非均质介质中地下水水位及补给与排泄的时间尺度效应研究

Groundwater recharge and discharge are two important processes in a basin-scale groundwater cycle. These processes vary with time and space and they affect and control groundwater variations and availabel groundwater resouces. A deep understanding of these processes is not only therotically important but practically significant in effective management of water resources and environment. Groundwater recharge and discharge is thus in the frontier of international groundwater research. Currently, we know little about the nature of groundwater recharge and dischage, especially their temporal and spacial variations. The main reason is because groundwater recharge and discharge are affected by many factors and are usually difficult to meansure. On the other hand, it is relatively easy to measure the changes in groundwater levels. There are aboundant data of observed groundwater levels. In this project based on the analyses of groundwater level data, we will investigate the scaling of groundwater level variations and its relation to variations of groundwater recharge and discharge with stochastic analyses and numerical simulations. We will also study the effect of aquifer heterogeneity and fluctuations of river stages on scaling of groundwater levels to improve our understanding of the processes of groundwater recharge and discharge.

地下水补给与排泄是地下水循环的两个重要过程。这些过程随时空变化，影响并控制着地下水动态与资源可利用量，乃至流域的生态与环境。深刻理解并掌握地下水补给与排泄的时空变化规律不仅对水文地质学的发展有着重要的理论意义，而且对地下水资源管理与水环境保护具有重要的实际意义。目前我们对地下水补给与排泄过程的时空变化规律认识十分不足，其主要原因是地下水补给与排泄受诸多因素影响且难以直接观测。因此，地下水补给与排泄是国际地下水科学研究的前沿课题之一。观测表明，地下水位的变化是地下水系统对补给和排泄的动态响应，地下水位的变化隐含着地下水补给和排泄的重要信息。而地下水位的变化相对容易观测，已积累了大量资料。本项目在分析地下水位观测数据的基础上，使用随机方法和数值模拟研究地下水位的时间尺度效应及其与地下水补给和排泄时空变化的关系以及非均质和河流对地下水位时间尺度效应的影响，以揭示地下水补给与排泄等过程的变化规律。

补给与排泄是地下水循环的两个重要过程。这些过程随时空变化，影响并控制着地下水的动态与资源可利用量，乃至流域的生态与环境。深刻理解并掌握地下水补给与排泄的时空变化规律不仅对水文地质学的发展有着重要的理论意义，而且对地下水资源管理与水环境保护具有重要的实际意义。目前我们对地下水补给与排泄过程的时空变化规律认识十分不足，主要原因是地下水补给与排泄受诸多因素影响且难以直接观测。观测表明，地下水位的变化是地下水系统对补给和排泄的动态响应，地下水位变化隐含着地下水补给和排泄的重要信息。本项目在收集并分析降雨、河流流量和地下水水位数据的基础上，计算其功率谱密度，分析其时间变异性及尺度效应；使用非平稳谱分析方法求解得到非均质潜水含水层地下水随机微分方程，分析了地下水补给量的时间变异性对地下水位和河流基流量时间分形尺度效应的影响；选取典型流域，分析降雨、河流流量及水文地质条件，建立四水转换耦合的概念模型，编写了四水转换耦合模型数值解的计算程序，修改和调试成功计算程序；利用数值方法求解关于地下水位和补给量的方差函数和互协方差函数的统计距方程组，利用非平稳谱方法分析了含水层非均质性对地下水位及河流基流量时间尺度效应的影响；利用降雨量、河流径流量和地下水位的观测值识别和验证了四水转换耦合模型，定量地评价土壤入渗、蒸散发、土壤湿度和地下水补给对地下水和河流基流量时间尺度性的影响。本研究完成了项目计划的研究内容和目标，共发表科技论文9篇，其中7篇均发表在国际水文学一流SCI刊物上，2篇发表在国内核心刊物上，项目负责人应邀参加多次国际国内学术会议报告研究成果。培养博士生2名，硕士生5名。