生态输水条件下塔里木河下游断面尺度地下水流数值模拟

由于中国西北地区地表水资源有限,地下水则成为重要的备用水资源,而地表水和地下水转化过程及其耦合模拟是水资源开发利用和科学评价的基础,因此,为了准确反映塔里木河下游间歇性生态输水后地下水的动态变化,以塔里木河下游英苏断面为例,基于Boussinesq方程建立了改进的地下水动力学(GH-D2)模型,模拟了塔里木河下游绿色走廊典型断面地下水对全时段(2000-2015年)间歇性生态输水的响应过程。结果表明,尽管Boussinesq方程的GH解能较好地模拟地下水位的瞬态变化,但模拟地下水位多年变化的结果并不理想,而改进的GH-D2模型考虑了间歇性生态输水对地下水位变化的滞后效应,对长时间尺度地下水位变化的模拟具有较好的效果。与GH和GH-D1模型相比,GH-D2模型模拟的地下水位值更接近于观测值,这将对塔里木河下游实施科学合理的生态输水计划以及生态恢复和重建策略提供关键的技术支撑。     

基于数值模拟的区域性地下水补给过程实例研究

研究主要目的是以数值模拟的方法,再现选定的研究区域20世纪70~90年代地下水位处于较低水平的过程并推求地下水的补给过程。研究区为某流域入海口前10×12km2的矩形区域,基于研究区土层纵断面的物理条件,在平面二维的基础上,考虑含水层垂向水收支成分,利用地下水计算的基本方程式开发地下水准三维数值计算模型,以数值模拟的方法验证模型效率。对地下水位数值模拟的结果表明,模型效率可以达到80%以上。基于1966~2005年的数值计算结果,推求了研究区各含水层的补给过程。研究结果可为区域性地下水数值模拟技术及地下水资源量的评估等研究提供方法上的借鉴。     

淮北平原汾泉河流域水文模型鉴定会在南京召开

根据生产建设的需要,水电部淮委规划设计院与河海大学水资源水文系合作,以汾泉河流域为对象,开展了流域水文模型的研制工作。经过两年多的努力,不仅建立了能同时模拟表层超渗和下层蓄满两种产流机制的模型结构,而且还提出了地下水非线性水库概念模型。根据上述,又进一步研究了同时模拟出口断面流量过程和流域内地下水位过程的流域综合水文模型。此外,还应用已建立的模型,分析了流域不同治理阶段的水文效应,并探讨由降雨过程推求流量过程的设计洪水新方法。     

基于GSFLOW的镜湖湿地地表水与地下水耦合数值模拟

湿地地表径流包括明渠流和片流等多种形式,且存在海绵状土壤层,其地表水-地下水耦合模拟困难。针对湿地片流和海绵层模拟不准确的问题,以绍兴镜湖国家城市湿地公园为研究对象,考虑湿地多年植物生长沉积形成的独特海绵层,基于GSFLOW模型构建湿地地表水与地下水耦合数值模型,通过二维扩散方程模拟湿地片流、一维圣维南方程模拟湿地明渠流,使用竖管法测量湿地海绵层渗透系数,利用模拟区水文站的监测数据率定模型参数并对模拟结果进行验证,应用校正后模型模拟湿地地表水与地下水的水量交互过程,并对研究区进行水均衡分析。研究结果表明:考虑湿地海绵层的湿地地表水与地下水耦合模型能较为真实地反映湿地水文特性,湿地以地表水补给地下水为主,补给量随降雨量变化。研究建立的湿地地表水与地下水耦合模型合理可靠,对湿地水文分析有良好的应用价值。     

泉流行为的数值模拟

本文根据有限元法,提出了一种模拟我国北方岩溶泉流行为的数值方法,用来处理在模拟泉流过程中所遇到的特殊问题。首先将泉流量以地下水位的线性形式表达出来,然后再把它表达成为自然排泄强度,加入到带有泉的地下水的数值模拟模型中去,通过求解带有泉的地下水系统的有限元模拟模型,就可以同时确定地下水位和泉流量。应用这种方法模拟济南岩溶泉水,结果令人满意。      

一个岩溶地下河流域模型及其应用

许多无地下水观测资料的岩溶山区,其水资源评价主要靠岩溶水文学方法。本文根据桂林岩溶区寨底地下河水文与水文地质条件,建立了一个模拟非岩溶地表水与岩溶地下水相互转化的流域模型。并在空间上外延至较大的无地下水资料岩溶区间,模拟岩溶水对地表河补给,与地表河流量演算模型衔接,构成整个岩溶区域地表水、地下水评价的计算机模型。      

地表水与地下水相互作用的温度示踪与模拟研究进展

刻画地表水与地下水的相互作用过程及精确计算二者的交换量始终是个挑战,而新兴的温度示踪方法对于这方面的研究具有独特优势。重点介绍了地表水与地下水相互作用的温度示踪方法原理、应用及相关模拟的研究进展。温度示踪方法的数据获取成本低且温度适宜密集与连续监测,可对地表水与地下水相互作用过程进行精细刻画;在进行地表水与地下水相互作用的水-热耦合模拟时,温度数据可用于进一步校正模型,降低模型的不确定性,以提高交换量的计算精度。监测河水温度和河床沉积物内的水温,运用温度示踪方法研究河水与地下水的相互作用过程,并将水流及热运移数值模型相耦合,利用多源数据进行模型校正,可精细刻画地表水与地下水的交换量、相互作用带内的水流途径、流速及其变化趋势和控制因素,为地表水与地下水相互作用研究提供新的模型与方法。     

美国Sand Hills地区地下水数值模拟及水量平衡分析

利用地下水数值模型MODFLOW和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区(Sand Hills)地下水位进行了模拟,并分析了含水层补排水量,河流与地下水补排关系,以及区域水平衡过程。揭示了独特沙丘地形和土壤特性对地下水补排量的影响。模拟结果表明,入渗率大、非饱和带厚的沙丘有利于降水入渗补给,减少了地下水蒸散发损失。加上下覆含水层具有良好的地下水储水空间,是该地区储存丰富的地下水量,以维持河流稳定流量,供给众多湖泊和湿地的原因。该研究对我国地下水资源评价和生态环境脆弱地区水资源保护具有指导意义。     

我国气候变化对地下水资源影响研究的主要进展

为了推动我国关于气候变化对地下水影响的深入研究,列举了关于气候变化对地下水影响的研究方法,包括包气带和含水层环境示踪技术,研究地下水及其沉积物的物理化学指标,地表水-地下水耦合数值模拟技术等;综述了我国华北地区(北京市、滹沱河流域、海河流域、滦河下游地区、黄淮海平原、临汾盆地、鄂尔多斯盆地、黄河下游地区、大同盆地、北方岩溶泉域)、西北地区(塔里木下游地区、三工河流域、阿克苏河绿洲、黑河流域、石羊河流域、河西走廊、巴丹吉林沙漠)和东北地区(吉林中部平原地区、三江平原)等典型区域气候变化(气温、降水、蒸发)对地下水水位、补给量与排泄量(泉流量、开采量)、水化学成分、水温、同位素组成的影响;提出了气候变化条件下合理利用和管理地下水资源的若干对策,包括减缓温室效应引起的全球气候变暖对未来地下水资源产生不利影响,定量化研究气候变化和地下水之间的相互关系,应用高新技术开展地下水资源脆弱性的研究,充分利用灌区地下含水层的调蓄作用,通过地表水与地下水的联合利用控制水盐平衡、涵养地下水源,节约农业、工业和生活用水等。     

地表地下耦合的水量及溶质运移模拟研究进展

地表水与地下水之间存在强烈的相互作用,构建地表水和地下水耦合的水量和溶质运移模型可以揭示地表水和地下水之间的相互作用机制,并提高地表地下水量水质预测的精度。介绍了现有的地表地下耦合的水量及溶质运移模型,对比了各模型的求解方法和适用领域,总结了这些模型的应用现状。其中水量模型中全耦合模型精度较高,是未来模型发展的主流方向,溶质运移模型中溶质反应过程模拟较为欠缺。未来应在优化求解算法、提高溶质反应模拟和加强裂隙介质模拟等方面深入开展相关研究。     

陆面过程模式SIB2与包气带入渗模型的耦合及其应用

土壤含水量对陆—气相互作用过程中的能—水平衡计算以及降雨、农业灌溉对地下水补给的研究起着关键的作用。但现阶段大多数陆面过程模式对土壤含水量的计算采用一维水桶模式,忽略了流域尺度上的侧向补给、地下水位的变化、包气带土壤的非线性渗透特性对土壤含水量的影响。针对这一问题,在国内外研究较为成熟的饱和—非饱和理论的基础上,编程实现了包气带土壤水分传输方程的求解,并与陆面过程模式（SIB2）相耦合,建立起研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位、和地表蒸散发之间定量关系的模型。最后,利用建立的耦合模型,以河西走廊黑河流域中游临泽农业综合观测场的灌溉试验为例,模拟干旱内陆平原区小麦生长期间定额灌水条件下土壤含水量的变化。计算结果表明：模型能够准确计算瞬时土壤含水量、非稳态的地下水位,并对小麦生长过程中的耗水量进行估算,进而为农业合理灌溉提供了科学的理论基础。     

岩溶区地表水与地下水资源及环境统一评价的流域边界划分研究

岩溶地区地表水流域与地下水流域边界的分异形式有三类,即:地表分水岭与地下水流域边界在平面分布上基本一致;地表分水岭超出了地下水流域边界;地下水流域边界超出了地表分水岭。岩溶区地表水与地下水耦合流域的顶界为地表水流域的水面及下垫面,底界为浅循环潜水含水层或潜水—承压含水层下伏的隔水层顶面,在大厚度岩溶含水层分布区,可以弱岩溶发育带的顶面作为底界。其中地表水与地下水两个子系统间的次级边界,为地表水流域的下垫面。结合专门调查（勘查）评价和区域调查评价的特性,提出评价单元划分的原则及方法。这有助于在新一轮自然资源调查评价中,以流域为单元系统地开展水资源及环境调查评价,实行地表水和地下水资源及环境的统一管理。      

Assessing the influence of climate change and inter-basin water diversion on Haihe River basin,eastern China: a coupled model approach

The modeling of changes in surface water and groundwater in the areas of inter-basin water diversion projects is quite difficult because surface water and groundwater models are run separately most of the time and the lack of sufficient data limits the application of complex surface-water/groundwater coupling models based on physical laws, especially for developing countries. In this study, a distributed surface-water and groundwater coupling model, named the distributed time variant gain model–groundwater model (DTVGM-GWM), was used to assess the influence of climate change and inter-basin water diversion on a watershed hydrological cycle. The DTVGM-GWM model can reflect the interaction processes of surface water and groundwater at basin scale. The model was applied to the Haihe River Basin (HRB) in eastern China. The possible influences of climate change and the South-to-North Water Diversion Project (SNWDP) on surface water and groundwater in the HRB were analyzed under various scenarios. The results showed that the newly constructed model DTVGM-GWM can reasonably simulate the surface and river runoff, and describe the spatiotemporal distribution characteristics of groundwater level, groundwater storage and phreatic recharge. The prediction results under different scenarios showed a decline in annual groundwater exploitation and also runoff in the HRB, while an increase of groundwater storage and groundwater level after the SNWDP’s operation. Additionally, as the project also addresses future scenarios, a slight increase is predicted in the actual evapotranspiration, soil water content and phreatic recharge. This study provides valuable insights for developing sustainable groundwater management options for the HRB.     

大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题

在分析大区域地下水流数值模型构建缘起的前提下,系统论述了近年来地下水流数值模拟在大区域地下水资源评价、水文地质参数确定、地面沉降、溶质运移、海水入侵、盐渍化、风险评估、地下水管理及地表水与地下水的联合开发利用等方面的国内外研究应用现状;归纳、总结了目前大区域地下水流数值模型在灵敏度分析、裂隙和岩溶介质中模型建立、基于地下水流数值模拟的溶质运移模型建立、地下水流数值模型构建所需工作量等理论和方法研究及实际建模过程中存在的一些问题;展望了今后大区域地下水流数值拟在研究范围、模拟技术与方法以及与其它模型耦合等方面的发展趋势。      

西北黑河额济纳盆地水资源管理研究——三维地下水流数值模拟

在大量实测资料的基础上, 建立了额济纳盆地地下水流系统饱和-非饱和三维数值模型, 对4种不同输水量情况下盆地内区域地下水位的变化趋势进行了预测, 进而提出了合理的输水方案, 黑河上中游向额济纳盆地合理的输水总量应为7.5亿m3/a, 其中通过狼心山水文站的水量不应小于5.5亿m3/a.这一方案为流域水资源的合理调配及额济纳绿洲生态环境保护和建设提供了依据.      

数值模型在黑河干流中游水资源管理中的应用

以黑河干流中游水资源管理为例,利用地下水数值模型研究了天然和人工活动作用下泉水、地下水向地表水排泄量的变化规律;预测分析了不同情景下的水资源开发利用状况.研究表明,地下水向河-泉的排泄量呈衰减趋势,且地下水的增采量和渠系防渗节约的水量主要来源于地下水储存量的消耗;指出在目前有限的水资源条件下,为保护生态地质环境,必须限制地下水的持续超采.     

基于地下水陆面过程耦合模型的黑河干流中游耗水分析

耗水分析能够直接揭示水资源利用的本质, 蒸散发是流域尺度耗水的主体. 将一个典型的陆面过程模型和一个地下水模型紧密耦合, 从而在地下水模型中增加具有物理机理的蒸散发描述, 同时改进陆面过程模型中地下水的动力过程, 由此在发挥这两类模型各自优势的基础上, 构建了一个地下水-陆面过程耦合模型. 利用该模型模拟了黑河干流中游2008年逐小时的蒸散发过程. 结果表明: 黑河干流中游2008年总耗水量约为35.7×10⁸ m³, 耗水最大的地表类型是农作物为19.3×10⁸ m³、 裸地和戈壁为7.2×10⁸ m³、 草地为6.0×10⁸ m³、 稀疏植被为3.1×10⁸ m³, 其中, 不同地表类型的年蒸腾量分别为8.8×10⁸ m³、 0.02×10⁸ m³、 2.2×10⁸ m³以及0.4×10⁸ m³, 对应它们的年蒸散发强度分别为: 580 mm、 117 mm、 331 mm以及202 mm. 通过耗水平衡分析也得到2008年黑河干流中游地下水呈负平衡状态, 全年地下水超采约0.9×10⁸ m³, 其中区内地下水储量在7—11月间呈增加趋势, 其他各月呈减少趋势.     

Relationship Between Surface Water and Groundwater in the Liujiang Basin—Hydrochemical Constrains

The interaction between surface water and groundwater is not only an important part of the water cycle, but also the foundation of the study on regional water resources quantity. The field hydrogeological investigation and sampling in the Liujiang basin were conducted in the dry season, in April, 2015. The isotopic ratios of hydrogen and oxygen and ion compositions as well as the hydrogeochemical characteristics indicated that the groundwater in the basin was mainly HCO₃-Ca and HCO₃-Ca·Mg type low salinity water. The groundwater of each region had a unified connection, experiencing the same or similar hydrochemical formation, and the surface water had the same hydrochemical type and source of hydrochemical composition as groundwater. The hydrogen and oxygen isotopic compositions of surface water and groundwater were close to each other, which were mainly from the atmospheric precipitation. In the runoff process, the river water was affected by the evaporation concentration so that the heavy isotopes were slightly enriched. Under the influence of topographical, geological and hydrogeological conditions, the interaction between groundwater and surface water in the basin had obvious segmentation and mutual transformation. The river was recharged by both sides of groundwater in upstream region of Dashi River and Donggong River basin while river water supplied groundwater on both sides of it in downstream region of Dashi River.     

Groundwater flow modeling in the Zhangye Basin,Northwestern China

The Zhangye basin is in the middle reaches of the Heihe River, northwestern China. Heavy abstraction of groundwater since the 1970s in the area is for agricultural, industrial and drinking water supplies and has led to a substantial decline in the potentiometric surface. A three-dimensional regional numerical groundwater flow model, calibrated under transient conditions, has been developed and used to predict the drawdown for the period from 2000 to 2030 under two different groundwater management scenarios.