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毛乌素沙地属内陆干旱性气候,降水稀少、蒸发强烈,地下水资源丰富,水质良好,沙丘间的滩地地下水矿化度较高。研究区盐池地区与毛乌素沙地南缘接壤,地表水资源匮乏,地下水资源是最主要的供水水源,但大部分地区地下水矿化度高,水质整体较差,仅在东北部毛乌素沙地存在优质淡水。本文以中国地质调查局“宁东能源基地地下水勘查”项目为依托,以研究地下淡水形成、演化与可持续开发利用为目标,以地下水动力学理论为指导,采用数值模拟的方法研究原生环境下地下淡水的形成演化过程,揭示其机理,分析人类活动影响下地下水流场及咸淡水界面运移规律,确定地下水可持续开采阈值并提出地下淡水保护措施。研究主要获得以下认识和成果: (1)白垩系环河组是一套湖泊相细碎屑岩、泥质岩沉积,同时发育富含石膏的泥岩、粉砂岩夹石膏层,沉积岩石及水体含盐度高,在古气候干旱、地下水循环交替滞缓等因素的影响下,形成微咸水—咸水的地下水环境。 (2)根据研究区的钻孔数据和地形地貌、水文地质条件,结合研究目标,确定了模拟范围,将主要含水岩组概化为第四系风积沙含水岩组、白垩系环河组上部及环河组下部砂岩、泥岩互层含水岩组,建立了水文地质概念模型、数学模型和地下水流与溶质运移数值模型,并进行了模型的识别与验证。 (3)利用数值模型模拟了原生环境下地下淡水的形成演化过程,进行了水盐均衡计算和浅层含水层(模型第一层)地下水流速分区。将地下水流速处于0.2~0.5m/d、0.1~0.2m/d、0.05~0.1m/d及<0.05m/d分别划分为较强径流带、一般径流带、弱径流带和极弱径流带,得出淡水区水动力条件优越于咸水区,同时浅层地下水平均水流速度大于深层地下水。 (4)从物源、水动力条件、降水入渗与蒸发浓缩等几方面分析了盐池地区地下淡水形成与演化机理,认为白垩系环河组和第四系风积沙含水层差异性的母岩是构成地下水水质分布最基本的控制性因素,水动力条件对地下淡水的形成与演化具有重要的驱动作用,同时,降水入渗、蒸发浓缩和包气带的岩性及含盐量等对地下水水质的形成、分布与演化具有重要的影响,而且人类活动会成为地下水水质演化新的驱动力。 (5)以夺取无效蒸发量为准则,以不超过生态警戒水位为前提,以水质约束为保障,确定了盐池地区地下淡水可持续开采阈值为水源地开采井开采量19200m3/d,同时提出在以垂向水量交换为主、咸淡水共存的干旱半干旱地区地下淡水可持续开采阈值可确定为开采量约占淡水区水资源补给总量的25％左右。并提出分质供水与综合利用、合理开发与生态保护、加强地下水资源勘查工作、完善地下水监测系统和节约用水等措施保护淡水资源。 以上研究成果对盐池地区、毛乌素沙地及西北干旱地区地下淡水资源的合理开发利用与保护具有重要的指导作用和科学意义。