國土資源部地下水科學與工程重點實驗室

國土資源部地下水科學與工程重點實驗室依託：中國地質科學院水文地質環境地質研究所。

主要研究內容

1、不同時空尺度地下水形成、循環及其環境演化的基礎研究

地下水形成與循環演化過程、不同尺度資源與環境效應及其動力學；地下水及其環境對全球氣候變化和人類活動影響的響應；層圈間不同界面水鹽通量變化及表生環境效應。

2、地下水可持續利用評價與環境保護的應用研究

地下水系統的資源、環境、生態功能之間協調機制與關係；不同類型區地下水資源可持續利用模式；區域-流域地下水系統與地質環境演化規律；城市地下水脆弱性與地質環境容量；人工生態-地質環境相互作用與調控。

3、關鍵技術研究

地下水及國土環境涵養中地下調蓄關鍵技術；地下水與生態-地質環境問題防治和安全調控技術；地下水污染防治微生物技術；地下水模擬與數字化技術；固體廢棄物地質處置方法與技術。

4、前沿探索研究

大陸區域含水層系統探測與評價理論；海陸交互帶及淺海帶地下淡水變化與可利用性；區域地下水系統格局特徵、形成過程與動力學。

國土資源部地下水科學與工程重點實驗室圍繞國家經濟建設和社會發展需求，瞄準國際地下水與國土環境科學前沿領域，實施"開放、流動、競爭、協作"機制，突出中國北方大陸、區域不同時空尺度地下水循環演化規律科學研究和實現地下水可持續利用與國土環境保護所面臨的重大關鍵科技問題研究和關鍵技術創新，發展地下水及其國土環境評價理論和方法體系，經過10-15年發展，建設成為地下水與國土環境問題研究的國家級重點創新基地和人才培養基地。

通過開拓、創新、求實、合作、開放的管理，吸引和凝聚我國地下水及其環境的傑出科技人才，不斷產出一流的科研成果、一流科學技術和一流人才，帶動水文地質環境地質學發展，促進我國科學技術不斷進步。

1、近期：

在近期3-5年內，以地下水可持續利用和國土環境保護為目標，以地下水環境同位素技術、第四系測年技術、數字化與模擬技術為支撐，以"全國地下水及其地質環境調查評價"重大實施項目為依託，開展地下水形成與循環演化過程、合理利用和保護研究工作，進而解決地下水開發利用過程中的國土環境保護問題。具體開展如下專題創新研究：

（1）中國北方不同時空尺度地下水形成、循環及其環境演化研究

突出解決大陸尺度和區域尺度的地下水形成、循環演化過程、尺度效應及其動力學問題，解決氣候變化、人類活動對地下水及其環境變化影響量化評價問題，解決包氣帶水鹽運移與表生環境效應對國土環境保護影響問題。

（2）地下水功能評價與保護研究

突出區域或流域尺度地下水的資源、環境、生態功能之間關係問題研究，解決不同類型區地下水資源可持續利用模式、地下調蓄對地下水及國土環境涵養作用和地下水與國土環境問題防治和安全控制機理等方面關鍵科學問題。

（3）地下水與國土環境保護關鍵技術研究

探索和研發包氣帶水鹽與污染質運移監測和模擬技術，拓展環境同位素與釋光測年應用技術，發展和創新地下水污染防治微生物自主知識產權技術，完善地下水模擬與數字化應用技術。

（4）地下水與環境污染防治基礎研究

開展地下水水文地球化學和微生物、生態地球化學的前沿科學問題研究，突出解決地下水（包括包氣帶）水文地球化學及與生命和人類健康有關地球化學物質的遷移轉化規律，以及微生物在地下水組分的形成、演化中的作用方面問題，在水-岩-微生物相互作用系統理論和地下水微生物生態學研究創新建樹。

（5）人類活動對區域地質環境影響過程研究

探索重大工程活動對大尺度區域地質環境影響的機制和過程，研究其負面效應與防治技術。研究人類活動-地下水利用-生態環境之間的相互關係及其協調技術。繼續開展黃土地區生態演化的地質環境研究。

（6）地下水及其環境戰略評價研究

深入探索地下水評價理論與方法體系，研究地下水及其環境變化預測與對策技術方法，解決地下水可持續利用與國土環境保護能力評價關鍵技術，包括調控約束條件、判別標準和基礎，明確可持續發展理念和內涵，以及關鍵調控機理，促進人與自然之間和諧、社會經濟文明發展和生態環境良好維持。

2、中長期：

在地下水與國土環境領域，集中中國地質科學院水文地質環境地質研究所先進設備、人才和研究成果，針對國家對地下水與國土環境研究的重大需求，瞄準國際地下水與國土環境領域基礎理論和關鍵技術發展前沿，構建創造地下水與國土環境研究的優秀成果和培育該領域頂尖人才的搖籃，以及為國土資源事業長遠發展提供知識、技術和專業人才的儲備基地。重點開展：

（1）結合區域和全國地下水調查工作，認識自然和人類活動影響下區域地下水資源數量、質量和空間分佈變化的特點和機制，研究地下水資源潛力及其演變特徵，評價地下水的脆弱性，闡明地下水環境的形成和演化規律；

（2）通過不同時空尺度地下水功能進行評價與保護研究，闡明不同類型區地下水資源可持續利用模式、地下水對環境保護作用及地下水與國土環境問題防治和安全控制機理，掌握水-土-生態共軛系統的內在規律，建立地下水與環境保護關鍵技術體系，進而實現地下水與國土環境保護領域的原始性創新，形成對國土環境保護工作具有帶動作用、對地下水可持續利用與國土環境保護具有戰略意義的自主創新成果。

國土資源部地下水科學與工程重點實驗室2001年以來取得的研究成果

1、包氣帶水文環境學、地下水生態學和同位素水文學研究

在"太行山-石家莊-衡水-滄州-黃驊-渤海"地下水流動剖面上，建立了地下水時序剖面，反映了天然條件下過去不同時期補給形成地下水的分佈。建立了含水層古氣候的檔案，識別出了地下水中的古氣候因子，重建了華北平原三萬年來的氣候變化，並與其它地質記錄進行了對比。建立了包氣帶土壤水的古氣候記錄檔案，發現包氣帶剖面的氯含量變化說明該區300年來的古氣候存在三次乾濕變化旋迴，重塑了末次冰期後期以來華北古水文補給過程。發現三萬年來華北平原古水文補給具有周期性的規律。三百年來華北平原古降水入滲補給期有三次交替出現。中國北方盆地地下水同位素分層現象反映了三種不同的補給機制及參與現代水循環程度。該項成果為全球變化研究提供了新的信息源，豐富了全球變化和大陸水文循環研究的內容，拓展了我國地下水研究的新領域，為供洞察過去水循環狀況和大氣環流模式以及地下水形成演化提供了新的研究方法。另外，在建立地下水年齡與古水文-氣候旋迴之間的關係的基礎上，可以根據與古氣候相聯繫的降水補給的多寡、水文交替周期的長短，結合人類對地下水的開採行為，提出一種的保證可持續發展的地下水資源管理原則，從而規劃開發方案和確定開採強度，在理論和實際中有著重要意義。

通過7條典型生態地質剖面的測制和樣品測試分析，包氣帶中水-岩作用與營養元素有效性研究，研究了坡度與養分有效化的關係，探討了地貌作為能量（勢能）控制因素。岩石及其風化物是植物營養的來源和化學基礎，是影響元素有效性的重要因子之一。

通過建立全新世標準地質剖面（層型剖面）和輔助地質剖面，採集可供精確比較用的標準地層岩芯，利用碳－14加速器質譜計（AMS）、光釋光、熱釋光進行精確測年，確定地層的年代序列，測量地層中的植物葉片、果實、莖、根系化石和軟體化石，配合化學分析、微量元素分析和礦物分析，在標準剖面處建立高精度年代系列和時間序列模型，研究了華北平原第四紀晚期以來氣候變化和環境變化規律。

2、拓展了水循環研究領域，為國家重大工程提供了重要科技支撐

初步查明了華北平原區域地下水演化過程、現狀和近百年來人類活動對區域地下水形成、演化的影響；在層圈間氮素遷移轉化規律及其對區域地下水演化影響實驗研究方面取得新認識；建立了以地下水循環演化為核心、與氣候變化和地表水系統相關的區域水循環演化的動力模型系統；通過華北平原地下水14C校正年齡分佈規律研究，得出自晚更新世未期以來地下水的補給具有周期性的特點，每一主要補給期約為1000-2000年，而在冰盛期地下水補給明顯減少；查明區域地下水中氮存在的主要形態，山前沖洪積區主要以NO3-N污染為特徵，東部以氨離子升高為標誌，查明了其成因。通過實驗觀測，發現地下水中NO3-N組分濃度變化與淺層地下水埋深之間呈反比的規律；通過包氣帶氮素遷移轉化實驗研究，得出氮轉化與生物作用，尤其與微生物作用密切相關；不同沉積環境所造就的岩土物理化學特徵，對生物地球化學和水文地球化學場態具有重要影響；現在所進行的氮物質循環過程，受人－地系統諸多因素的制約；在潛水水位變動帶形成一個以硝化菌和反硝化菌增多為特徵的微生物壘，它對地下水水質變化具有重要作用；通過調查研究，提出了人類活動改變了大氣降水、地表水、包氣帶水和地下水之間水量轉移的自然規律，使陸面水文循環過程發生顯著變化，其中現今山區和平原地面產水量都比20世紀60年代明顯減少，地表徑流過程中下滲作用明顯加強；初步建立了以地下水為核心的、由中尺度大氣環動力模式和分散式區域水文學模型構成的區域水循環演化模擬系統，包括大氣水、地表水、包氣帶水和地下水，以及岩石圈、生物圈和冰雪圈，它作為模擬和預測區域水循環演化趨勢的技術手段。

構建了自祁連山區，經過張掖盆地、酒泉盆地和花海子金塔盆地，至額濟納旗的冰雪融水、大氣降水、地表河水與湖水、地下潛水與深層承壓水的同位素動態監測網體系和演化信息庫；採用EH4等物探手段與同位素示蹤識別方法相結合，查明了流域邊界、子系統之間界線和深、淺層地下水系統分界，以及山區與平原之間的水力聯繫狀況；構建了黑河流域水循環系統的空間結構體系和不同典型分區地下水補給演化模式、徑流演化模式和排泄演化模式，包括流域系統與子系統之間水量轉化關係；建立了以地下水為核心的、與區域水循環相聯繫的黑河流域地下水演化模式，並實現了各子系統量化描述，將為黑河流域水資源合理規劃和開發利用提供重要的科學依據。

針對南水北調中線工程所面臨的地表調蓄能力不足，豐水期過剩客水如何存儲和調控，特別是當供水區、受水區同時進入豐水期洪水遭遇時，如何實現雨洪資源化、抓住難得機遇修復嚴重超採的地下水環境等重大問題，建立了太行山前平原數字地下調蓄資源資料庫；圈定5個地下調蓄遠景區，明確了邊界與分區組成；遴選出8個地下調蓄靶區，闡明了各自的調蓄條件與局限性；通過調查與實驗研究表明，太行山前沖洪積平原是南水北調客水地下調蓄的主要場所，地下調蓄總庫容537.8億m3，有效調蓄庫容531.0億m3，現狀可利用地下調蓄庫容138.3億m3，可緩解地表調蓄能力（53.1億m3）不足問題；提出地下調蓄潛力與可利用性的量化評價新方法、原則與指標體系；評價了太行山前平原各地下調蓄靶區的自然屬性及其可利用性；有針對性地提出了地下水調蓄戰略；提出了"效益優化的調蓄方案"。

通過兩年的研究，查明海河流域區域水循環演化規律決定了海河流域水資源的有限性，指出近20年以來，海河平原地下水資源減少的主要原因，評價了海河流域平原區淺層地下水超採區域面積，海河流域地下水可開採量（可開採量）僅能滿足現狀年實際開採量的70～80 %，1985～1998年平原區多年平均超采36.7 108 m3/a。區域水量均衡匡算結果表明，海河流域地下水儲量（資源）可開採利用的潛力是有限的。認為在充分挖掘海河流域本地水資源潛力的前提下，其均衡開採資源仍難以滿足本地區社會經濟發展對水資源的需求。該成果得到了水利部南水北調規劃局、海河水利委員會和華北平原各省市的廣泛認同，並被作為南水北調規劃國家決策和流域水資源綜合規劃的重要附件及科學依據。

3、在西北地區地下水合理利用與生態地質環境保護研究，取得重大進展

通過近兩年的攻關，開拓性地提出"地下水生態環境指標"理念，並初步建立了有關地下水生態環境指標，特別是在地下水動態臨界深度、植物群落退化潛水臨界深度、潛水蒸發極限深度、潛水零補耗差深度，以及凍結期和凍融期土壤水分運動特徵及其與潛水的轉化關係這幾個方面取得了新的進展和突破。綜合利用水化學方法、環境同位素方法和地下水流數值模擬技術，對研究區水文地質條件的進一步認識、地下水的形成和演化，特別是對深層承壓水的成因、水循環交替速度、年齡、再生更新能力以及開發利用條件下深層承壓水與上覆潛水－淺層承壓水的轉化關係方面獲得新的認識，取得新的進展。

4、為地下水生態學新研究領域的開創作了大量探索

建立了室內與野外相結合、宏觀與微觀相結合，水文地質與生態學相結合的分析研究方法；給出了地下水微生態學的基本概念，並初步建立了地下水微生態學的理論框架。這對制定防治污染措施和原位修復污染含水層具有重要意義，並提出具有環境變化和全球對比研究意義和前景；通過對典型區域地下水樣品採集、培養分析，對地下水微生態系統的組成有了初步了解。在室內開展了對高濃度SO2-4 有機廢水的微生物厭氧降解處理的試驗研究，提出了對含高濃度SO2-4 有機廢水的微生態處理方法與技術。

以大量實驗研究表明，土壤、包氣帶是氮素循環轉化的重要場地，也是氮素污染進入地下水的主要途徑。在野外試驗場地下水的微生態原位修複試驗效果是顯著的，作用也是持續的可行的，其方法簡捷、成本低廉、容易實施。該技術是從根本上修復和阻控硝態氮大面積污染的有效方法。為解決農業化肥大面積污染這一難題提供了技術支撐，具有一定的推廣應用和示範作用。

研究了海底各介質中產甲烷、硫化氫等細菌的分佈、活動強度及其與天然氣水合物賦存的關係及天然氣水合物的微生物成礦規律。通過產甲烷、硫化氫等細菌的研究，篩選出對天然氣水合物具有標識性的細菌。初步得出微生物在海底天然氣水合物形成中具有重要作用，為海底天然氣水合物的深入研究和探查、開發提供理論和技術支撐。

5、技術方法創新和技術轉讓取得成果，獲得相關國家專利2項

研製的《地下水14C年代測定真空脫氣鼓氣法採樣裝置》，獲得了國家專利，該項成果使採樣裝置減輕了重量、減小了體積、避免了現代碳的污染、採樣時間大大縮短。

國家專利《飲用天然礦泉水預沉工藝》，通過對礦泉水沉澱析出規律及曝氣工藝技術的多年實驗研究與理論探索，開拓性地提出了"極限介穩鈣濃度"、"極限穩定鈣濃度"和"極限沉澱量"等科學理念，並研製了其量值測定方法，使礦泉水沉澱析出規律得到定量描述，保證了礦泉水的飲用價值。該技術，已經在江蘇(淮鋼集團)金康葯業有限公司礦泉水廠運行2年，無一件產品發現礦物鹽沉澱，取得了明顯的社會效益。

6、地下水可持續利用戰略研究取得重大成果

主持完成了《全國地下水資源與環境綜合評價》。評價結果顯示，全國多年平均地下水天然資源量為9235億立方米，其中淡水(礦化度小於1克/升)為8837億立方米/年，約佔全國水資源總量的33%,微鹹水(礦化度1-3克/升)277億立方米/年，半鹹水(礦化度3-5克/升)122億立方米/年；地下淡水多年平均可開採資源量為3527億立方米；深層承壓淡水可開採儲存量約為110億立方米/年；地下水水質總體較好。項目成果對地下水資源地區分佈、不同類型地下水資源分佈、近20年來我國地下水資源量變化情況及其主要原因、地下水資源開發利用狀況與面臨的主要問題、地下水資源可持續利用的戰略任務等方面作了系統研究。

通過對我國地下水資源可持續利用戰略研究研究，闡明了我國地下水資源可持續利用戰略規劃，提出了我國帶有普遍性的和典型地區的地下水可持續利用戰略。

國土資源部地下水科學與工程重點實驗室固定科研人員22人，實驗技術人員9人，包括了中國地質科學院水文地質環境地質研究所創新研究基地的大部分優秀青年科技工作者。從年齡結構看，固定人員中40歲以下16人，佔52%，40-50歲13人，佔42%，50歲以上2人，佔6%。客座研究人員35位。

在固定研究人員中，通過競聘進入創新基地的研究員16人、副研究員10人。院士2人、博士生導師5人、碩士生導師8人、博士（后）17人、碩士8人。在客座人員中，教授和研究員31人，副研究員3人，博士生導師7人。

1、固定人員構成 現有固定人員29人，其中，科研人員19人，技術人員8人，管理人員2人；流動研究人員29人。固定人員中：研究員7人，副研究員10人、助理研究員8人、研究實習員4人；具有博士學位9人、碩士學位的6人；45歲以上13人，35～45歲8人；35歲以下8人。擁有博士生導師2人，碩士生導師4人。

2、主任簡介陳宗宇，1963年生，研究員。1986年畢業於長春地質學院，1995年在冰島進修，2001年獲吉林大學博士學位。研究方向為同位素水文地質。參加科研項目20餘項，其中負責973課題1項、基金面上5項。獲省部一等獎1項、二等獎3項。

3、科研骨幹簡介 張兆吉，1963年生，研究員。1983年畢業於長春地質學院，1997年獲長春科技大學博士學位，1998—2001年為日本環境廳博士后。現任水環所副所長，研究方向為地下水可持續利用，主持的項目獲省部級一等獎1項、二等獎1項、三等獎1項。

4、實驗室人才培養概況 2007年以來，引進博士后1人、碩士4人、本科生3人。實驗室注重鼓勵支持骨幹人員之間團結協作，共同承擔重大科研項目，並通過建成的科研平台和開放課題支持引進人才，在各學科方向形成的同時，也逐漸形成了一支穩定的研究團隊。實驗室積極創造研究條件，使中青年優秀人才發揮專長，展其才智，實驗室35歲以下固定青年科技人員8人，其中攻讀博士學位4人、攻讀碩士學位4人。實驗室成員1人獲“中國地質學會青年地質科技獎—銀錘獎”、1人獲“石家莊市青年拔尖人才”稱號、1人入選國土資源部“百人計劃”，除此之外實驗室還培養博士研究生15人，碩士研究生6人。

1、實驗室管理體制和運行機制的建立概況 重點實驗室實行“開放、流動、聯合、競爭”的運行機制，實行在依託單位的領導下和學術委員會的指導下的主任負責制。主任根據重點實驗室的學科方向，組織科研工作，開展國內外學術交流與合作；提出崗位設置、隊伍建設、經費籌集和預算支出等建議，建立規章制度。實驗室日常管理主要通過一系列規章制度來管理。重點開放實驗室運行以來，逐步建立和健全了有關規章制度，制定了《國土資源部地下水科學與工程重點實驗室規章制度》。

2、學術委員會概況 學術委員會負責確定開放實驗室研究方向，指導、監督和審議重大學術與發展問題及課題申請等學術工作。包括：

①指導學科布局和研究方向。

②審定和審批開放課題。

③評議研究成果。

④評估固定人員的科研進展及成果。

⑤聽取和審議主任工作報告。

⑥審查和建議主要學術活動。

3、客座人員吸引情況 實驗室在依託單位支持下，客座人員引進計劃，制定了住房、科研啟動經費、崗位聘任等相關優惠政策，加大力度引進人才和留住人才。現階段客座研究人員共29人，均為國內外高校及研究所博士及以上學歷的科研人員。

4、學術交流情況、國際科技合作情況等 實驗室參與多項國際合作項目，如，中日合作項目“黃河流域地下水均衡、循環和利用模擬和預測研究”、中德合作項目“鄂爾多斯能源基地能源開發與地質環境互饋效應調控研究”等。近5年來，先後邀請德國海德堡大學、美國地質調查局、德國蒂賓根大學、中國地震局等單位的專家到我室講學，在地下水同位素示蹤、地下水測年、地下水補給評估、第四紀沉積物測年、地下水有機污染等方面作了學術報告，通過講學與交流，及時了解國內外研究動態，學習先進經驗，取得了良好效果。