地下水循环动力学结构的三维特性研究

What is the kinetic definition of the three-dimensional (3D) boundary for groundwater circulation? How to partition the circulation elements from a complex continuous seepage field? These are fundamental equations exist in the hydrogeology. This project studies the 3D characteristics and properties of the kinetic structure in groundwater circulation, based on the steady-state groundwater flow field. It attempts to establish a new dynamic theory for the 3D groundwater circulation, develop a partitioning approach for the 3D groundwater flow systems and reveal the 3D nested structures of groundwater circulation in different types of hydrological systems as well as the hydrological effect of the 3D groundwater circulation. The project takes the Erdos Plateau as a typical research area and standing on the concerned sites of the Wushenzhao lake-group basin and the watershed basins from Dosit river to Wuding river, the characteristics of the nested groundwater circulation structures and their hydrological effects in lake-group basins and river basins will be investigated, on the basis of hydrogeological survey and numerical modeling of the coupling groundwater-surface water systems. This project provides a 3D view on the relationship between groundwater circulation process and watershed hydrological process so that new ideas could be found for the basin classification and water resources assessment in arid and semi-arid regions.

如何从水动力学角度定义地下水循环单元的三维边界？如何从复杂的地下水三维渗流场中划分出基本的结构单元？这是水文地质学尚未解决的基础性问题。本项目以地下水稳定流场为基础，开展地下水循环动力学结构的三维特性研究，致力于发展新的三维地下水循环动力学理论和方法，提出划分三维地下水循环单元的方法，揭示不同类型水文系统的三维地下水循环嵌套结构特征及其水文效应。项目以鄂尔多斯高原为典型区，以乌审召多湖盆地和都思兔河-无定河流域片区为重点研究地段，利用水文地质勘探调查和地下水-地表水耦合数值模拟等手段，研究多湖盆地与河流盆地的地下水三维嵌套结构特征及其水文效应。项目将从三维角度揭示地下水循环过程与流域水文过程的关系，为干旱、半干旱地区流域划分和水资源评价提供新的思路。

地下水循环是水文循环的重要组成部分，对水资源的形成转化具有重要影响。弄清楚地下水循环的动力学特性，是地下水资源准确评价与合理开发利用的关键基础，也是科学认识地表水、地下水、土壤水相互作用关系的前提。本项目以鄂尔多斯高原为重点研究区，开展地下水循环动力学结构的三维特性研究，研究内容包括：地下水稳定流场三维结构的动力学理论和划分方法；多湖盆地三维地下水循环的结构特征与水文效应；河流盆地三维地下水循环的结构特征与水文效应。在项目执行期内，研究工作总体按照计划执行，少量野外调查观测工作受到新冠肺炎疫情影响而被延误。项目涉及到的关键科学问题已经得到较为充分的解决，达到了预期的研究目标。项目取得的研究进展包括：（1）建立了地下水循环三维动力结构描述的新理论，提出地下水循环单元的新概念，改进完善了经典的Tóth（1963）剖面二维地下水流系统理论以及Engelen等（1996）提出的三维地下水流系统方法；（2）在地下水循环与地表水文耦合方面，提出2个新的流域尺度气候水文模型解释了气候变化条件下地下水循环对河流水文的影响，发现三维地下水流系统的结构可以形成跨流域地下水循环路径；（3）在方法技术上，研发出地下水循环流线追踪的高性能计算技术，提出并实现地下水年龄剖面拐点法识别地下水流系统的方法。依托项目研究共发表学术论文15篇，授权发明专利2项，培养博士生4名、硕士生4名。研究成果能够促进地下水循环动力学理论和方法的发展。