李志教授团队解析了黄土区降水-土壤水-地下水连通性及变化机理

　　 　　

生态修复和人口快速增长显著增加了黄土高原的生态耗水和生产生活用水，对深厚黄土中的“土壤水库”和“地下水库”产生重要影响，进而导致地下水位下降和河川径流减少，加剧了水资源的供需矛盾。此背景下，亟需明确黄土高原地下水文过程的演变机理，特别需要解析地下水的来源和归趋。然而，黄土区地下水的补给机制仍存在争议，地下水排泄时空演变的机理研究尚不充分。

针对以上问题，李志教授团队通过大量野外样品采集和实验，结合传统水文监测和多种同位素联用的示踪技术等手段，在解析地下水补给机制和排泄的时空演变方面取得系列进展，在Journal of Hydrology和Science of the Total Environment等学术期刊上发表多篇论文。

为明确深厚黄土中潜水的补给方式，选择多个典型黄土塬区，考虑大气、包气带、饱和带的多种水体和含水层，采集降水、土壤水、潜水和承压水，测定水化学指标和多种同位素组成(δD、δ¹⁸O_water、δ¹⁷O_water、³H、δ³⁴S、δ¹⁸O_sulfate、δ¹³C和¹⁴C)，定性识别了降水、土壤水、潜水和承压水之间的水力连通性。包气带土壤水和饱和带潜水具有相似的水化学和稳定同位素特征，说明包气带和潜水含水层间存在水力连通性。潜水和承压水的SO₄^2-浓度有明显差异，硫氧同位素和¹⁴C年龄进一步表明潜水中SO₄^2-主要来源于降水，而承压水中SO₄^2-主要来源于含硫蒸发岩和更冷时期的古降水。这些结果厘清了潜水的补给方式，即潜水来自当地降水的唯一补给，而不存在来自承压水的顶托补给。此成果以Identifying hydraulic connectivity among the vadose zone, unconfined and confined aquifers in the thick loess deposits using multiple tracers为题发表在Journal of Hydrology，博士生王万洲为论文第一作者，李志教授为通讯作者。

图1 黄土塬区水循环概念模型图

降水如何穿越深厚黄土包气带到达地下水位仍是目前研究的难点，为此，进一步解析了降水补给潜水的方式和速率。发现土壤中Cl^-、NO₃^-和³H剖面都具有明显的单峰特征，地下水TDS、Cl^-、NO₃^-、δD和δ¹⁸O值无明显的时空变异和对降雨的响应，且经历过蒸发过程，这表明了降水以活塞流形式补给潜水的主导性。但部分地下水点位检测出较高的氚浓度，¹⁴C年龄也指示了现代水的混入，说明降水也可能以优先流形式补给潜水。但优先流的贡献随潜水埋深增加而逐渐降低；氚和¹⁴C年龄与井深的关系表明，黄土塬发生优先流的极限水位深度可能小于40 m。在此基础上，进一步明确了降水补给潜水的双重模式，即区域尺度上的活塞流(77%-89%)和局部尺度上的优先流(11%-23%)。包气带厚度控制了潜水补给的方式，而降雨量主导了潜在补给和实际补给的量。此成果以Mechanism of groundwater recharge in the thick loess deposits by multiple environmental tracers为题发表在Science of the Total Environment，博士生王万洲为论文第一作者，李志教授和韩凤朋副研究员为论文通讯作者。

图2 黄土塬区地下水补给概念模型图

地下水排泄形成河道基流，主导流域尺度的水文过程，但变化环境下黄土高原地下水排泄的时空模态及主导因素研究不足。为此，使用55个水文站点的长序列河川径流数据进行基流分割，获得基流后作为地下水排泄量，采用地理探测器和弹性系数等方法，检测和归因了该区主要河流的基流变化。发现基流占河川径流的35%-76%，85%水文站的基流降幅大于10%。降水和水文地质条件主导了基流的空间异质性，而潜在蒸散量、人类活动、地下径流、NDVI和土壤水是基流减少的原因，贡献率分别为27%、21%、17%、16%和16%。这充分揭示了地下水排泄的时空变化及其主导因素，有助于理解变化环境中的地下水文过程。此成果以Detecting and attributing the changes in baseflow in China’s Loess Plateau为题发表在Journal of Hydrology，博士生燕鑫为论文第一作者，李志教授和王正师副教授为论文通讯作者。

图3 基流时空变化和环境因子对基流变化的弹性及贡献

以上研究结果有助于识别黄土区变化环境下地下水文过程的演变机制，促进水文地质条件复杂区域的水文过程模拟，为黄土高原植被建设和水资源的可持续管理提供支持。

研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基金和中央高校科研业务费等项目的资助。

文章链接：

1. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130339

2. http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165360

3. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128957

编辑：赵杰

终审：李志