华北平原典型超采治理区地下水变化机理及趋势预测研究

The North China Plain is one of the most serious groundwater overexploitation areas in China. Hebei Province has carried out the comprehensive management of groundwater overexploitation to restore the groundwater resources. The large-scale reduction of groundwater exploitation could cause the changes in groundwater dynamics as well as the changes in geochemical processes, which would be of great importance to the security of water resources in the North China Plain. So it is of great significance to study the mechanism and trend prediction of groundwater change in the groundwater over-exploitation control areas. In this study, Heilonggang Plain in the city of Handan is selected as the study area, where groundwater exploitation reduction produces remarkable effects. Hydrologic observation, hydrochemistry and environmental isotopes will be used to identify the changes in groundwater hydrodynamic conditions and hydrochemistry as well as driving factors after the implementation of groundwater-exploitation reduction program. The inversion of aquifer hydrogeological parameters will be conducted by using hydraulic tomography method, and the three-dimensional heterogeneous structures of large-scale aquifers can be characterized by coupling multi-source data. And then, the model of groundwater flow and solute transport will be constructed to predict the trends of groundwater dynamics and chemistry in the future. The findings of this research can provide new insights for the sustainable utilization of groundwater and hydro-environment protection in the groundwater over-exploitation control areas.

华北平原是我国地下水超采最严重的地区之一。为了恢复地下水资源，河北省开展了地下水超采综合治理，地下水大规模减采后会引起地下水动力条件发生较大变化，从而进一步导致水文地球化学过程的变化，这种影响变化关系到华北平原水资源安全。因此，对超采治理区地下水变化机理及趋势预测进行研究具有重要意义。本项目选取地下水压采效果明显的邯郸黑龙港平原为研究区域，综合利用水文观测、水化学和环境同位素示踪技术，在识别压采后地下水动力条件和水化学特征变化及其影响因素的基础上，运用水力层析法反演含水层水文地质参数空间分布，耦合多源数据刻画大尺度含水层三维非均质性结构，从而构建地下水流及溶质运移模型，预测未来地下水的变化趋势。本项目的研究成果可以为超采治理区地下水可持续利用和水环境保护提供科学依据。

为准确评估华北平原地下水超采治理效果，迫切需要查明压采条件下地下水的变化机理及未来演变趋势。本项目选取地下水压采效果显著的邯郸黑龙港平原为研究区域，综合利用水文观测、水化学、同位素示踪、水力层析和数值模拟技术开展了相关研究。项目完成的研究工作主要包括：（1）分析了压采条件下地下水水位及流场的时空变化特征，查明了地下水补径排模式；（2）揭示了压采条件下地下水水化学的变化特征及其影响因素，明确了地下水位变化与水化学演化的内在关联；（3）刻画了大尺度含水层三维非均质性结构；（4）模拟预测了未来不同压采情景下地下水的时空变化趋势。.研究发现：（1）地下水超采治理取得明显成效，水位开始止跌回升，漏斗面积逐渐减小，但总体流动趋势变化不大；大气降水和地表水入渗补给是区内地下水的主要补给来源，浅层地下水与深层承压水有一定的垂向水力联系。（2）提出了一种耦合稳定同位素和水化学数据划分不同含水层水样的新方法；压采间接改善了浅层地下水水质，但对深层承压水水质影响不大。（3）水力层析方法反演得到了与实际水文地质条件基本相符的参数分布，即浅层地下水渗透系数（2~26.2 m/d）和给水度（0.02~0.24）、深层承压水渗透系数（0.28~16.5 m/d）和储水率（0.000035~0.0004 1/m）。（4）未来地下水将总体趋于采补平衡，漏斗中心水位下降趋势将得到明显遏制，浅层地下水水质趋于好转，深层承压水水质相对稳定。截止目前，项目共发表高水平SCI论文9篇（第一作者）、中文EI论文1篇（通讯作者）、中文核心论文1篇（通讯作者）。其中，中科院1区TOP论文4篇、2区论文4篇、3区论文1篇。培养硕士研究生4名，其中3人获评国家奖学金、1人获评河北省三好学生和河北省优秀硕士学位论文等荣誉。研究成果丰富和发展了华北平原压采条件下地下水变化的基础理论和科学认识，具有重要的科学意义和应用前景。