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。     

区域地下水流模拟

人类活动对地下水流系统及其周围环境已经产生区域性影响,对区域性影响的预测需求促进了区域地下水流模型的重大发展。功能强大的计算机的普及、用户界面友好的模拟系统及GIS软件的广泛应用使得区域地下水流模拟呈指数增长。大尺度的地下水非稳定流模型已经用于分析区域水流系统、模拟水均衡各要素随时间的变化及优化地下水管理方案。本文简述了区域地下水流模拟的发展历史,介绍了美国死谷和澳大利亚大自流盆地两个大区域地下水流模型实例。此外,文中亦介绍了区域地下水流模拟的方法,讨论了区域地下水流模拟中遇到的特殊议题。 更多还原     

淄博市大武水源地地下水流场演变及其影响因素

大武水源地是我国北方罕见的特大型地下水源地,其地下水源流场的演变与补给来源,排泄方式有密切的关系,而上游水库的放水则使这种关系变得不明朗。加强补给边界的水位监测,进一步研究补给边界的非自然影响是提高该区地下水资源评价,预测和管理精度的有效手段。     

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。     

裂隙网络地下水流数值模型及非连通裂隙网络水流的研究

本文在将裂隙系统的空间展布用集合函数和数值矩阵形象表出的基础上，建立了新的裂隙网络地下水流数值模型；并对有阻水裂隙在所造成的非连通裂隙网络水流问题，给出相应的解决方法。     

地下水流系统概念模型研究

地下水流系统是经过漫长地质时代的演化而形成的,其内部结构的不均匀性及外部环境因素作用程式的复杂性,使得系统的输入、输出在时空域上的变化相当复杂。在现有的经济、技术条件下,要对地下水     

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.     

非饱和裂隙介质中地下水流的运动

本文分析了控制裂隙多孔介质中水流渗透的基本过程，给出了各阶段锋面运动的渐近解，并与数值解进行对比。其成果适用于核废物处置、有害废物处理及石油回采等方面。     

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...     

地下水分层勘查技术在地下水流系统研究中的应用

地下水流是一种运动流体,空间上分布连续且能传递压力,在能量(势)差驱使下发生从水头高处向低处的运动.通常在补给(势源)区,地下水垂向上由上向下运动,而在排泄(势汇)区地下水由下向上运动,即地下水整个生命过程中总是由源到汇、向着能量减小的方向做径流运动,无论是在单个或多个透水岩层中都是如此.地下水分层勘查技术使在垂向上分...     

北京平原区域地下水流模拟

为深入研究北京平原地下水资源的现状及未来的变化趋势,探讨地下水资源可持续开发方案,文章建立了北京平原三维地下水流非稳定流模型。在充分分析北京平原区水文地质条件的基础上,建立了三维数字水文地质概念模型。从区域上将北京平原含水层系统划分为5个含水层和4个弱透水层互层的多层系统。在此基础上利用GMS模型软件建立了三维地下水稳定流模拟模型和非稳定流模拟模型。首先利用1995年丰水年的地下水均衡量建立和校正了稳定流模型。之后在稳定流模型的基础上建立和校正了非稳定流模型,非稳定流模型的模拟期为1995～2005年。最后用模型分析了北京平原区地下水流场的变化趋势。与20世纪60年代天然流场相比,北京市平原区区域地下水流场发生了巨大变化。除了区域地下水位整体下降外,在不同深度的含水层形成了规模不等的地下水位降落漏斗。自1999年以来的连续干旱,导致河流基本干枯,地下水补给量减少,加之应急水源地的投入运行,使地下水贮存量被持续地大量消耗,地下水位快速下降。长期以往,必将造成含水层地下水疏干。控制和减少地下水开采势在必行。     

盆地地下水流系统形成与影响因素分析

目前区域（盆地）地下水流系统模拟研究中,常用的定水头与通量两种上边界条件刻画方法与实际条件存在差距。通过对比两种方法的差异和各自适用条件,采用解析法讨论地下水位的形成控制机制,提出了改进后的变通量上边界数值模型,并以鄂尔多斯盆地北部白垩系地下水流系统为例分析了盆地地下水流系统的形成与影响因素。研究表明,鄂尔多斯盆地北部白垩系水流系统地下水位受地形、补给条件和渗透系数三者共同控制,同时特有的气候、地形和岩性组合通过控制地下水位影响地下水流系统的发育演化。采用变通量上边界法探讨上边界条件改变对盆地水流系统的影响,对深刻认识区域地下水流系统形成演化机制,揭示地下水系统与上边界气候变化、植被生态变化之间的相互作用关系具有一定优势。     

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。     

Application of tritium in precipitation and in groundwater of the Kouris catchment (Cyprus) for description of the regional groundwater flow

The Kouris catchment is located in the south of the Troodos massif in Cyprus. It constitutes one of the biggest catchments of the island with important freshwater resources. Geologically, the catchment includes an ophiolitic complex outcropping in the north which is overlaid by sedimentary rocks in the south. The hydrology is driven by a Mediterranean climate, a mountainous topography, and a complex distribution of the hydrogeological properties resulting from the complex geology.To improve the understanding of groundwater hydrology of the Kouris catchment, 176 groundwater and precipitation samples were collected and their ³H contents were analyzed. The three-dimensional ³H transport in the groundwater was simulated by the PMPATH code. For numerical modelling, a regional input function of ³H in precipitation was constructed from a linear regression between data for Cyprus and for neighboring meteorological stations. The calculated residence times for the groundwaters in the sedimentary aquifer and Pillow Lavas were greater than 48 a and were considerably greater than those of the ophiolitic complex (14–30 a). The calibrated aquifer porosities were in a range of 0.05–0.06. The PMPATH model was applied for delineation of spring catchments that were represented by quite narrow zones of lengths up to 5 km.Another contribution resulting from the ³H analysis was a better understanding of the river–aquifer interactions. In most of the southern part, the lithified sediments received only negligible amounts of water from the rivers, while the alluvial aquifer contained mostly water infiltrated from rivers. The largest springs in the southern part, associated with the alluvial aquifer, also discharged water identical to that in the rivers.     

Karst groundwater management by defining protection zones based on regional geological structures and groundwater flow fields

In a semiarid region, the karst aquifer generally forms a large groundwater reservoir that can play an important role in regional water supply. But because of the specific physical properties of karst aquifers, they are vulnerable to pollution and anthropogenic impacts. Karst groundwater management strategies are vital. As representative of karst springs in a semiarid area, Niangziguan Springs is located in the east of Shanxi Province, China with an annual average rate of discharge of 10.34 m³/s (1956–2003) (Y. Liang, unpublished data). The Niangziguan Spring Basin covers an area of 7,394 km² with an annual average precipitation of 535 mm (1958–2003) (Hao et al. in Carsologica Sinica 23(1):43–47, 2004). Over the past three decades, accelerated groundwater exploitation has caused water-table decline in the aquifer, reduction of the spring discharge, and deterioration of water quality. In this study, three protection zones were defined to ensure the quality and capacity of this resource. The confluence of the 11 spring systems and the discharge areas were defined as I protection zone, the recharge basin was II protection zone, and the slack water area where there is little surface recharge was the III protection zone. Management strategies for each zone were suggested and evaluated to provide a scientific foundation for sustainable utilization.     

A chlorine-36 study of regional groundwater flow and vertical transport in southern Nevada

Chlorine-36 data for groundwater from the Death Valley regional flow system is interpreted in the context of existing conceptual models for regional groundwater flow in southern Nevada. Chlorine-36 end member compositions are defined for both recharge and chemically evolved groundwater components. The geochemical evolution of ³⁶Cl is strongly controlled by water-rock interaction with Paleozoic carbonate rocks that comprise the regional aquifer system, resulting in chemically evolved groundwater that is characteristically low in ³⁶Cl/Cl and high in Cl. Groundwater from alluvial and volcanic aquifers that overlie the regional carbonate aquifer are generally characterized by high ³⁶Cl/Cl and low Cl signatures, and are chemically distinct from water in the regional carbonate aquifer. This difference provides a means of examining vertical transport and groundwater mixing processes. In combination with other geochemical and hydrogeologic data, the end members defined here provide constraints on aquifer residence times and mixing ratios.     

Controls on groundwater flow in the Bengal Basin of India and Bangladesh: regional modeling analysis

Groundwater for domestic and irrigation purposes is produced primarily from shallow parts of the Bengal Basin aquifer system (India and Bangladesh), which contains high concentrations of dissolved arsenic (exceeding worldwide drinking water standards), though deeper groundwater is generally low in arsenic. An essential first step for determining sustainable management of the deep groundwater resource is identification of hydrogeologic controls on flow and quantification of basin-scale groundwater flow patterns. Results from groundwater modeling, in which the Bengal Basin aquifer system is represented as a single aquifer with higher horizontal than vertical hydraulic conductivity, indicate that this anisotropy is the primary hydrogeologic control on the natural flowpath lengths. Despite extremely low hydraulic gradients due to minimal topographic relief, anisotropy implies large-scale (tens to hundreds of kilometers) flow at depth. Other hydrogeologic factors, including lateral and vertical changes in hydraulic conductivity, have minor effects on overall flow patterns. However, because natural hydraulic gradients are low, the impact of pumping on groundwater flow is overwhelming; modeling indicates that pumping has substantially changed the shallow groundwater budget and flowpaths from predevelopment conditions.     

乌鲁木齐河流域柴窝堡盆地与河谷区地下水流模拟

乌鲁木齐河流域柴窝堡盆地与河谷区是乌鲁木齐市的重要供水水源地。为了更好地为地下水资源的可持续开发提供依据,本文尝试将几何形状及含水层厚度差异悬殊的柴窝堡盆地与河谷区联合起来,运用GMS模型系统建立了区域地下水稳定流和非稳定流数值模型。通过对观测孔地下水位过程线和地下水流场进行拟合,校正了研究区的渗透系数、给水度和储水率等水文地质参数。并运用模型分析了研究区的地下水流系统、地下水均衡量、地下水位变化趋势及地下水位监测网的设计。结果表明研究区地下水流主要存在两个径流排泄区:沿乌鲁木齐主河道的径流排泄区和以柴窝堡湖和大小盐湖为排泄中心的径流区;地下水储存量相对较大,能够调节季节性变化与地下水开采的影响;应加强主要河流洪积扇补给区和山前侧向补给带地下水位的监测与排泄区泉水流量的观测。