长岛地下水动态特征及脆弱性评价
文献类型：学位论文
| 作者 | 张康 |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 韩冬梅 |
| 关键词 | 基岩海岛 地下水动态 地下水—海水相互作用 数值模拟 地下水脆弱性评价 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 海岛是我国领土的重要组成部分，是海陆兼备的重要海上疆土。作为我国国防前沿和海洋生态系统的重要组成部分，海岛有着很高的安全、经济和环境价值。山东长岛是中国北方地区的典型基岩海岛，水文地质条件独特，人类活动和气候变化不同程度地影响着海岛地下水动态过程，地下水与海水之间存在着复杂、密切的相互转化关系。然而对包括海水入侵（SWI）和海底地下水排泄（SGD）的水文过程的定量认识比较缺乏。因此，研究基岩海岛地下水动态特征并对地下水脆弱性进行评价，对于保护和管理海岛地区地下水具有重要意义。 本文以山东长岛地下水为研究对象，基于研究区长期的水位、水化学监测数据，分析地下水水位及水化学动态特征，估算地下水与海水相互作用的定量结果，分析地下水动态的主要驱动因素；利用GMS软件构建地下水流及溶质运移数值模型，模拟地下水位分布及Clˉ运移变化，探究禁采前后地下水均衡状态的变化；结合数值模拟结果对地下水脆弱性进行评价，预测不同区域未来发生海水入侵的难易程度。本文得到的主要结论如下： （1）地下水位动态主要受到降水和开采的影响，地下水位对降水事件存在1个月左右的滞后性，地下水位变化存在突变时间点。水位波动主要受2019年10月起施行的禁采政策影响，地下水开采量减少，促进了地下水位抬升。地下水位负值区主要分布在北长山岛南岸和南长山岛西岸，高值区主要分布在南长山岛东北岸和南岸。北长山岛地下水主要流向为由北向南，南长山岛地下水主要流向为由东向西。 地下水水化学动态主要受到海水入侵和人为污染的影响。南长山岛南岸的大部分地区和东北岸局部地区没有发生海水入侵，海水入侵从西南岸和西岸（长岛港以南约1.5 km处）向岛内发展，入侵程度为轻度；北长山岛东南岸海水入侵程度为严重入侵。NO3-N浓度高值区位于南长山岛中部居民聚集区及北长山岛北部的旅游开发区。约40%的地下水样受人为污染影响显著，约15%地下水样受海水入侵影响显著，约5%的地下水样同时受到人为污染和海水入侵的影响。人为污染是主要的地下水污染来源。 南长山岛东北岸、南岸的大部分地区，地下水向海排泄过程较稳定，地下水向海排泄速率均值为0.2 m/d，向海NO3-N通量均值为81.8 mmol/(m2·d)；北长山岛东南地区地下水位长期低于海平面且逐年下降，海水入侵速率均值为0.3 m/d，向陆NO3-N通量均值为69.6 mmol/(m2·d)。北长山岛SGD水量平均值为2.7×104m3/d，南长山岛SGD水量平均值为0.8×104m3/d，这一计算结果也在水均衡计算中得到应用。通过水均衡方法对地下水可开采量进行估算，禁采前后，地下水仍维持负均衡状态，但ΔW有所增大，SGD是无开采时期地下水最主要的排泄项。 （2）地下水流数值模拟结果显示，地下水位负值区主要分布在南长山岛西南部，北长山岛水位负值区主要集中在北部沿海和南部沿海。9月初南长山岛地下水位在东南部和南部丘陵区均有明显的抬升。北长山岛的地下水高值区范围逐年缩小，与W2监测井周围地下水位的持续下降有关。基于数值模拟的水均衡计算结果表明，禁采前和禁采后两个时段，北长山岛地下水均为负均衡状态，但禁采后补排差有所上升，这与北长山岛的水位分布结果相互印证；南长山岛地下水由禁采前的负均衡变为禁采后的正均衡状态。对比分析了数值模拟结果与达西算法计算的结果，达西算法的SWI项和SGD项计算结果偏大，仅可用于初步估算。两种方法计算的结果在数量级上保持一致，计算结果可以互相验证。 地下水溶质运移模拟结果表明，禁采前后（2019年底）研究区SWI和SGD的变化趋势有显著差异。禁采前，SWI和SGD流量此消彼长，禁采后，地下水向海排泄为这一时段南、北长山岛的主要过程。地下水开采除了作为排泄项直接改变地下水量，还通过改变地下水水力梯度，对SWI和SGD流量产生影响，从而间接影响地下水水均衡状态。预测到2040年，Clˉ浓度高值区（蓝色部分）逐渐缩小，Clˉ浓度低值区（红色部分）逐渐加宽，研究区海水入侵进入缓慢回退阶段。 （3）基于改进的GALDIT模型对研究区的地下水脆弱性进行评价，通过引入数值模拟结果并改进指标权重，提高了GALDIT模型的科学性和准确性。 整体来看，地下水脆弱性较高的地区位于南长山岛的东南部、北部和西北部沿海地区，以及北长山岛的北部、南部沿海地区；地下水脆弱性高的区域与地下水位标高（L）赋值结果基本相似，预测禁采后一段时间内地下水位低的沿海地区，地下水受海水入侵的可能性仍然较高，可以采取人工补给的方式加速水位抬升和咸水回退的过程；南长山岛西南部沿海区域，地下水脆弱性等级为中等-低脆弱性，预测该区域未来海水继续入侵的可能性较小，禁采后该区域有水位抬升、地下水淡化的趋势，适合作为苦咸水淡化站取水位置。 本研究利用数理统计、空间插值、数值模拟相结合的方式，分析了基岩海岛地下水与海水相互作用过程的定量特征，预测了禁采后地下水脆弱性的空间分布，研究结果可为我国基岩岛屿水资源开发利用和管理、水安全保障和生态保护提供理论支撑和科学指导。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 107 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199713]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张康. 长岛地下水动态特征及脆弱性评价[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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