半干旱区地下水流动系统季节性变化的机理及其效应

The theory of groundwater flow systems initially propoased by Tóth (1963) effectively characterizes the movement of groundwater in drainage basins. However, the presumption that the top boundary can be considered as a specified head boundary determined by the water table has been questioned by many hydrogeologists. Some researchers had studied the effect of infiltration rates on the configuration of water table and the pattern of groundwater flow systems. In arid or semi-arid regions, evaporation of groundwater is a key factor leading to the seasonal fluctuation of water table and the evolution of groundwater chemistry. In the proposed project, a cross-section in the Wudunao watershed in the Ordos Basin will be used as the study area. By monitoring of water tables in recharge zones and discharge zones,the pattern and the factors controlling the seasonal fluctuations will be studied by considering both infiltration and evaporation. By monitoring of water levels in different depths and contruction of a transient groundwater flow model, the pattern of groundwater flow systems in the basin will be studied. By monitoring of TDS and temperature, the response of groundwater chemistry and temperature to the seasonl fulctuations of groundwater flow will be analysed. In this way, the mechanism of seasonal fluctuations of groundwater flow systems could be revealed and the evolution of groundwater chemistry in arid or semi-arid regions might be explained.

地下水流动系统理论较好地刻画了不同尺度盆地的地下水循环规律，但该理论假定上部边界为潜水面控制的给定水头边界的合理性是一个非常值得商榷的问题。已有学者将上部边界改为流量边界研究了降水补给强度对潜水面位置以及地下水流动系统分布的影响。在干旱半干旱区，潜水蒸发对潜水面的季节性动态以及水化学成分的也有重要影响。本项目将以鄂尔多斯盆地乌杜淖流域的典型剖面为例，利用补给区、径流区和排泄区的潜水面动态监测资料，综合考虑降水补给和蒸发排泄两个方面因素，对潜水面季节性波动特征的空间分布规律和控制因素开展研究；通过不同深度的水位动态监测以及建立非稳定流数值模型，研究深部水动力场的季节性变化规律；利用TDS和温度的动态监测资料以及水化学成分分析，分析化学场和温度场对水动力场季节性变化的响应。这些研究有望揭示地下水流动系统季节性变化的机理，并解释干旱半干旱区水化学场演化规律。

地下水流系统理论较好地刻画了不同尺度盆地的地下水循环规律，但该理论假定上部边界为潜水面控制的给定水头边界的合理性受到了质疑。部分学者将上部边界改为流量边界研究了降水入渗补给强度对潜水面位置以及地下水流动系统分布的影响。在干旱半干旱区，潜水蒸发对潜水面的季节性动态也有重要影响。因此，需要同时考虑降水入渗和潜水蒸发开展潜水面分布的研究。.本项目以鄂尔多斯盆地乌杜淖流域的典型剖面为例，在补给区和排泄区分别开展了潜水面动态监测和土壤含水量动态资料。潜水面动态数据表明，在一年的尺度上，补给区潜水面波动年内呈“单峰单谷”现象，每年4月水位最高，8月水位最低；排泄区潜水面波动呈“双峰双谷”现象，每年4月和1月水位高，8月和1月水位低，成因为降水、蒸发和季节性冻土。在排泄区潜水位埋深为1-2 m的情况下，从地表到70 cm深度范围内，土壤水含量对大气降水有响应，但是响应幅度随深度增加而减小；更深部位的土壤水含水量主要受潜水面高度控制。这些现象为深入分析排泄区降水—蒸发—土壤水—地下水之间的相互关系奠定了基础。.监测表明，在一年的尺度上，补给区的潜水面波动幅度大，排泄区的潜水面波动幅度小。基于这种特征，分别研究了随时间变化的不同起伏程度的潜水面对单元盆地和复杂盆地水动力学特征的影响。对于单元盆地，补给区水位波动幅度随着深度增加而减小，排泄区水位波动幅度随着深度增加而增大；随着潜水面相对起伏因子的减小，自流水头减小，自流区范围也减小，合理解释了自流井分布规律以及自流井季节性变化的成因，并且提出了利用自流井分布范围圈定排泄区范围的方法；在复杂盆地上游的排泄区，自流水头会出现随着深度增加先增大后减小的现象。.现有监测表明，饱水带的地下水化学组分和温度的季节性变化并不明显，因此基于稳定流情况定量耦合了水流系统的水动力场和年龄场、温度场，分析了盆地尺度地下水年龄和地下水温度分布规律。.本项目研究较好地揭示了地下水流系统季节性变化的机理，一定程度上完善了地下水流系统理论。