季节性冻融灌区多相多尺度水分运移规律及耦合模型

The water cycling processes in seasonal frozen irrigation areas become more complex due to the change of irrigation/drainage methods and soil frozen processes. The local soil water dynamics are strongly influenced by the upper boundary conditions and then control the recharge to groundwater aquifer, which is also impacted by the regional groundwater system. This study focuses on the long-term multi-scale and multi-phase soil water and groundwater dynamics and the fully coupled model development by four major methods or techniques, as data analysis of typical irrigation areas, field experiments, theoretical analysis and numerical simulation models. We will specifically discuss the soil water variations in space and time, as well as the regional groundwater dynamics. The relationship between the local soil water characteristics and the regional groundwater system, the groundwater system impacts on the local soil frozen processes and parameters are then analyzed. Subsequently, the mathematical descriptions to represent the average exchange flux between the soil zone and groundwater system both in the growing and frozen seasons are needed. A new algorithm is proposed for multi-scale modelling of groundwater system, and then to be integrated with the multi-phase soil water model as the final multi-phase and multi-scale water flow model. This study is significant important for understanding the long time trend, and the scale differences between the soil water and groundwater movement in the seasonal frozen irrigation areas.

灌溉排水方式的改变和冻融交替过程，造成了季节性冻融灌区水分运动规律的变化。本研究以灌区受边界影响强烈的局部土壤水迁移与大尺度地下水演变过程及相互作用为研究对象，采用典型灌区资料分析、试验观测、理论分析和数值模型相结合的方法，研究季节性冻融灌区水分长期演变规律及其耦合模型构建方法。探讨局部土壤水多相运动时空变异特征和区域尺度地下水动态变化规律，分析局部土壤水分状态与区域尺度地下水的相关关系；分析区域地下水对局部土壤冻融关键过程和参数的影响，提出代表土壤-地下水平均交换流量的土壤水多相过程描述方法；构建适用于不同尺度地下水运动的高效数值模型，并将土壤水系统与地下水系统进行耦合，发展土壤-地下水多相多尺度嵌套耦合数值模型。该研究将为揭示季节性冻融灌区水分运动的尺度差异及长期演化特征提供理论和模型支持。

北方季节性冻融灌区受边界影响强烈，局部土壤水迁移与大尺度地下水演变过程相互耦合，在灌溉排水方式改变和冻融交替过程的影响下水分运动具有多相多尺度的特点。本研究针对季节性冻融灌区水分运动规律这一关键问题，通过野外试验探明了局部土壤水多相运动时空变异特征和区域尺度地下水动态变化规律；提出基于遥感数据的区域尺度潜水蒸发计算方法；提出一维饱和-非饱和水热耦合模型FROZEN和非饱和带水均衡模型UBMOD，并构建了区域尺度土壤水-地下水嵌套耦合模型CoupMod；进一步基于数值试验明晰了生育期和冻融期局部尺度土壤水与区域尺度地下水的补排关系，阐明土壤水分相变过程影响下的土壤水-地下水耦合交互机理与迁移转化特征。该研究对深入认识季节性冻融灌区水文循环特征及迁移转化机理具有重要的意义。具体工作包括：（1）在内蒙古河套灌区永联试验区与隆胜试验区开展生育期与冻融期不同地理单元土壤水-地下水动态监测试验，分析不同时期局部尺度土壤水与区域尺度地下水的交换特征；（2）提出并构建了考虑冻融的一维饱和-非饱和水热耦合模型FROZEN，阐明了土壤水分相变过程影响下的土壤水-地下水耦合交互机理与迁移转化特征；（3）在区域尺度范围上，基于遥感数据与区域地下水位监测数据提出了区域尺度潜水蒸发量计算方法，探明了河套灌区区域潜水蒸发量的时空变化特征与关键影响因素；（4）根据非饱和带水分运动特点，基于水均衡模型与统计方法构建了非饱和水分均衡模型UBMOD，并通过复杂条件确认了模型在复杂边界、不同时空尺度、非均质土壤等情况下的可信度；（5）迭代耦合非饱和水分均衡模型UBMOD与饱和带水动力模型MODFLOW，构建了区域尺度土壤水-地下水耦合模型CoupMod，并探明了局部尺度土壤水与区域尺度地下水多尺度数值耦合方案，最终揭示了季节性冻融灌区水分运动的多相多尺度特征及长期演化规律。