变量(降水量、水汽压、气温及开采量)作为模型输入,不同变量间的交互作用可相互验证,能有效提升预测精度;④采用正弦函数拟合日气温数据,可消除测量误差影响,能在一定程度上提高预测精度;⑤相较于单一LSTM神经网络和门控循环单元(GRU)神经网络,LSTM_Attention神经网络由于引入注意力机制,能聚焦更重要特征的影响,从而显著提高预测精度,其水位预测RMSE和R²值分别为0.13 m和0.94。总体来说,本文所提出的LSTM_Attention神经网络岩溶地下水位预测模型具有较强的准确性和稳定性,可为岩溶地下水位精确预测提供借鉴。

模型结构和参数取值的不确定性是制约地下水模型仿真精度和实现高精度管理应用的关键因素。针对这一问题,本文提出了一种基于观测井观测数据的地下水水头模拟误差补偿校正方法。该方法首先对观测井的模拟水位进行误差校正,再利用反距离插值技术估计误差的空间分布,最后将误差补偿应用于模型中其他网格点,实现整体模拟精度的提升。研究基于自主研发的地下水流数值模拟软件,设计了三种真实非均质介质、定流量和变流量抽注水、不同开采井和观测井数量组合的多种模拟情景,系统评估了均质水文地质模型误差补偿校正方法对水头模拟的效果。结果表明,误差补偿校正后的观测井水头模拟精度显著提高,且精度提升程度与渗透系数的平均值成反比、与其方差成正比。在多井抽水注水及强非均质变流量条件下,均方根误差由1.5 m降至0.25 m。通过对多种校正点数量情景的比较分析发现,所提出的方法在校正点位置的模拟效果显著提升,但对空间范围内地下水水头的整体模拟效果提升较为有限。研究方法可提升已识别地下水数值模型的模拟精度,具有较好的推广应用价值。

精准刻画与监测地下水中污染物的时空特征是实现高效准确治理的重要任务。地下水系统的隐蔽性与非均质性限制了污染分布特征与运移规律的精准刻画。地球物理方法具有非侵入、低成本、高效率和信息连续等诸多优势,已成为刻画与监测地下水污染的重要手段。本文综述了地下水污染领域中较为成熟的地球物理方法,梳理了方法的原理、模型与研究范例。结果表明,针对地球物理方法应用中的不确定性问题,已发展了诸多机理模型、反演技术以及多源数据融合方法。结合室内柱实验与微观扫描等技术建立了污染介质作用下多孔介质地球物理响应的解译模型;开发了一系列映射水文地质参数与地球物理数据的岩石物理模型,实现了场地尺度由地球物理数据直接反演污染物浓度的可能性;在反演方法上发展了基于结构约束等先验信息的反演方法,降低了结果的不确定性;通过数值模拟新方法实现了多源数据的融合与耦合模拟。未来研究需要在微观孔隙尺度上深入探究污染物的运移机理,并建立参数统一的地下水污染地球物理响应数据库。同时,通过结合人工智能与数据同化等新技术,可以更精准、全面的描述、预测和管理地下水污染场地。

在全球变暖与人类活动加剧的背景下,定量解析青藏高原地下水储量时空演变是揭示“亚洲水塔”水循环变化机制的关键环节。联合重力卫星GRACE/GRACE-FO、全球陆面过程模型和全球水文模型反演青藏高原东部地下水储量变化,并将反演结果与基流分割所得结果进行对比验证。重力卫星数据反演结果表明,2003—2022年,青藏高原东部的陆地水储量变化以土壤水为主(贡献率为48.45%),其次是地下水(贡献率为32.69%),其中3个子流域(长江上游、雅砻江、大渡河,面积占比为52.7%)的陆地水储量变化以土壤水占主导,其余7个子流域(面积占比为47.3%)的陆地水储量变化以地下水占主导。青藏高原东部的地下水储量变化呈显著增加趋势((2.11±0.57) mm/a),青藏高原东部10个子流域中,7个子流域的基流分割所得地下水储量变化与重力卫星数据反演结果均呈增加趋势(相关系数r=0.78),但基流分割得到的地下水储量变化趋势明显偏小,其可能原因包括:基流退水过程中集水区面积的持续缩减;基于数值模拟的基流分割方法对研究区基流的系统性低估;重力卫星数据处理过程中的误差。多元回归分析结果显示,降水、气温和向下短波辐射共同驱动了研究区地下水储量增加趋势。

地下水是全球淡水资源的重要组成部分,是保障可用水资源安全、生态系统稳定与人类社会可持续发展的关键支撑。作为一个深埋地下、动态变化且高度非均质的自然系统,地下水系统的观测、建模与管理长期面临诸多挑战,例如监测点位分布稀疏和分布不均、物理过程高度非线性等。近年来,随着以机器学习方法为主的人工智能技术在特征提取、高维非线性建模和优化求解等多方面展现出的巨大潜力,推动地下水科学正逐步迈向数据驱动与智能建模相融合的新阶段。本文围绕地下水科学中的三类核心科学问题——要素刻画、过程建模与管理优化,系统性综述了机器学习在地下水研究中的典型应用场景与前沿进展,涵盖含水层结构刻画、水位水量与水质分析、正演预测、反向模拟、机制融合与地下水水资源管理等,并在此基础上归纳了以“科学问题-数据驱动-模型选取-结果分析”为核心的机器学习方法在地下水科学中的研究框架。针对当前研究仍面临的若干关键挑战,如物理约束融合不足、模型泛化能力弱、结果可解释性差等问题,本文进一步探讨了未来的发展方向,包括多源异构数据融合、物理先验嵌入与因果推理方法等。本文旨在为地下水科学中机器学习方法的应用提供研究框架,并为融合机器学习的地下水智能化发展进行展望。

近年来,物理信息神经网络(physics-informed neural networks,PINNs)在数值求解偏微分方程和计算流体力学等领域得到了广泛应用,并在地下水模拟中展现出初步的应用潜力。现有研究中,PINNs对地下水模型边界条件的处理通常采用软约束算法,通过边界条件误差最小化来近似满足物理约束。然而,能够进一步提升求解精度和稳定性的硬约束算法在该领域的应用仍较为有限。为此,本文引入PINNs硬约束方法,提出了一种同时考虑定水头边界和隔水边界条件的PINNs硬约束算法,并以二维承压含水层的渗透系数场反演为例,对比分析了硬约束PINNs相较于软约束PINNs在提高渗透系数场反演精度方面的优势。结果表明,所提出的硬约束PINNs方法的反演平均相对误差相比软约束PINNs降低了75%,且相较于仅考虑定水头边界的硬约束PINNs反演平均相对误差减少了60%。此外,该方法能够有效减少训练所需样本数量和超参数数量,降低人为因素对模型训练的影响,提升了训练效率。因此,该硬约束PINNs方法在含水层渗透系数场反演中展现出良好的精度与效率,具有良好的推广应用前景。

绿洲作为干旱区生态安全的核心载体,其稳定性高度依赖地下水资源的可持续性,地下水潜力区的精准识别能为干旱区水资源优化配置提供决策支撑。本研究将民勤盆地作为西北干旱区内陆河流域的典型绿洲系统,提出了一种融合数值模拟和机器学习的干旱区地下水潜力综合评价方法。通过地下水数值模拟获取高精度的地下水埋深空间分布以及渗透系数、给水度两个关键参数,综合考虑气象、水文、土地利用、地形和地质5大类共18个影响因素,分别采用6种机器学习模型,系统评估了地下水潜力空间分布特征。研究结果表明:绿洲区地下水潜力呈现南高北低的空间格局,LightGBM模型(准确率为87.87%,F₁分数为0.716,AUC为0.943)预测地下水潜力表现最优,XGBoost和随机森林次之,支持向量机、K近邻和BP神经网络的预测性能则相对较弱。在此基础上,通过随机森林、XGBoost和LightGBM 3个树模型计算特征重要性,结果显示地下水埋深(权重17.1%~18.5%)是影响民勤绿洲地下水潜力的关键主控因素,其次是潜在蒸散发(12.5%~14.2%)、大气降水(8.6%~12.5%)、NDVI(6.2%~12.8%)及地表高程(6.7%~11.4%)。本文提出的研究方法适用于干旱区的地下水潜力多参数评估体系,为干旱区绿洲地下水资源评价提供了科学依据。

热示踪技术作为获取多孔介质渗透特性与热力学参数的重要手段,在水文地质领域应用十分广泛。然而,传统热示踪方法严重依赖监测井内的点尺度温度探头数据,难以重构多孔介质传热过程的空间结构。针对传统热示踪试验点尺度温度探头数据在传热过程刻画时的空间分辨率不足问题,本文在低渗透介质热示踪试验中引入高密度电阻率法(electrical resistivity tomography,ERT)。通过开展热示踪与高密度电阻率法联合监测,探究ERT在低渗透介质热示踪试验过程中提高传热过程监测空间分辨率方面的效果。此外,本文建立了黏土地层电阻率-温度的定量反演方法。通过数值模拟正演验证了该方法的可靠性,并对影响可靠性的因素进行了分析。研究结果表明:由ERT监测得到的电阻率反演温度数据在以传热过程为主导的区域(监测井位置),与地下水温度变化趋势与幅度具有一致性;在以局部热对流为主导的区域(注水井位置),与地下水温度变化趋势一致,证实了ERT在弱透水层传热过程监测的可靠性。同时,通过ERT成功识别出优势通道或热敏感区,证实其对地下非均质性具有高度敏感性,能够显著提升热示踪试验传热过程的空间分辨率。本文构建的电阻率-温度反演方法为低渗透介质热示踪提供了新方法,证实了ERT技术能够弥补传统热示踪试验传热过程空间分辨率不足的问题。