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。     

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。      

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GIS的汉江流域水汽输送与降水时空模式研究

水汽输送及降水模式对流域水文模型及水资源研究具有重要意义。汉江流域水资源对南水北调以及下游生态环境有重要影响,研究汉江流域水汽输送和降水的时空分布特征是水文模拟和水资源环境管理的基础。本文利用NCEP/NCAR再分析资料和汉江流域19个气象站点的降水资料,以及GIS数据库和分析工具,分析了汉江流域的水汽通量、可降水量、实测降水量和降水转换率的计算方法;以汉江流域1998年7月的气候再分析资料和降水资料为例,计算并分析了汉江流域1998年7月可降水量与实测降水量的空间分布特征,以及降水转化率的分布特征;探讨了水汽输送、可降水量、实测降水量,以及降水转化率的相关性和空间分布特征。通过分析汉江流域1981-2010年的可降水量和实际降水量的分布表明,汉江流域可降水量与降水量变化趋势基本相同,降水转换率近年有所增加。     

黄泛平原区（1∶25万济南幅）浅层孔隙水多年动态变化特征

分析济南幅黄泛平原区浅层孔隙水的补给来源、地下水流场形态变化、地下水排泄途径及水化学多年变化特征,并结合区内浅层地下水开采强度资料综合研究认为,引起济南幅黄泛平原区浅层孔隙水动力场变化的主要原因是地下水开采量的变化与天然补给源的减少。研究表明,局部水位下降甚至产生超采漏斗主要是由于地下水长期过量开采引起的,并对区域地下水流场形态影响较大,区内已形成地下水分水岭。     

黄泛平原区(1:25万济南幅)浅层孔隙水多年动态变化特征

分析济南幅黄泛平原区浅层孔隙水的补给来源、地下水流场形态变化、地下水排泄途径及水化学多年变化特征,并结合区内浅层地下水开采强度资料综合研究认为,引起济南幅黄泛平原区浅层孔隙水动力场变化的主要原因是地下水开采量的变化与天然补给源的减少.研究表明,局部水位下降甚至产生超采漏斗主要是由于地下水长期过量开采引起的,并对区域地下水流场形态影响较大,区内已形成地下水分水岭.     

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。      

降雨径流与洪水淹没模型耦合的应用研究

洪水研究包括径流与淹没两种模式。为了探究流域降雨产汇流与淹没情况、提高洪水预报精度,本研究在传统流域水文模型的基础上耦合二维水动力学模型,建立水文-水动力耦合模型。以我国吉林温德河流域为研究实例,模拟了2017年“7·13”洪水在下游口前镇所处子流域洪水淹没过程。首先对基础数据进行预处理,建立HEC-HMS水文模型并进行参数优化后,最终获得流量过程水文结果作为水动力学模型边界条件,之后建立HEC-RAS二维水动力学模型对重要子流域进行淹没模拟。耦合模型计算结果显示,水文模型经多参数优化流量模拟的NSE系数为0.988,水动力计算最大淹没水深达9.3 m相对误差为-5.2%。从泛洪模拟结果来看,子流域上游部分的农田大量被淹,淹没水深范围在0.5~2.0 m,平均流速基本在1 m/s以下。下游口前镇内最大淹没水深接近1 m,水流速度0.2 m/s至1.5 m/s,与实际的淹没情况相吻合。研究表明,所建水文水动力耦合模型模拟计算的结果准确率较高,对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江流域地形对水文气候的影响

雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江(以下简称“四江”)发源于青藏高原东南部,流经横断山区和云贵高原,总集水面积约77.2万km~2。域内地形复杂,高差悬殊,其水文气候特性在三度空间具有明显的差异。 本文宏观分析了“四江”流域水文气候特性及其与地形、地势的关系,认为复杂的地形和高亢的地势是形成“四江”流域特殊水文气候条件的重要因素。     

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。     

多年冻土区河流溶解性有机碳输出的研究进展

多年冻土区河流中溶解性有机碳（DOC）的输出对全球碳循环有着重要贡献,是全球气候变化研究的热点。当前研究主要集中在2个方面:多年冻土区河流DOC输出的时空特征及其影响因素;多年冻土区河流DOC输出对气候变暖和冻土退化的响应。研究表明,河流中DOC的浓度、通量、化学组分等主要受流域内水的流动路径、滞留时间及路径上潜在DOC源的特征控制,而多年冻土的分布及其季节性融冻循环对上述因素有显著影响,进而控制多年冻土区河流DOC的输出规律。气候变暖可从3个方面对多年冻土区河流DOC输出产生影响:①造成多年冻土退化,使地下水的流动路径变深和滞留时间增长,导致河流的DOC输出量降低;②使多年冻土中储存的老有机碳释放,导致河流的DOC输出量增高;③改善深部土壤的通气和温度条件,促进土壤微生物活性,进而影响河流DOC的输出量和化学特征。今后,有3个方面的研究需要加强:①中、低纬度高海拔冻土区河流DOC的输出规律及其与流域水文过程的关系;②小型源头河流DOC输出的对比与控制性试验;③冻土区地下水流过程的精细刻画和潜在有机碳源的直接探测。      

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。      

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。     

塔河油田海西早期岩溶古水系识别方法及其特征

塔河油田海西早期形成了复杂的碳酸盐岩岩溶缝洞系统,其发育规模在东部地区和西部地区表现出显著的差异性。岩溶水作为岩溶发育的关键因素,在不同地质背景下表现出的水文学特征及水动力作用与岩溶缝洞系统的发育密切相关。为了深入认识和阐述岩溶储层发育机制,基于三维地震资料,通过地震属性技术结合现代岩溶理论成果恢复了塔河油田埋深5 000 m以下的古水文网络,精细描述了水系发育特征。研究结果表明:东部地区地表水系统具有较大汇水量,水系以强烈的垂向侵蚀作用为主,发育了完整的地表-地下双重水系型水文网络系统;西部地区地表水以水平溶蚀作用为主,地貌较为平缓,尚未产生大型地下水系网络系统,属于地表水系型水文网络系统。东、西部地区地表、地下水文系统动力学机制的不同,为这2个地区岩溶储层发育的差异性提供了合理解释。      

城市地表净辐射通量的季相变化及与地表覆盖格局的关系研究

本研究利用厦门市4个季节的Landsat-5 TM遥感影像和气象资料,反演地表净辐射通量,进而分析其季相变化特征;使用景观格局指数表征和描述地表覆盖的空间组成与配置,采用相关分析、偏相关分析、逐步回归和方差分解相结合的方法,从多季节角度研究地表覆盖格局对地表净辐射通量的影响。结果表明：① 厦门市地表净辐射通量平均值夏季最高,春季次之,秋季和冬季较低,地表净辐射通量在水体和林地区域较高,建设用地和裸地等其他地表覆盖类型区域较低;② 地表覆盖的空间配置对地表净辐射通量没有显著影响;③ 地表覆盖的空间组成对地表净辐射通量产生重要影响,全年内林地和裸地所占面积比例对地表净辐射通量的影响最显著,林地所占面积比例是影响和解释地表净辐射通量跨季节差异的最重要和持续有效的因素。该研究加深了关于地表覆盖格局对地表净辐射通量的影响的科学认知,有助于探索城市热岛的形成和演变机制,也可为城市规划和可持续发展提供理论依据和实践指导。     

基于圆盘概化模型的岩溶裂隙渗流路径构建算法

岩溶裂隙网络的识别与重构,一直是岩溶地下水资源和岩溶区地质环境保护研究的热点与难点。基于地表原始裂隙数据、经过克里格插值后的地表裂隙数据、以及通过蒙特卡洛预测得到的地下裂隙数据,本文针对三维裂隙构造中的水流通路识别模块,提出了一种基于圆盘模型的渗流路径构建方法,采用有向图的数据结构来模拟圆盘模型概化后水流沿裂隙的渗流路径,并以邻接矩阵的形式存储其渗流路径数据。同时,为满足大规模裂隙数据快速求交的需要,本文给出了三维R树索引算法缩减遍历各个采样点所用的时间,提高了整套算法运行的效率。最后,以北京市房山区张坊地区地表采样裂隙数据为基础,借助遥感地质调查、重点岩溶区精细地质测量及取样分析等手段,开展三维裂隙空间网络分布模型研究,对岩溶裂隙渗流路径构建算法进行计算机仿真实现,为张坊地区岩溶发育机理的研究及岩溶水裂隙数值模拟提供可视化的分析手段。     

矿山废石淋溶对水环境的影响

为了研究废石堆砌对水环境的影响,通过对废石做淋溶实验,分析了出入水的水质变化规律,对废石衍生环境效应的过程、机制、影响因素方面进行讨论,揭示了人们容易忽视的酸性水中硫酸根、总硬度、微量金属离子的动力学变化机理,指出矿山废石对水环境的污染不至限于使水质酸化,硫酸根、总硬度也会大幅度提高,废石堆放应充分考虑当地的地理气候及水文条件,合理堆放,减少污染。     

地表水与地下水相互作用带中氮素污染物的反应迁移机理及模型研究进展

在地表水－地下水作用带内,水流途径、流速、滞留时间的差异及地表水－地下水的交换量从不同方面控制着氮素污染物的反应迁移过程,并影响污染物在地表水与地下水间的通量。因此,精细刻画地表水－地下水作用带内的水流模式是研究氮素污染物反应迁移及归宿的关键问题。受含水介质异质性、水流模式的复杂性及其与地球化学和生物地球化学过程的耦合作用影响,地 表 水－地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿极为复杂,研究十分困难。水流和污染物反应迁移耦合模型可将地下水流、污染物的物理迁移过程及其地球化学和生
物化学过程有机整合在一起,能更好地揭示氮素污染物反应迁移的过程和机理,预测其发展趋势,可 为 研 究 地 表水－地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿提供有力工具。      

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。