实验室-依托

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实验室-成果

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实验室-依托

国土资源部地下水科学与工程重点实验室依托：中国地质科学院水文地质环境地质研究所。

实验室-领域

国土资源部地下水科学与工程重点实验室瞄准国家重大需求和国际学科前沿为驱动，以地球表层系统水循环科学理论为指导，突出地下水利用和相关环境保护的可持续性为主要目标，以地下水形成、演化及其与环境系统相互关系为核心，以环境同位素技术、年轻沉积物测年与分析技术、微生物与水质分析技术、数字模拟与信息化技术为支撑，不断创新发展地下水科学理论及其环境工程技术，包括开展地下水形成与循环演化过程、合理利用和保护研究，以及地下水环境工程关键技术探索，以科技创新促进人类活动-地下水利用-地质环境协调发展，为解决地下水开发利用过程中的国土环境保护问题提供科学依据。

主要研究内容

1、不同时空尺度地下水形成、循环及其环境演化的基础研究

地下水形成与循环演化过程、不同尺度资源与环境效应及其动力学；地下水及其环境对全球气候变化和人类活动影响的响应；层圈间不同界面水盐通量变化及表生环境效应。

2、地下水可持续利用评价与环境保护的应用研究

地下水系统的资源、环境、生态功能之间协调机制与关系；不同类型区地下水资源可持续利用模式；区域-流域地下水系统与地质环境演化规律；城市地下水脆弱性与地质环境容量；人工生态-地质环境相互作用与调控。

3、关键技术研究

地下水及国土环境涵养中地下调蓄关键技术；地下水与生态-地质环境问题防治和安全调控技术；地下水污染防治微生物技术；地下水模拟与数字化技术；固体废弃物地质处置方法与技术。

4、前沿探索研究

大陆区域含水层系统探测与评价理论；海陆交互带及浅海带地下淡水变化与可利用性；区域地下水系统格局特征、形成过程与动力学。

实验室-目标

国土资源部地下水科学与工程重点实验室围绕国家经济建设和社会发展需求，瞄准国际地下水与国土环境科学前沿领域，实施"开放、流动、竞争、协作"机制，突出中国北方大陆、区域不同时空尺度地下水循环演化规律科学研究和实现地下水可持续利用与国土环境保护所面临的重大关键科技问题研究和关键技术创新，发展地下水及其国土环境评价理论和方法体系，经过10-15年发展，建设成为地下水与国土环境问题研究的国家级重点创新基地和人才培养基地。

通过开拓、创新、求实、合作、开放的管理，吸引和凝聚我国地下水及其环境的杰出科技人才，不断产出一流的科研成果、一流科学技术和一流人才，带动水文地质环境地质学发展，促进我国科学技术不断进步。

1、近期：

在近期3-5年内，以地下水可持续利用和国土环境保护为目标，以地下水环境同位素技术、第四系测年技术、数字化与模拟技术为支撑，以"全国地下水及其地质环境调查评价"重大实施项目为依托，开展地下水形成与循环演化过程、合理利用和保护研究工作，进而解决地下水开发利用过程中的国土环境保护问题。具体开展如下专题创新研究：

（1）中国北方不同时空尺度地下水形成、循环及其环境演化研究

突出解决大陆尺度和区域尺度的地下水形成、循环演化过程、尺度效应及其动力学问题，解决气候变化、人类活动对地下水及其环境变化影响量化评价问题，解决包气带水盐运移与表生环境效应对国土环境保护影响问题。

（2）地下水功能评价与保护研究

突出区域或流域尺度地下水的资源、环境、生态功能之间关系问题研究，解决不同类型区地下水资源可持续利用模式、地下调蓄对地下水及国土环境涵养作用和地下水与国土环境问题防治和安全控制机理等方面关键科学问题。

（3）地下水与国土环境保护关键技术研究

探索和研发包气带水盐与污染质运移监测和模拟技术，拓展环境同位素与释光测年应用技术，发展和创新地下水污染防治微生物自主知识产权技术，完善地下水模拟与数字化应用技术。

（4）地下水与环境污染防治基础研究

开展地下水水文地球化学和微生物、生态地球化学的前沿科学问题研究，突出解决地下水（包括包气带）水文地球化学及与生命和人类健康有关地球化学物质的迁移转化规律，以及微生物在地下水组分的形成、演化中的作用方面问题，在水-岩-微生物相互作用系统理论和地下水微生物生态学研究创新建树。

（5）人类活动对区域地质环境影响过程研究

探索重大工程活动对大尺度区域地质环境影响的机制和过程，研究其负面效应与防治技术。研究人类活动-地下水利用-生态环境之间的相互关系及其协调技术。继续开展黄土地区生态演化的地质环境研究。

（6）地下水及其环境战略评价研究

深入探索地下水评价理论与方法体系，研究地下水及其环境变化预测与对策技术方法，解决地下水可持续利用与国土环境保护能力评价关键技术，包括调控约束条件、判别标准和基础，明确可持续发展理念和内涵，以及关键调控机理，促进人与自然之间和谐、社会经济文明发展和生态环境良好维持。

2、中长期：

在地下水与国土环境领域，集中中国地质科学院水文地质环境地质研究所先进设备、人才和研究成果，针对国家对地下水与国土环境研究的重大需求，瞄准国际地下水与国土环境领域基础理论和关键技术发展前沿，构建创造地下水与国土环境研究的优秀成果和培育该领域顶尖人才的摇篮，以及为国土资源事业长远发展提供知识、技术和专业人才的储备基地。重点开展：

（1）结合区域和全国地下水调查工作，认识自然和人类活动影响下区域地下水资源数量、质量和空间分布变化的特点和机制，研究地下水资源潜力及其演变特征，评价地下水的脆弱性，阐明地下水环境的形成和演化规律；

（2）通过不同时空尺度地下水功能进行评价与保护研究，阐明不同类型区地下水资源可持续利用模式、地下水对环境保护作用及地下水与国土环境问题防治和安全控制机理，掌握水-土-生态共轭系统的内在规律，建立地下水与环境保护关键技术体系，进而实现地下水与国土环境保护领域的原始性创新，形成对国土环境保护工作具有带动作用、对地下水可持续利用与国土环境保护具有战略意义的自主创新成果。

实验室-成果

国土资源部地下水科学与工程重点实验室2001年以来取得的研究成果

1、包气带水文环境学、地下水生态学和同位素水文学研究

在"太行山-石家庄-衡水-沧州-黄骅-渤海"地下水流动剖面上，建立了地下水时序剖面，反映了天然条件下过去不同时期补给形成地下水的分布。建立了含水层古气候的档案，识别出了地下水中的古气候因子，重建了华北平原三万年来的气候变化，并与其它地质记录进行了对比。建立了包气带土壤水的古气候记录档案，发现包气带剖面的氯含量变化说明该区300年来的古气候存在三次干湿变化旋回，重塑了末次冰期后期以来华北古水文补给过程。发现三万年来华北平原古水文补给具有周期性的规律。三百年来华北平原古降水入渗补给期有三次交替出现。中国北方盆地地下水同位素分层现象反映了三种不同的补给机制及参与现代水循环程度。该项成果为全球变化研究提供了新的信息源，丰富了全球变化和大陆水文循环研究的内容，拓展了我国地下水研究的新领域，为供洞察过去水循环状况和大气环流模式以及地下水形成演化提供了新的研究方法。另外，在建立地下水年龄与古水文-气候旋回之间的关系的基础上，可以根据与古气候相联系的降水补给的多寡、水文交替周期的长短，结合人类对地下水的开采行为，提出一种的保证可持续发展的地下水资源管理原则，从而规划开发方案和确定开采强度，在理论和实际中有着重要意义。

通过7条典型生态地质剖面的测制和样品测试分析，包气带中水-岩作用与营养元素有效性研究，研究了坡度与养分有效化的关系，探讨了地貌作为能量（势能）控制因素。岩石及其风化物是植物营养的来源和化学基础，是影响元素有效性的重要因子之一。

通过建立全新世标准地质剖面（层型剖面）和辅助地质剖面，采集可供精确比较用的标准地层岩芯，利用碳－14加速器质谱计（AMS）、光释光、热释光进行精确测年，确定地层的年代序列，测量地层中的植物叶片、果实、茎、根系化石和软体化石，配合化学分析、微量元素分析和矿物分析，在标准剖面处建立高精度年代系列和时间序列模型，研究了华北平原第四纪晚期以来气候变化和环境变化规律。

2、拓展了水循环研究领域，为国家重大工程提供了重要科技支撑

初步查明了华北平原区域地下水演化过程、现状和近百年来人类活动对区域地下水形成、演化的影响；在层圈间氮素迁移转化规律及其对区域地下水演化影响实验研究方面取得新认识；建立了以地下水循环演化为核心、与气候变化和地表水系统相关的区域水循环演化的动力模型系统；通过华北平原地下水14C校正年龄分布规律研究，得出自晚更新世未期以来地下水的补给具有周期性的特点，每一主要补给期约为1000-2000年，而在冰盛期地下水补给明显减少；查明区域地下水中氮存在的主要形态，山前冲洪积区主要以NO3-N污染为特征，东部以氨离子升高为标志，查明了其成因。通过实验观测，发现地下水中NO3-N组分浓度变化与浅层地下水埋深之间呈反比的规律；通过包气带氮素迁移转化实验研究，得出氮转化与生物作用，尤其与微生物作用密切相关；不同沉积环境所造就的岩土物理化学特征，对生物地球化学和水文地球化学场态具有重要影响；现在所进行的氮物质循环过程，受人－地系统诸多因素的制约；在潜水水位变动带形成一个以硝化菌和反硝化菌增多为特征的微生物垒，它对地下水水质变化具有重要作用；通过调查研究，提出了人类活动改变了大气降水、地表水、包气带水和地下水之间水量转移的自然规律，使陆面水文循环过程发生显著变化，其中现今山区和平原地面产水量都比20世纪60年代明显减少，地表径流过程中下渗作用明显加强；初步建立了以地下水为核心的、由中尺度大气环动力模式和分布式区域水文学模型构成的区域水循环演化模拟系统，包括大气水、地表水、包气带水和地下水，以及岩石圈、生物圈和冰雪圈，它作为模拟和预测区域水循环演化趋势的技术手段。

构建了自祁连山区，经过张掖盆地、酒泉盆地和花海子金塔盆地，至额济纳旗的冰雪融水、大气降水、地表河水与湖水、地下潜水与深层承压水的同位素动态监测网体系和演化信息库；采用EH4等物探手段与同位素示踪识别方法相结合，查明了流域边界、子系统之间界线和深、浅层地下水系统分界，以及山区与平原之间的水力联系状况；构建了黑河流域水循环系统的空间结构体系和不同典型分区地下水补给演化模式、径流演化模式和排泄演化模式，包括流域系统与子系统之间水量转化关系；建立了以地下水为核心的、与区域水循环相联系的黑河流域地下水演化模式，并实现了各子系统量化描述，将为黑河流域水资源合理规划和开发利用提供重要的科学依据。

针对南水北调中线工程所面临的地表调蓄能力不足，丰水期过剩客水如何存储和调控，特别是当供水区、受水区同时进入丰水期洪水遭遇时，如何实现雨洪资源化、抓住难得机遇修复严重超采的地下水环境等重大问题，建立了太行山前平原数字地下调蓄资源数据库；圈定5个地下调蓄远景区，明确了边界与分区组成；遴选出8个地下调蓄靶区，阐明了各自的调蓄条件与局限性；通过调查与实验研究表明，太行山前冲洪积平原是南水北调客水地下调蓄的主要场所，地下调蓄总库容537.8亿m3，有效调蓄库容531.0亿m3，现状可利用地下调蓄库容138.3亿m3，可缓解地表调蓄能力（53.1亿m3）不足问题；提出地下调蓄潜力与可利用性的量化评价新方法、原则与指标体系；评价了太行山前平原各地下调蓄靶区的自然属性及其可利用性；有针对性地提出了地下水调蓄战略；提出了"效益优化的调蓄方案"。

通过两年的研究，查明海河流域区域水循环演化规律决定了海河流域水资源的有限性，指出近20年以来，海河平原地下水资源减少的主要原因，评价了海河流域平原区浅层地下水超采区域面积，海河流域地下水可开采量（可开采量）仅能满足现状年实际开采量的70～80 %，1985～1998年平原区多年平均超采36.7 108 m3/a。区域水量均衡匡算结果表明，海河流域地下水储量（资源）可开采利用的潜力是有限的。认为在充分挖掘海河流域本地水资源潜力的前提下，其均衡开采资源仍难以满足本地区社会经济发展对水资源的需求。该成果得到了水利部南水北调规划局、海河水利委员会和华北平原各省市的广泛认同，并被作为南水北调规划国家决策和流域水资源综合规划的重要附件及科学依据。

3、在西北地区地下水合理利用与生态地质环境保护研究，取得重大进展

通过近两年的攻关，开拓性地提出"地下水生态环境指标"理念，并初步建立了有关地下水生态环境指标，特别是在地下水动态临界深度、植物群落退化潜水临界深度、潜水蒸发极限深度、潜水零补耗差深度，以及冻结期和冻融期土壤水分运动特征及其与潜水的转化关系这几个方面取得了新的进展和突破。综合利用水化学方法、环境同位素方法和地下水流数值模拟技术，对研究区水文地质条件的进一步认识、地下水的形成和演化，特别是对深层承压水的成因、水循环交替速度、年龄、再生更新能力以及开发利用条件下深层承压水与上覆潜水－浅层承压水的转化关系方面获得新的认识，取得新的进展。

4、为地下水生态学新研究领域的开创作了大量探索

建立了室内与野外相结合、宏观与微观相结合，水文地质与生态学相结合的分析研究方法；给出了地下水微生态学的基本概念，并初步建立了地下水微生态学的理论框架。这对制定防治污染措施和原位修复污染含水层具有重要意义，并提出具有环境变化和全球对比研究意义和前景；通过对典型区域地下水样品采集、培养分析，对地下水微生态系统的组成有了初步了解。在室内开展了对高浓度SO2-4 有机废水的微生物厌氧降解处理的试验研究，提出了对含高浓度SO2-4 有机废水的微生态处理方法与技术。

以大量实验研究表明，土壤、包气带是氮素循环转化的重要场地，也是氮素污染进入地下水的主要途径。在野外试验场地下水的微生态原位修复试验效果是显著的，作用也是持续的可行的，其方法简捷、成本低廉、容易实施。该技术是从根本上修复和阻控硝态氮大面积污染的有效方法。为解决农业化肥大面积污染这一难题提供了技术支撑，具有一定的推广应用和示范作用。

研究了海底各介质中产甲烷、硫化氢等细菌的分布、活动强度及其与天然气水合物赋存的关系及天然气水合物的微生物成矿规律。通过产甲烷、硫化氢等细菌的研究，筛选出对天然气水合物具有标识性的细菌。初步得出微生物在海底天然气水合物形成中具有重要作用，为海底天然气水合物的深入研究和探查、开发提供理论和技术支撑。

5、技术方法创新和技术转让取得成果，获得相关国家专利2项

研制的《地下水14C年代测定真空脱气鼓气法采样装置》，获得了国家专利，该项成果使采样装置减轻了重量、减小了体积、避免了现代碳的污染、采样时间大大缩短。

国家专利《饮用天然矿泉水预沉工艺》，通过对矿泉水沉淀析出规律及曝气工艺技术的多年实验研究与理论探索，开拓性地提出了"极限介稳钙浓度"、"极限稳定钙浓度"和"极限沉淀量"等科学理念，并研制了其量值测定方法，使矿泉水沉淀析出规律得到定量描述，保证了矿泉水的饮用价值。该技术，已经在江苏(淮钢集团)金康药业有限公司矿泉水厂运行2年，无一件产品发现矿物盐沉淀，取得了明显的社会效益。

6、地下水可持续利用战略研究取得重大成果

主持完成了《全国地下水资源与环境综合评价》。评价结果显示，全国多年平均地下水天然资源量为9235亿立方米，其中淡水(矿化度小于1克/升)为8837亿立方米/年，约占全国水资源总量的33%,微咸水(矿化度1-3克/升)277亿立方米/年,半咸水(矿化度3-5克/升)122亿立方米/年;地下淡水多年平均可开采资源量为3527亿立方米；深层承压淡水可开采储存量约为110亿立方米/年;地下水水质总体较好。项目成果对地下水资源地区分布、不同类型地下水资源分布、近20年来我国地下水资源量变化情况及其主要原因、地下水资源开发利用状况与面临的主要问题、地下水资源可持续利用的战略任务等方面作了系统研究。

通过对我国地下水资源可持续利用战略研究研究，阐明了我国地下水资源可持续利用战略规划，提出了我国带有普遍性的和典型地区的地下水可持续利用战略。

实验室-团队

国土资源部地下水科学与工程重点实验室固定科研人员22人，实验技术人员9人，包括了中国地质科学院水文地质环境地质研究所创新研究基地的大部分优秀青年科技工作者。从年龄结构看，固定人员中40岁以下16人，占52%，40-50岁13人，占42%，50岁以上2人，占6%。客座研究人员35位。

在固定研究人员中，通过竞聘进入创新基地的研究员16人、副研究员10人。院士2人、博士生导师5人、硕士生导师8人、博士（后）17人、硕士8人。在客座人员中，教授和研究员31人，副研究员3人，博士生导师7人。