三维Tóth型盆地的驻线及其对多级次水流系统的控制

Tóth基于二维剖面流场提出的地下水流系统理论已成为研究盆地尺度地下水循环的理论依据。二维剖面上的驻点可以用于精确划分水流系统的空间分布,然而人们对三维盆地中水流系统的形态以及驻点是否存在等认识尚不清楚。针对2种典型的三维盆地,分别是只在单一方向存在波状起伏的类前陆型盆地和2个正交方向同时存在波状起伏的沙丘型盆地,利用余弦函数建立潜水面起伏的数学表达式,推导水头分布的解析解,利用TECPLOT软件实现了水流系统三维空间分布的可视化。研究发现,2种理想三维盆地内都可以发育驻点,其中类前陆型盆地内驻点构成一条水平延伸的驻线,驻线控制了4个水流系统的空间分布;沙丘型盆地内驻点构成一条圆弧状驻线,驻线控制了6个水流系统的空间分布。通过研究驻线在三维盆地中的分布并且提出了利用驻线划分三维盆地水流系统的方法,加深了对三维盆地地下水循环规律的认识。     

盆地多级次地下水流系统盐分运移实验模拟

地下水年龄和滞留时间包含了地下水循环和演化的重要信息,被广泛用于盆地地下水循环模式的研究。使用多级次地下水流系统演示仪,实验模拟了三级水流系统模式中地下水年龄及滞留时间分布。研究发现,盆地底部、区域流线的下游、盆地滞留区最晚响应;浅部的局部水流系统稳定后的浓度值相对较低;中间水流系统相对深部的区域水流系统也较低,滞留区盐分积累,浓度值相对较大。盆地内部所有监测点的地下水年龄分布曲线都为单峰,区域水流系统的循环时间大于中间水流系统以及局部水流系统。在排泄区监测的滞留时间分布显示不同级次补给会产生早、中、晚峰,并且峰值与地下水流系统的级次性完全对应,可以通过排泄区的峰值判断地下水是从局部、中间或区域水流系统补给而来,以此判断污染物的来源。本研究成果对于地下水的循环演化和地下水流系统理论的完善具有一定的意义。     

通量上边界渗透系数随埋深增加指数衰减的地下水流系统

地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,研究不同控制因素对盆地地下水流系统发育模式的影响具有重要意义。近年来的研究表明利用通量上边界能够更好地揭示盆地不同要素对地下水流系统模式转化的影响。基于通量上边界,采用数值模拟方法,研究稳定流条件下,渗透系数随埋深呈指数衰减的非均质含水层对盆地地下水流系统模式转化的影响。结果表明:随着渗透系数随埋深指数衰减程度的加大,盆地潜水面整体抬升,盆地上部地下水流速增大,水力梯度增大;同时,盆地地下水流系统由复杂的多级次水流系统到单一的局部水流系统,顺向局部水流系统占据的空间消减,而逆向局部水流系统占据的空间增大,流速近似为零的局部滞留区域向左下方移动。      

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基
于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到
实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与
数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能
够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代
水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用
领域的研究等。      

非稳态地下水流系统响应降雨变化的数值模型研究

区域地下水流系统的发育受地质、气候和地形多种因素的影响。以往的地下水流系统研究主要探讨了地质、地形和稳态气候条件下所形成的局部、中间和区域流动系统的组成特征,对非稳态的地下水流系统认识不足。聚焦于研究地下水流系统对降雨变化的动态响应规律,使用HydroGeoSphere构建了剖面二维地下水地表水耦合数值模型,模拟在降雨的周期性和随机性叠加动态驱动下非稳态渗流场形成的地下水流系统。模拟结果表明,各层级流动系统的空间范围都会随着降水波动而发生变化。局部地下水流系统在雨季并非都处于扩张状态,在旱季也并非都处于收缩状态。各个局部流动系统的同时刻穿透深度之间可能具有无关、正相关或负相关关系,这取决于各个局部流动系统响应降雨变化的滞后性。中间流动系统在非稳态条件下非常活跃,其排泄出口、补给入口和循环路径随时间变化,并强烈影响局部流动系统。通过5种不同含水层参数和降雨情景的模拟对比,发现地下水流系统的滞后性和穿透深度的相关性对含水层各向异性特征较为敏感。下一步,需要更加深入地研究地下水流系统在季节尺度、多年乃至跨世纪时间尺度气候波动过程中的非稳态响应规律。     

基于数字高程模型的水系自动生成

为从数字高程模型(DEM)中自动提取区域水流特征,分析了DEM中地形的形态特征,并进行洼地填充和平地抬升的预处理,应用坡面流模拟方法进行了水流方向的确定及水流方向数字阵列的生成,最后根据水流方向阵列和河流栅格网络图生成需要的水系,其结果与手工数字化的水系基本一致,证明该方法是有效的。     

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法,统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征,前两者主管道垂直于地层走向,构造裂隙起汇水作用,后两者主管道平行于地层走向,层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主,东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关,并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感,而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢;基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。     

区域地下水流理论的发展历程与教材演变

Tóth提出的区域地下水流理论为盆地尺度地下水循环研究提供了定量分析方法。从4个方面总结区域地下水流理论发展历程，对比国外多本水文地质学教科书对区域地下水流理论的描述情况，系统梳理我国《水文地质学基础》教科书自1986到2018年的4个版本对区域地下水理论描述的演变情况。分析认为，我国《水文地质学基础》教科书对我国学者开展区域地下水流研究发挥了重要的推动作用，最后提出了区域地下水流理论有待解决的科学问题和引导更多青年学生从事该领域研究的建议。      

近50 a来新疆孔雀河灌区地下水流系统演变特征

新疆孔雀河灌区面临地下水超采问题，科学认识区域地下水流系统的发育条件和演变特征，是优化地下水资源开发利用方式的基础。通过构建第四系含水层三维地下水稳定流模型，利用流线追踪技术，模拟识别了孔雀河流域1970-2020年期间地下水流系统的变化特征。结果表明，不同补给区和排泄区通过流线进行组合，在孔雀河周边形成了交错分布的地下水流系统，其空间分布格局随灌区地下水开采规模而变化。在20世纪70年代的拟天然状态，灌区主要发育自北向南的地下水流系统，其空间分布格局取决于水文地质参数和排泄要素，并可能存在1~4个以孔雀河为排泄带的流动系统。在有强烈地下水开采的现状条件下，灌区地下水流系统转变为从四周流向漏斗中心，截断了从孔雀河上游渗漏到中下游河道排泄的水流系统。近50 a来，以潜水蒸发为排泄方式的地下水流系统投影面积萎缩了29%，而以地下水开采为排泄方式的地下水流系统投影面积从零增加到研究区面积的40%。潜水蒸发对自然生态系统具有重要的支撑作用，灌区地下水开采应有所控制以保障潜水蒸发型地下水流系统的发育条件。      

含水层水平二维弹性形变下的位移与水流方程

在垂直方向零应变与垂直方向总荷载不变、忽略骨架颗粒本身的压缩性及骨架颗粒与水分别为均质的假定条件下,推导出均质各向同性多孔介质水平面弹性位移方程及水流方程。它们与传统假定（Jacob假定）下的位移及水流方程在形式上没有区别,只是方程中的系数定义式有所不同。新水流方程中的储水率比旧水流方程中的储水率偏大,但仍可按常数对待。新位移方程的系数也比传统假定下的位移方程的系数大．但也仍为常数。如果采用野外抽水试验来确定储水率,则传统假定下水流方程与新水流方程等价,但利用抽水试验确定的骨架弹性储水率计算地面沉降,则计算值偏大。     

江汉平原地下水化学特征及水流系统分析

江汉平原水质性缺水问题日益突出,识别江汉平原地下水流系统分布模式,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义.选取江汉平原典型区域,综合水文地质条件、水动力场及水化学同位素指标深入分析地下水补给过程、水岩作用及滞留时间.得出由于碳酸盐岩的溶解,研究区的地下水化学类型属于HCO3-Ca (Mg)型.地下水中典型离子随深度增加逐渐降低,同位素随深度增加逐渐偏负,表现出地下水流系统呈局部与区域水流系统的特点,系统深度界限在10~20m.独立而复杂的局部水流系统在平枯水期地下水向河渠地表水排泄.根据3H的含量,局部水流为现代水,水循环交替迅速.受地形控制,中深层地下水总体由西和西北向东和东南径流,汇入汉江和长江,为区域水流系统.由于补给源的高程效应,区域水流的18O值存在明显分区,指示不同的补给来源与水流路径.山前丘陵区基本为现代水,向平原腹地纵深至汉江和长江排泄区,地下水年龄在几百年至6000a不等,水循环交替缓慢.研究发现江汉平原低洼排泄区存在区域水流的顶托补给,可为原生劣质水的分布与聚集研究提供依据.     

松嫩平原地下水水流系统研究

据氢氧稳定同位素和地下水年龄分布,松嫩平原地下水流动模式呈现局部地下水流、中间性地下水流（二级流动系统）和区域性地下水流（一级流动系统）,局部地下水流系统存在于整个平原的浅部,为现代水循环系统,以垂向流动为主,深度一般为50m,山前倾斜平原可达100m以下。区域地下水流存在于深部承压含水层,参与现代水循环较少,地下水年龄老,以侧向水平径流方式流向盆地中心。     

鄂尔多斯盆地多级次地下水流系统中硝酸盐分布特征及其成因

水资源短缺的鄂尔多斯盆地内地下水遭受硝酸盐(NO^-₃)污染等问题日益突出,识别盆地不同地下水流系统的NO^-₃分布规律及其成因,对地下水资源的合理利用与保护具有重要意义。选取鄂尔多斯盆地北部湖泊集中区白垩系地下水系统为研究对象,基于水化学和聚类-主成分分析划分地下水流系统级次,在此基础上对比分析不同级次地下水流系统中NO^-₃分布特征,综合水化学和环境同位素分析识别多级次地下水流系统中NO^-₃来源及其潜在过程。研究表明：研究区ρ(NO^-₃)超出地下水质量标准(GB/T 14848-2017)Ⅲ类水标准的地下水样品集中在局部-中间地下水流系统,其超标率达到28%;区域地下水流系统中ρ(NO^-₃)均值约为1 mg/L。研究区不同级次地下水流系统中ρ(NO^-₃)分布特征主要与人类活动影响程度有...     

多级次地下水流系统的最小能耗率原理初探

20世纪60年代初期,Tóth基于定水头上边界条件推导出解析解,得出多级次地下水流系统,是水文地质学里程碑式的突破,成功地解决了一系列理论和实际问题。但Tóth解析解存在的缺陷也长期沿袭：单纯重视数学模拟而忽视物理机制;将地形控制地下水位看成是普适性规律;忽视给定水头上边界数学模拟的失真。这些缺陷,尤其是忽视物理机制探究,不仅妨碍Tóth理论自身发展,而且导致地下水流系统理论尚未被国际水文地质界普遍接受。参照河流动力学中应用的最小能耗率原理,类比提出地下水流最小能耗率的表达式。基于已有的通量上边界地下水流模式数值模拟结果,进一步探究物理机制,归纳得出地下水流系统遵循最小能耗率原理的结论。     

不同地下水流系统模式渗流场和温度场的互相影响

在地热资源丰富的地区,需要研究不同地下水流系统发育模式下渗流场和温度场的互相影响。基于二维潜水盆地多源汇的数值模拟和室内砂箱实验,改变降雨入渗强度,通过砂箱底部加温研究上下边界不同温度差条件下的渗流场和温度场的变化。研究结果表明：(1)随着降雨入渗强度加大,地下水流速增大,地下水流系统由单一区域系统向复杂的局部+区域、局部+中间+区域多级嵌套系统转化,水流对温度的再分配影响变大;(2)补给区等温线受下降水流影响下移,排泄区等温线受上升水流影响上抬,其中区域补给区和区域排泄区温度变化幅度最大;(3)砂箱底部加热后,含水层潜水面下降,地下水流速增大,流线循环深度整体变大,滞留带范围缩小。温度差是地热丰富地区的地下水流系统研究中不可忽视的驱动力。     

地下水分层勘查技术在地下水流系统研究中的应用

地下水流是一种运动流体，空间上分布连续且能传递压力，在能量（势）差驱使下发生从水头高处向低处的运动。通常在补给（势源）区，地下水垂向上由上向下运动，而在排泄（势汇）区地下水由下向上运动，即地下水整个生命过程中总是由源到汇、向着能量减小的方向做径流运动，无论是在单个或多个透水岩层中都是如此。地下水分层勘查技术使在垂向上分层监测水头、水温和水质等成为可能，从而实现对不同及同一含水岩层的上下不同点间地下水流要素的比较，并判断全井或单井不同垂向区段的势源汇条件，为地下水流空间运动方向判定和地下水流系统划定奠定基础。本文以地下水流系统理论与试验观测研究为基础，论述了地下水分层勘查技术的原理、系统结构和功能，结合张掖盆地实例阐述了分层勘查技术在地下水补给与排泄区判识的应用方法。      

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。      

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征:以莱芜盆地为例

2011年以来,中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1∶5万标准图幅水文地质调查4万余km²,并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作,获得了较为丰富的地质数据,对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响,沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动,形成一系列“南超覆北断陷”的地堑—半地堑盆地,并最终形成现今典型的“盆—山”岩溶水文地质结构,及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征,选择莱芜盆地为典型研究区,基于野外地质调查,通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等,探讨了沂蒙山区典型“盆—山”结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明,莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈“向心式”径流;受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约,盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异：盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统;盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统,但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外,研究发现在大汶河最低侵蚀基准面,区域滑脱构造及热液混合作用拆离...     

绿水青山总是情——黑龙江省地质环境建设纪事

“松花江、乌苏里江、黑龙江，山高林密水流长。一片稻丛千万里，三江环抱的是好地方……”一首古老的民歌曾深情地传唱着黑龙江省的美丽和富饶。     

地下水系统最优开采数值模型

本文以河南汝河中段河谷浅层地下水系统为例,重点介绍了一种地下水系统最优开采数值模型。该模型是一种地下水流系统水均衡模型和线性规划模型的耦合。水均衡模型采用强隐式有限差分法(SIP)求解,以解决技术函数及地下水流系统势能分布问题;线性规划模型以总开采量最大作为目标函数,以流量及技术函数组成的响应矩阵作为约束条件,用单纯形法求解。该模型能比较快地解决多节点、薄层潜水含水层中地下水最优开采的规划问题,能提供最优开采方案及最优开采量等信息。