改变入渗强度的地下水流模式实验

自Tóth提出地下水流系统理论以来,大多学者基于定水头上边界的解析解或数值模拟研究地下水流系统发育特征,尤其是多级水流系统模式。认为复杂的盆地"地形势"就会发育多级地下水流系统,简单地形发育单一地下水流系统。利用自主研发的地下水流系统砂槽模型进行系列实验发现,实验条件下(模型尺寸、介质和多个河谷不变)水流系统的发育受控于降水入渗强度。得出随着降水入渗强度的增大,水流系统模式由单一的区域水流系统,到复杂的多级次水流系统,再到局部的水流系统的结论;盆地多个势汇中,只有实际成为地下水排泄点的汇势才能影响地下水流系统模式,而其他的势汇只是可能的潜在势汇。实验表明,用定流量上边界(降水入渗强度)能够更好地揭示盆地地下水流系统模式发育与变化机理。     

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。     

地热驱动力:广东阳江新洲地热田驱动地热水运移的一种额外非重力作用的分析方法

Tóth总结提出的"嵌套式多级次水流系统",和张人权等学者归纳总结的重力驱动地下水流系统理论,是地下水运移的重要理论基础.地下水的流动可能受到重力势、压实势、构造挤压力共同作用.然而,在对流型水热系统中发现了地下水补给区位置低于排泄区的反常现象.由于温度升高导致地热水密度减小和压力增大,使得地热水的实际压力水头增大,是...     

通量上边界与水头上边界方法的地下水流系统模拟对比

水头上边界方法（简称水头法,GHB）给定了潜水面形态和固化了排泄点,限制了不同地下水流系统模式的形成与转化。分别用数值法进行了通量上边界（简称通量法,FUB）与水头上边界的地下水流系统对比模拟。结果表明：嵌套式多级地下水流系统（Tóth典型模式）在运用水头法和通量法进行系统转化模拟时,得出的水流模式可能相似或完全不同;通量法在条件（盆地形态、入渗强度等）改变时潜水面能够自动形成,从而得出不同变化条件下的水流系统特征;水头法由于给定了潜水面和固化了排泄点,在改变盆地其他因素时,盆地补给（排泄）也发生同步改变,此时地下水流模式不是单因素变化的结果,因此在给定条件下不能得出完整的地下水流系统变化模式。基于通量法与水头法在地下水流系统模拟中的优势与不同,在进行盆地地下水流系统理论和实际研究时,应该综合2种方法的特点,结合实际资料条件进行方法的选取与应用。     

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19702020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.     

多级水流系统耦合下深部岩溶分异研究——以川东隔挡式构造区中梁山背斜南段为例

新构造运动背景下,干、支流对地壳抬升反应速率的差异,导致具有不同排泄作用的河谷广泛组合,形成多级地下水流动系统,地下水作为岩溶含水系统发育的主要控制因素,多级水流系统的空间耦合影响岩溶发育分布规律。文章首先根据中梁山背斜南段岩溶槽谷横向沟谷的发育特征,将岩溶槽谷划分为渗流区、分流区、外流区;结合横向沟谷控排作用与地形指数,分析多级水流系统耦合的空间分异特征。其次通过隧道建设背景下地表水漏失、隧道涌水情况及隧道施工揭露岩溶现象验证在多级水流系统耦合效应下深部岩溶发育特征。结果表明:渗流区以区域水流系统为主,隧道涌水量巨大,水流通道连通性良好,地表水基本干涸,深部岩溶发育强烈;分流区除了近河谷地带以局部水流系统为主、深部岩溶发育较弱以外,宽缓分水岭地带的地下水流动仍然以区域性流动为主,深部岩溶较发育,隧道涌水量较大,地表水与深部岩溶地下水水力联系较好,隧道建设对地表水影响严重;外流区以局部浅循环为主,深部岩溶发育程度弱,深部岩溶水与地表水水力联系较弱,地表水漏失程度一般。本研究不但拓宽了托特多级水流系统的应用领域,为岩溶发育理论研究提供了新的角度,同时为深埋岩溶隧道建设的危险性评价及引发的环境负效应研究提供理论指导。     

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.     

鄂尔多斯高原地下水流系统的多层结构循环模式—来自深孔中PACKER系统分层水头测定的证据

地下水流系统和循环模式分析是研究地下水形成机理的基础,对正确认识和评价地下水资源具有重要意义。鄂尔多斯高原在含水系统和众多地下水排泄区的控制下,形成了多个不同规模、不同循环深度、相互独立的地下水流系统。PACKER系统分层试验测定的不同深度水头的数据证明,鄂尔多斯高原地下水流系统存在托斯多层水流模式,区域性水流系统一般包含浅循环、中间循环和深循环3个循环系统。浅循环系统的发育深度在200m以内,深循环系统的发育深度大于400m。     

基于GMS的岩溶山区三维地下水流模式识别

以高岚河东部多条支沟切割形成的连排型河间地块为研究区,基于1∶5万岩溶水文地质调查成果,利用GIS技术和径流分割,量化岩溶含水系统顶底板高程、获取入渗补给系数及地下水径流量等数据,运用三维地下水流数值模拟及粒子追踪地下水流线的方法,得出了研究区的地下水流模式。其结果表明:研究区地下水流模式主要受区域尺度的势源和势汇控制,局部的地形起伏对地下水位的影响不明显;支沟切割较深的凉伞沟、滩淤河流域,水流驱动力大,有利于局部水流系统的发育;随着东部补给高程的增加,流程逐渐增长,多发育局部水流系统,至山脊附近多发育排泄至高岚河的中间水流系统。当研究区年降雨量由中等的1 021.1 mm降为多年最低的725.5 mm时,由东部补给区排泄至高岚河的中间水流系统增加;在此降雨强度区间,不具备发育越过河间地块的中间或区域地下水流系统。      

鄂尔多斯高原地下水流系统的多层结构循环模式——来自深孔中PACKER系统分层水头测定的证据

地下水流系统和循环模式分析是研究地下水形成机理的基础,对正确认识和评价地下水资源具有重要意义.鄂尔多斯高原在含水系统和众多地下水排泄区的控制下,形成了多个不同规模、不同循环深度、相互独立的地下水流系统.PACKER系统分层试验测定的不同深度水头的数据证明,鄂尔多斯高原地下水流系统存在托斯多层水流模式,区域性水流系统一般包含浅循环,中间循环和深循环3个循环系统.浅循环系统的发育深度在200m以内,深循环系统的发育深度大于400m.     

隧道排水作用下地下水流场的数值模拟分析

基于地下水流系统理论,采用数值模拟方法分析了山区地下水流场以及隧道工程排水作用对其影响。首先建立理想模型,对比分析了隧道布置在不同位置的涌水量大小,隧道排水对地下水流场的改变及泉点流量的影响。隧道排水使区域地下水分水岭发生偏移,流动系统被进一步细化,形成多个分水岭,部分区域系统和驻点消失;隧道布置在局部系统中涌水量较小,区域流动系统中涌水量较大;在同一个流动系统内,隧道布置在补给区涌水量最小,径流区、排泄区的涌水量相对较大;隧道排水对区域分水岭附近的泉点影响较大,远离分水岭的泉点影响较小。针对重庆境内某隧道工程,开展实例分析。     

地下水流系统特征——以白垩系地下水盆地为例

以不同的研究尺度,白垩系地下水盆地可以划分为若干地下水流系统.水流系统的发育受含水层补给和排泄条件及含水系统结构控制.每一个水流系统都具有整体性、相关性、等级结构性、时序性、动态平衡性、功能性等特征.     

多波长水位起伏条件下盆地地下水流系统的水动力学特征

Tóth采用线性函数和正弦函数的叠加刻画潜水面起伏,发现盆地中可以发育局部、中间和区域三个不同级次的地下水流系统。由于实际水位起伏更复杂,潜水面起伏需要用更多波长的函数叠加来刻画。以三波长为例,研究多波长水位起伏条件下盆地地下水流系统的空间分布规律,发现两层不同深度内部驻点的存在,驻点数目与水位起伏频率有关,水位起伏波长对内部驻点深度及对应水流系统的穿透深度有控制作用。     

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T6th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...     

基于环境同位素分析吐鲁番盆地地下水流系统

吐鲁番盆地是中国重要的煤炭基地之一,研究盆地地下水流系统对于区域水资源评价具有重要意义。通过在野外开展取样工作,首先根据取样点井深的不同,将所有样点分为4组,结合当地水文地质条件、同位素值的高程效应以及取样点位置,将同位素值以及位置相近的点归为同一个水流系统。经分析,在火焰山以北存在一个相同型式的地下水流动系统,而在火焰山以南随着山区坎尔其水库的修建,水利工程设施的不断完善和农业灌溉制度的改革,存在多级地下水流动系统,其形成条件主要受自然和人类活动影响。其中同位素和TDS值都较高的T1点曾是艾丁湖湖面的边缘,当时湖水水位浅,同位素蒸发效应明显。同时,火焰山地下基岩存在缺口,存在北盆地向南盆地的地下水补给。     

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...     

氢氧同位素在地下水流系统的重分布：从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应？现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和¹⁸O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明：在单斜盆地,补给区大气降水D和¹⁸O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ¹⁸O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K₀/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K0/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ¹⁸O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排...     

区域地下水流理论最新进展——区域地下水流理论、应用与发展国际研讨会综述

当前世界面临着越来越严重的水资源缺乏等环境压力,大尺度区域地下水资源与环境问题日益得到重视。在区域地下水流理论创立、应用与发展50年之际,由中国地质调查局和国际水文地质学家协会区域地下水流专业委员会主办,西安地质调查中心和中国地质大学(北京、武汉)等单位承办了区域地下水流理论、应用与发展国际学术研讨会。区域地下水流理论创始人Tóth教授以及来自13个国家的160多位水文地质专家从地下水流理论方法、实践应用等方面进行研讨和交流,将对区域地下水流理论的研究起到积极的促进作用,有力推动该理论的进一步发展和实际应用。笔者系统分析梳理了与会者的报告,归纳总结了国际区域地下水流理论研究进展和发展动态,以期为区域地下水流理论更加广泛地应用于水文地质环境地质相关研究领域提供参考。     

盆地地下水流模式及其转化与控制因素

Tóth(1963)在复杂盆地给定上边界水头条件下, 推演出多级次地下水流系统.运用此方法探讨水流模式, 改变盆地介质或盆地深度等条件, 盆地水均衡会同步发生变化; 同时, 给定上边界水头也固化了盆地的势源与势汇的位置与数目, 这与实际条件不相符合, 也限制了地下水流模式的转化研究.在总结实验条件下多级水流系统特征的基础上, 提出了通量上边界的地下水流系统模拟方法(简称CUG-GWFS方法), 并进行了水流系统数值模拟.结果表明: (1)在多个可能势汇的盆地中, 可以发育5种地下水流模式, 即: 简单区域水流系统(RS)、局部+区域两级嵌套水流系统(LS+RS)、局部+中间+区域三级嵌套水流系统(LS+MS+RS)、局部+中间两级嵌套水流系统(LS+MS)和简单局部水流系统(LS).(2)盆地地下水流模式受盆地入渗强度、介质条件、盆地长度与深度比值, 以及盆地可能势汇的多少与位置的影响.(3)保持其他条件不变, 单独加大盆地入渗强度比R_ic, 或加大盆地长深比R_ld, 盆地水流模式按照上述5种模式呈现有序转化.      

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...