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。      

地下水循环结构的动力学研究进展

由地下水补给、径流和排泄过程构成的地下水循环运动，是水文循环的重要组成部分，也是水文地质学的基本研究对象。地下水循环在空间上表现为不同结构单元的组合，存在以含水层特性为依据的介质结构和以渗流场为依据的动力结构2种划分方法。地下水流系统是动力结构意义上的地下水循环单元。近10年来，区域地下水流系统理论取得了显著进展，更加全面深入地揭示了地下水循环结构的动力学特性。通过对河间地块地下水流系统的研究，发现潜水面最高点并非地下水分水岭的准确位置。在盆地尺度上，系统研究了沟谷地貌、降水入渗强度、渗透性随埋深变化和盆地厚度等因素对潜水面波形与地下水循环动力结构的影响，初步发现了动力结构的周期性或趋势性演化特征。通过大规模流线路径的精细识别或驻留时间的统计分析，提出了三维地下水循环单元的划分方法。在水文地质效应方面，发现地下水循环的动力结构对地下水年龄的分布有重要影响。地下水循环的动力结构反映了不同补给区和排泄区之间的水力联系，在盆地尺度地球化学过程、流域尺度生态水文过程中发挥着关键作用，未来的研究重点是三维地下水循环的动力特性和演变规律。      

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。      

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（NO₃-）污染等问题日益突出，识别盆地不同地下水流系统的NO₃-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NO₃-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NO₃-来源及其潜在过程。研究表明:研究区ρ（NO₃-）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（NO₃-）均值约为1 mg/L。研究区不同级次地下水流系统中ρ（NO₃-）分布特征主要与人类活动影响程度有关，而地下水蒸发富集和反硝化衰减作用对ρ（NO₃-）的影响可以忽略。其中，局部-中间地下水流系统受到人类活动产生的污染影响显著，其NO₃-污染主要来源于无机铵肥和粪便污水等；区域地下水流系统可能尚未受到人类活动污染，其NO₃-来源于天然有机氮矿化。      

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的空隙，与岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙等共同构成立体的岩溶地下水网络，影响着岩溶水循环途径及深度。以此认识为指导，实施的探采结合井成井率达到86%，强化了地下水流系统理论在北方基岩山区水文地质工作中理论与实践的结合。      

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。     

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。     

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。      

地下水化学组成的时空聚类分析与多级嵌套水流系统识别

水文地球化学是识别地下水流系统的重要方法,然而区域尺度上多级嵌套地下水流系统的复杂性使地下水化学组成的分析和解释难度增加。以鄂尔多斯北部盆地湖泊集中区典型的胡同察汗淖地下水流系统为例,基于丰水期和枯水期3个期次不同深度地下水样品的物理化学数据,应用时空聚类与主成分分析方法,揭示地下水化学组成的空间分布特征、变化规律及其作用机制,分析水化学时空聚类结果对多级嵌套地下水流系统划分的可行性。该聚类结果将地下水样品分为3类,其中C1为以Na-HCO₃型为主的深层地下水,具有偏负的氢氧同位素组成（δD < -70‰,δ18O < -9‰）和极低浓度的NO₃-;C2为Ca-HCO₃为主的浅层地下水,具有偏正的氢氧同位素组成（δD > -70‰,δ18O > -9‰）和高浓度的NO₃-;而C3呈无优势阳离子、δD和δ18O变化范围大且显著线性相关等深、浅地下水混合特征。呈南北条带分布在苏贝淖-胡同察汗淖排泄区的C2和部分C3水化学组成有一定的季节变化。研究验证了研究区受地形和湖泊排泄控制的浅层局部和深层区域地下水流系统的空间分布,识别了苏贝淖-胡同察汗淖排泄区受浅循环和深循环共同影响的强烈作用带,证明了水化学时空聚类方法识别多级嵌套地下水流系统的可行性。      

The Effect of Flow on Pollution and Remediation in Groundwater

1IntroductionFlow is the key mechanism by which pollutants are transmitted from one point to another in hydro-geologic systems. Groundwater flow is not indepen-dent of the geological formation within which it occurs. Hydraulic conductivity which is a measure of groundwater flow is strongly related with the am-bient geologic properties such as texture,porosity and topography. These properties do not only con-trol the rate of groundwater flow but also limit the occurrence,hence the dispersion of…     

The Effect of Flow on Pollution and Remediation in Groundwater

Flow, solute transport and pollution remediation through attenuation in unconsolidated porous media were investigated in this study. The variables used in the investigation include soil texture, porosity, topography and hydraulic conductivity. The study revealed that hydraulic conductivity is highly dependent on soil texture, porosity and topography.Hydraulic conductivity was noted to have a controlling influence on groundwater flow and residence time, and the degree of natural attenuation in hydrogeologic systems. Contaminant transport simulated with the MODFLOW Model revealed dominance of advective transport of contaminants in unconsolidated porous media. However, attenuation through sorption (linear isotherm equilibrium controlled) and reaction (first-order irreversible decay) also retarded contaminant plume migration. Thus natural attenuation was found to be highly feasible in clay formations due to low hydraulic conductivity and long groundwater residence times. Though natural attenuation processes including dispersion, diffusion, dilution, mixing, volatilization and biodegradation were not investigated for in this paper, it is shown to be a sound remediation technique of contaminated ground water due to its capacity to destroy or transform contaminants or at least retard their flow.     

甘肃北山-河西走廊-祁连山区域地下水循环模式

山区地下水流动受到区域气候条件、地形地貌、地质构造等因素共同控制,限于资料有限,其流动模式与控制机理尚不清晰。特别是地处甘肃北山的高放废物地质处置库预选区、河西走廊以及祁连山北麓区域地下水的流动模式,直接决定了处置库在万年时间尺度上的安全性。基于区域遥感构造解译、地质构造演化分析、地球物理勘探以及水文地质钻探,获取了典型剖面的水文地质结构与渗透特征;综合区域水文地质调查、水文地球化学与同位素特征数据,构建了甘肃北山-河西走廊-祁连山山区的水文循环概念模型;并通过构建区域地下水流动数值模型与多情景模拟,分析了甘肃北山-河西走廊-祁连山山区的地下水流动模式。结果表明,地形对于该地区的地下水流动模式具有主控作用,祁连山山区地下水难以越过海拔最低的河西走廊至北山山区排泄,河西走廊是祁连山山区地下水系统与北山山区地下水系统的边界;北山山区地下水在地形与岩性的控制下,仅发育局部流动系统且渗流速度缓慢。同时由于该地区地质构造的阻滞作用,北山新场地下水无法径直向南穿越构造向花海盆地排泄,渗流路径长度明显增加;仅有F₉₅断裂构造以南山前地带地下水可向花海盆地排泄,但由于集水流域有限、渗流速度缓慢、循环交替能力差,排泄量较小。本研究探究了山区-盆地地下水循环模式,为高放废物地质处置库候选场址的适宜性评价提供了科学依据。      

庄里水库建设对地下水水位的影响

庄里水库位于羊庄盆地水文地质单元内,水库建设将使地下水补径排条件和流场发生改变,根据羊庄盆地水文地质条件、地下水开发利用状况,采用Visual Madflow4.1软件,建立地下水水流模型,模拟庄里水库建成后对地下水水位和流场的影响,提出地下水水源保护措施。     

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。