地下水流系统研究中的方法论探讨:以CUG-武汉地下水流系统研究为例

地球系统科学和地下水流系统理论的出现,标志着水文地质学进入新的发展时期.地下水流系统理论已成为水文地质学的新范式,其产生和发展,从方法论上为地下水问题的研究提供了新的启示.自20世纪80年代初以来,中国地质大学(武汉)地下水流系统组持续开展了地下水流系统理论与应用研究.试图从方法论的角度回顾与总结这些研究成果.地下水问题受多因素影响,研究应以"目标与问题导向相结合",靶向准确,才能在信息浩渺中不失方向,向着目标前行;研究时应采用"假设演绎法",先依据已有认识和资料演绎出应有的现象,再有目的 地观察和寻求证据,或修改假设继续求证,直到假设被证实或证伪;演绎寻证过程,可以采用"控制性实验""信息提取与组织""多学科方法与手段融合"等技术方法.实例分析证实,控制性模拟实验使我们得出了地下水流模式的新认识;采用多通道的信息提取、加工和组织,构建地下水流系统模式,能够有效解决各类工程中的应用问题;多学科与手段融合、各种信息相互验证,提高了结果的可信度.以实例研究为基础,从研究方法上的总结能为正确认识和理解地下水流系统理论、推进新理论和新思路在水文地质研究中的应用提供参考.     

塔里木盆地南缘浅层高碘地下水的分布及成因:以新疆民丰县平原区为例

塔里木盆地位于欧亚大陆腹地,远离海洋,地下水是塔里木盆地南缘重要的供水水源,查明该区浅层地下水中碘（I-）的分布及成因至关重要.基于新疆塔里木盆地南缘的民丰县平原区44组浅层地下水水样,综合运用水化学图解法、数理统计法和GIS技术,分析潜水和浅层承压水水化学特征、碘的空间分布及高碘地下水的成因.结果表明:民丰县平原区浅层地下水中碘的富集和贫乏共存;潜水和浅层承压水I-含量范围分别为≤730 μg/L和≤183μg/L,潜水水样中缺碘水、适碘水、高碘水和超高碘水占比分别为19.4%、69.4%、5.6%和5.6%,浅层承压水水样中缺碘水、适碘水和高碘水占比分别为12.5%、75.0%和12.5%,潜水中缺碘水和超高碘水均高于承压水.从山前倾斜平原到细土平原,地下水中I-含量呈明显上升趋势.高碘水和超高碘水水化学类型主要为Cl·SO₄-Na型和Cl-Na型.除水文地质条件和偏碱性的地下水环境外,研究区潜水碘主要受强烈的蒸发浓缩作用、第四系全新统沼泽堆积物和矿物溶解沉淀的影响,浅层承压水碘主要受矿物溶解沉淀及还原环境的影响.      

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。     

北方岩溶大泉地下水系统的圈划:以太原盆地东西山地区为例

运用地下水系统分析理论, 以山西省太原盆地东西山地区为实例, 利用GIS技术对区内岩溶大泉地下水系统进行了圈划.运用岩相古地理、地质构造和水文地质分析方法, 首次提取了研究区岩溶含水系统的区域隔水底板等高线、边山断裂两壁投影图及岩溶水系统图等定量或半定量水文地质信息, 圈划出了东西山岩溶水系统的局部饱水带、饱水带和碳酸盐岩非饱水带.研究结果表明, 西山地区兰村泉、晋祠泉属于同一个岩溶子系统; 西冶泉岩溶子系统是相对独立的岩溶水系统; 东山基岩山区大部分属于娘子关泉岩溶子系统, 且东山岩溶水子系统与盆地地下水有密切水力联系而与兰村泉-晋祠泉岩溶子系统无直接关系.这些为模拟盆地地下水系统和评价北方岩溶地下水资源提供重要的科学依据, 对前人就太原盆地边山岩溶水系统边界的确定和内部结构的划分提法有了新的认识.      

再生水干湿交替入渗过程中添加碳源对包气带脱氮的影响

干湿交替的回灌方法常被用于解决再生水地表回灌的堵塞问题,但干湿交替回灌可能造成硝态氮被淋洗进入地下水.通过室内土柱模拟入渗实验,对比研究了以葡萄糖作为碳源的低碳氮比再生水干湿交替回灌、干期前蒸馏水淋洗、干期前添加甲醇溶液和干期后添加甲醇溶液4种条件下对包气带氮素迁移转化和脱氮效果的影响.实验表明,对于碳氮比为2.5∶1...     

华北平原地下水演变机制与调控

自20世纪70年代以来,华北平原长期的地下水过量开采形成了复杂的地下水降落漏斗,并引发了一系列环境地质问题。为建立区域社会经济发展与地下水资源与环境之间的协调机制,国家973项目"华北平原地下水演变机制与调控"在大量前人研究基础上,进一步分析了近50年来地下水动力场演变特征及其对人类活动的响应,揭示了包气带结构变化影响下包气带水力参数的变化,研究了深层地下水开采引起的地面沉降、咸水移动和资源量转换机理;利用改进的地下水数值模拟技术,建立了2001—2010年华北平原地下水流数值模型,计算了最新的地下水资源量。分析了地下水资源承载力的主要影响因素,进行了华北平原地下水资源承载力定量评价,给出了华北平原地下水的优化调控途径,目前正在以高精度地下水流数值模型为核心,模拟各区的地下水优化调控方案。     

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.      

地质统计学在含水层参数空间变异研究中的应用进展与发展趋势

科学合理评价地下水资源,对统筹规划、合理开发利用区域地下水,保障区域生态环境安全至关重要.获取含水层参数空间变异规律是解决地下水渗流、污染物运移、地下水开发利用等诸多地下水问题的重要基础.然而,受常规勘察技术所限,含水层非均质性难以直接刻画.两点地质统计学通过变异函数确定随机变量相关关系,解决地质变量空间线性估计并表征...     

基于野外水力试验的玄武岩渗透性及尺度效应

在金沙江溪洛渡水电站坝区玄武岩中,进行了3种水力试验,探讨玄武岩渗透性及其尺度效应。平硐渗水试验的试验尺度为1～2 m,渗透系数为10-4～101 m/d,非常离散;地下水示踪试验的尺度为70～145 m,渗透系数为10-0.5～100.5 m/d,非常集中;压水试验的试验尺度为4～7 m,渗透系数值10-2～100 m/d。试验结果显示渗透系数随着试验尺度的增加而增大,笔者认为产生尺度效应的原因在于非均质性。小尺度试验常作用在局部基质段或单条裂隙上,而大尺度试验常穿越几条大裂隙,所获得的渗透系数值要大于前者。在进行裂隙岩体地下水渗流研究时,针对不同尺度的研究对象,应选择不同尺度的野外水力试验来求取渗透系数。     

基于PHREEQC的某大坝排水洞析出物定量预测

水工建筑物排水孔洞中常常析出大量各色固体物质,对水工建筑物的安全稳定运行产生不可忽视的影响。某大型水利工程排水孔洞中析出物是典型的地下水环境变化下的水文地球化学现象,应用PHREEQC定量模拟析出量结果表明:单位长度析出量介于0.0303～0.9124kg/a,大坝析出物问题并不严重;一、二、三、五、七号单元的单位长度析出量小于0.66kg/a;四号、六号单元的单位长度析出量分别为0.8656kg/a和0.9124kg/a,属于相对危险部位,应该重点监测。应用PHREEQC定量模拟水-岩相互作用,揭示析出物的水文地球化学变化过程,可以为大坝安全监测提供科学依据。