随着我国城市化、工业化进程加快,人类活动在地下水环境演化中的作用日趋变强。在人类活动的干扰下,原有的地下水环境演化模式遭到破坏,出现了一系列环境水文地质问题,对生态环境和人类生存产生了极大的威胁。伊舒盆地位于吉林省中部,是吉林省重要的粮食生产基地和地下水源储备基地,近年来,由于人类的不合理地开采和破坏,导致伊舒盆地地下水位不断下降,水质条件不断恶化,地下水环境的演化正逐步从量变到质变,进入新的地下水环境演化模式。目前对地下水环境演化模式的相关研究及文献均鲜有报道,本文从伊舒盆地第四系地下水环境的演化规律研究入手,对地下水环境演化模式进行定义、分类以及定性和定量相结合的分析研究,为该地区未来作为长春、吉林等地的应急水源地提供科学依据,也对当地经济的可持续发展、地下水环境的改善、水资源的总体规划等有着极其重要的理论和现实意义。本文依托中国地质调查局项目“伊舒盆地水文地质调查项目”(1212011089024),针对伊舒盆地第四系地下水环境在自然与人类活动双因素影响下的地下水动力场和地下水水化学场演化规律及演化模式展开专题研究。通过野外调查试验和室内数据分析研究相结合,以水文地质学、地质统计学和数理统计学等多学科理论为指导,应用Map GIS空间分析等技术方法和手段,揭示伊舒盆地地下水环境的演化特征和规律,并在此基础上对研究区地下水环境演化模式进行综合分析。主要研究成果如下:1.地下水动力场时空演化特征(1)地下水位演化特征。基于野外水文地质调查以及长期地下水水位动态监测资料,绘制了地下水位埋深动态曲线、水位埋深时空分区图以及水位变化幅度时空分区图,结果表明:研究区地下水位随时间变化总体呈现持续下降的趋势,潜水和承压水埋深变幅差异较大,其中桦皮厂-孤店子以及莫里青乡—伊通县一带井灌区水位埋深变幅较大,超过6m。1980~1997年水位下降幅度相对较大,1997~2014年地下水位变化幅度变小,局部地区出现水位回升。潜水水位埋深时空变化受气候变化影响更为显著,承压水水位埋深时空变化受人工开采影响较为显著。(2)地下水量演化特征。运用水量均衡法对研究区地下水资源量的计算和分析结果表明:地下水资源量随时间的变化趋势与降水同步,多年平均地下水资源量为41419.68×104m3/a,其中大气降水入渗补给量占总资源量的80%;各流域地下水资源模数的排列顺序为东辽河流域<伊通河流域<饮马河流域<拉林河流域<松花江干流流域。研究区地下水资源量演化主要受气候变化影响。(3)地下水循环条件演化特征。通过对地下水循环条件的演化分析得出,天然条件下,地下水主要补给来源为大气降水,排泄方式以河流和蒸发为主;随着人工开采地下水加剧,人工开采成为主要的排泄方式。2.地下水化学场时空演化特征(1)地下水化学类型演化特征。采用舒卡列夫分类方法绘制了地下水化学类型时空分布图,结果表明:1980~1990年代主要为HCO3-Ca型水,基本符合天然水化学场的分布特征;2000年代受到人类活动强烈干扰,类型分布表现为复杂化,且潜水的水化学类型比承压水更加复杂多样。(2)地下水化学组分演化特征。根据地下水水质动态监测数据绘制了矿化度、总硬度和硝酸盐年际动态变化曲线以及各年代时空分布图,结果表明:矿化度、总硬度和NO3--N从1984~2014年变化波动性较大,整体呈逐渐增高的趋势变化,但总体在地下水质量Ⅲ类标准范围内,其中个别地区潜水中NO3--N有超标现象。(3)地下水质量演化特征。采用免疫进化算法优化的地下水水质评价公式,计算得出地下水水质综合污染指数WQI值,并分别绘制各年代的水质时空分布图,结果表明:研究区地下水水质从1980~2000年代,地下水质整体优于Ⅲ类水,仅有个别区域出现Ⅳ、Ⅴ类水,且承压水水质稍微优于潜水水质。3.地下水环境演化模式(1)依据研究区地下水环境演化规律的研究,提出了地下水环境演化模式的定义,并根据自然因素和人类活动的影响程度的不同,将地下水环境演化模式分为5种:(1)自然因素主导的演化模式—模式Ⅰ;(2)自然为主、人类为辅的演化模式—模式Ⅱ;(3)自然、人类作用相同的演化模式—模式Ⅲ;(4)人类为主、自然为辅的演化模式—模式Ⅳ;(5)人类活动主导的演化模式—模式Ⅴ。地下水环境演化模式的提出为未来地下水的合理开发利用提供科学依据。(2)本研究区涉及五个流域,采用灰色关联法分别对气候变化和人类活动与地下水环境之间的关系进行相关性分析,在此基础上定性分析了各流域的地下水环境演化模式:1980~1989年全区基本表现出自然为主、人类为辅的演化模式Ⅱ,1990~1999年饮马河流域和东辽河流域为模式Ⅱ,其他流域表现为自然、人类作用相同的演化模式Ⅲ;2000~2014年除拉林河流域改善为演化模式Ⅱ,其他流域均为演化模式Ⅲ。(3)为了进一步定量化研究伊舒盆地地下水环境演化模式,依据建立的地下水环境演化模式评价体系,结合叠置指数法、模糊层次分析法以及Map GIS软件对研究区三个时期地下水环境演化模式进行定量的综合计算,并绘制了地下水环境演化模式时空分布图,结果表明:1980~1990年代研究区均以自然为主、人类为辅的演化模式—模式Ⅱ为主,小范围区域表现为自然、人类作用相同的演化模式Ⅲ;2000~2014年以模式Ⅱ和模式Ⅲ为主,小范围地区出现人类为主、自然为辅的演化模式Ⅳ;研究区还未出现人类活动主导的演化模式—模式Ⅴ。通过对研究区地下水环境演化模式的研究,合理规划人类活动强度,协调好人类、自然与地下水环境的关系,为地下水的可持续开发利用奠定基础。