“引哈济党”工程对敦煌盆地地下水位影响的数值模拟研究

国务院批准的《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划（2011—2020）》旨在缓解敦煌盆地水资源的合理利用与生态保护之间的矛盾。随着规划的实施,近年来盆地内水面的面积增大,作为规划骨干工程之一的“引哈济党”工程的实施必要性得到质疑。地下水是盆地重要的水源,也是影响西湖自然保护区等生态的关键因素。为定量分析引哈济党工程不同调水量下盆地地下水位时空演化态势,本研究建立了地下水三维流数值模型,结合长期观测井和统测井水位等数据对模型进行了识别和验证。模型应用发现:2010—2018年区域年均地下水储量亏空约0.40×108 m3,主要分布于党河洪积扇区和党河灌区北部,但党河灌区和西湖自然保护区核心区的地下水储量亏空分别约2.62×106,9.99×106 m3。采用模型预测了调水量为0.80×108,0.90×108 ,1.00×108,1.20×108 m3/a时,50年后地下水位动态,发现党河洪积扇地下水位回升5.0～20.0 m,月牙泉区地下水位回升7.0～15.0 m,而西湖自然保护区在模拟期内地下水位回升0.5 m以内。地下水侧向径流补给是西湖自然保护区核心区的重要和持续的补给水源,“引哈济党”工程将确保西湖地下水位的缓慢回升。研究结果可为“引哈济党”工程的实施论证提供重要参考。     

基于GRACE重力卫星的甘肃北山地区地下水储量变化规律研究

作为我国高放废物地质处置预选区之一的甘肃北山地区,其地下水动态规律研究对于安全地地质处置有着重要的意义。重力反演与气候实验卫星(GRACE)数据可从网上免费获取,为分析区域地下水运动规律提供了可能。利用GRACE数据和全球陆面同化系统(GLDAS)数据反演了甘肃北山地区2003—2012年的地下水储量变化。结果表明:2003—2012年间甘肃北山区域地下水储量变化呈约0.26 cm/a下降趋势,且由西向东方向,地下水储量变幅呈减少趋势;区域地下水储量变化与同时期的降雨量关系不大。采用的基于GRACE-GLDAS的反演方法对于缺乏地下水动态监测数据的区域尺度地下水动态变化分析具有较大的应用潜力。     

永定河生态补水的地下水位动态响应

永定河流域生态修复是京津冀协同发展的重要议题,地下水位对生态补水动态响应的研究是关键的科学问题。以2020年春季永定河生态补水实践为研究基础,采用地下水均衡分析、相关分析和聚类分析等多种技术手段,详细讨论了不同河段河道渗漏损失、地下水动态变化与控制因素。研究发现,2020年春季大流量生态补水河道的渗漏损失率（20%~40%）比2016年（30%~60%）和2019年（41%~58%）的小流量生态补水低;生态补水条件下,77眼观测井地下水动态呈现显著回升、变化不显著和持续下降三种变化规律;根据影响因素划定了河道渗漏补给主控型、河道渗漏和降水主控型、河道渗漏-降水-地下水开采作用明显型、河道渗漏-降水-地下水开采作用不明显型4种类型。其中,河道渗漏主控型的监测井在补水期的地下水位迅速升高,升幅一般在1~19 m之间,最大达20 m,而且存在明显的滞后性。这些规律可为制定科学的生态补水方案提供技术参考。     

甘肃北山区域地下水流数值模拟研究

掌握区域地下水流场是高放废物地质处置场选址及适宜性评价的重要先置条件。甘肃北山高放废物处置预选区面积广、数据资料少,准确划分该区域地下水流场和高放废物预选区选址的安全性评价都存在难度。本研究采用地表流域划分方法、多相流数值模拟软件TOUGH2-MP/EOS3和GRACE重力卫星等方法,建立了区域地下水饱和-非饱和流模型,并完成了模型识别和参数率定,论证了模型的合理性和可靠性。研究结果表明:约1%的降水量入渗至地面以下;地形条件是影响地下水流场的主要因素,而气候条件对地下水流场形态影响相对较小;区域地下水流动系统由北向南可分为三个子系统（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）,其中高放废物地质处置场预选区位于研究区南部独立的地下水子系统Ⅲ中,且该子系统面积最小。本研究为面积广、实测数据资料较少的干旱地区提供了一套有效的数值模拟方法,研究结果可为预选区选址的安全性评价提供重要依据。     

有入渗补给的层状非均质含水层圆岛潜水井流模型

作为圆岛状均质含水层稳定井流模型,经典的Dupuit井流模型既没有考虑普遍存在的降水入渗补给,也不适用于层状非均质含水层系统,有必要加以完善。在考虑降水入渗补给改进Dupuit井流模型的基础上,进一步将其拓展到层状非均质潜水含水层。引入Гиринский(吉林斯基)势函数,根据水均衡原理建立极坐标下的地下水流微分方程,再依边界条件解析得到了相应的流量方程、水位方程和分水岭公式。以双层结构为例,观察30组不同参数条件的典型水位曲线组,发现不同渗透系数的水位曲线交于一点的特殊现象并从理论上给出了证明。解析模型仍引入Dupuit假定,且没有考虑抽水井的井壁“水跃”现象,为判断这些条件对解析公式适用能力的影响,建立轴对称剖面二维流数值模型并做了对比研究。除抽水井附近外,水位解析方程产生的相对误差一般低于4%,在最偏离Dupuit假定的分水岭处,距离和水位的解析误差均小于0.1%。Dupuit假定并没有严重影响解析模型的适用性。     

渭干河流域三维地下水流数值模拟

在新疆首次采用六层含水系统的三维地下水流数值模拟，对渭干河流域地下水资源进行评价．同时．在处理混合井流和混合观测孔时，采用“渗流一管流耦合模型”；在处理河流入渗和降雨入渗方面采用了“入渗滞后补给法”；处理潜水蒸发方面，采用了非线性关系来刻画潜水蒸发强度和潜水位埋深的关系．用“参数迭代法”来确定水头未知的含水层的初始水头，提高了模型的仿真性及对地下水资源评价的精度．     

山东烟台夹河中、下游地区海水入侵三维水质数值模拟研究

建立了三维变密度对流弥散水质数学模型来研究山东省烟台夹河中、下游地区咸淡水界面的运移规律。以四面体为基本离散单元 ,推导出三维海水入侵变密度水质模型求解的数值方法 ,其中水流方程求解时运用了迦辽金有限单元法。溶质运移方程求解时运用了欧拉拉格朗日混合方法 ,将对流项与弥散项分离 ,用传统迦辽金有限元方法求解弥散项 ;采用自适应MOC MMOC法求解对流项 ,以消除人工过量和数值弥散。根据地下水的潮汐效应观测信息 ,确定了含水系统的海底延伸边界 ;利用该地区地下水水头及水质长观资料识别了模型的水文地质参数 ,探讨了夹河地区海水入侵的原因 :认为夹河下游地区滨海地带地下水过量开采是造成烟台地区海水入侵的主要原因。此外 ,海水随潮定期地倒灌进入夹河 ,通过局部岩性天窗侵入淡水含水层加剧了沿夹河河床两侧地下水的咸化。同时还预测了几种情况下地下水的水质演化趋势 ,为防止和减轻夹河地区海水入侵提供合理、科学的依据。     

岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法研究

岩溶含水介质由管道、裂隙与孔隙３类空隙介质组成，它们对地下水流动具有不同的贡献。简述了当前岩溶水的几种主要定量评价方法，提出折算渗透系数尺概念，建立了岩溶三重空隙介质地下水流统一的控制方程，引出管道与裂隙在达西流与非达西流状态下的渗透系数与折算渗透系数的表达式，从而将达西流与非达西流耦合在一个模型中。本文提出岩溶三重介质地下水流的模拟方法，并给出理想模型的模拟结果。     

双层抽水试验中观测井井筒效应的数值模拟研究

建立了具有代表性的双层含水层抽水概念模型,基于等效渗透系数法建立了井筒—含水层耦合数值模拟模型,利用该模型模拟了双层抽水试验中观测井井筒及周边水头降深的分布、观测井内部水流的垂向分布、含水层与观测井的补给关系。分析了井筒效应的发生机理及观测井井筒内径和径距对井筒效应的影响规律,得出以下主要结论:在双层含水层中利用不完整井抽水时,同一水平位置不同高度处的水头降深不一样,由此导致的垂直方向的水头差会导致观测井内产生垂向水流,水流的流量受观测井井径和径距影响,井径越大流量越大,径距越大流量越小;观测井中的垂向流量会导致井筒周边含水层水头的重分布,此即井筒效应。距离观测井越近,受井筒效应影响越大。同时井筒效应的影响程度和影响范围受观测井井径和径距决定,井径越大影响程度和范围越大,径距越大影响程度和范围越小。     

松花江佳木斯段潜水脆弱性评价

鉴于松花江流域地下水的重要性和当前污染,运用改进的DRASTIC模型,对松花江佳木斯段5～10 km范围内潜水进行了脆弱性评价。选取净补给量、包气带介质、含水层厚度、地下水水位埋深、土地利用类型、污染源影响和地下水开采模数建成评价指标体系;采用层次分析法确定各指标权重,结合GIS技术实现了脆弱性分区,并将结果与地下水质评价结果进行对比;最后通过敏感度分析讨论了所选指标的合理性。结果表明:地下水脆弱性相对较低和低脆弱区共占研究区面积的82.76%;较高和高的区域仅占8.13%,主要分布在七水厂、江北水源地以及污染强度较大的点源污染周围。地下水埋深、包气带岩性和地下水开采模数是对潜水脆弱性影响最大的因素。评价结果比较真实地反映了松花江佳木斯段潜水脆弱性状况,对城市规划建设和地下水资源的可持续利用具有指导意义。