基于地质统计学方法识别岩溶含水层的非均质性

Heterogeneity of karst aquifer controls the distribution and movement of groundwater. Identifying the heterogeneity of aquifer is critical for the rational development and protection of karst groundwater resource. Due to the scarcity of direct observation data and complexity of underground karst fracture and conduit networks, detailed characterization of the heterogeneous karst aquifer is an important task in hydrogeology studies. To deal with the difficulties in measuring the parameters of karst aquifer heterogeneity, validation of site-specified numerical models, and joint utilization of multi-types of observation data, this project will, (1) integrate various types of observation data into geostatistics models to deduce the spatial distribution of karstic fissures and conduits; (2) combine geostatistics models with the parameter inversion approach to validate and optimize constructed karst aquifer models. The proposed project will provide an effective approach in model construction and optimization to correctly identify the karst aquifer heterogeneity. The research findings will also contribute to the accurate simulations of flow and solute transport processes in karst aquifers, and provide theoretical support for future applications.

含水层的非均质性控制着岩溶水的赋存和运移规律，识别岩溶含水层的非均质性对地下水资源的合理开发和保护具有重要影响。由于岩溶裂隙和管道的空间结构复杂且直接观测数据有限，使得准确刻画岩溶含水层的非均质特征成为水文地质学的研究难点之一。针对岩溶含水层研究中非均质特征参数难以实测、数值模型缺乏验证、观测数据类型多样的问题，本项目将（1）利用地质统计学方法融合多种类型观测数据，以推演岩溶裂隙和管道的空间分布;(2)结合参数反演方法对所构建岩溶含水层模型进行验证和优化调整。本项目的开展将为识别岩溶含水层非均质性提供有效的模型构建和优化方法，对于提高岩溶水流和溶质运移模拟的预测精度具有重要的理论意义和应用价值。

在岩溶区，特别是岩溶裂隙和管道高度发育地区，岩溶含水层具有强烈的非均质性。岩溶裂隙和管道作为主要的储水空间和导水通道，其空间分布、规模和组合形式，影响着岩溶水系统的补给、径流、排泄条件，控制着岩溶地下水的赋存和运移规律。因此，准确识别含水层非均质性对岩溶地下水资源的合理开发和保护具有重要的科学意义。为了准确地识别岩溶含水层非均质性，本项目开展了基于地质统计学方法刻画岩溶含水层非均质特征的研究工作，综合利用于多种类型数据构建岩溶含水层的裂隙和管道的空间分布，建立了有效的参数反演算法对非均质特征进行优化调整。室内试验的观测数据分析结果表明，不同观测点的水位变化响应速度和幅度响应机制不同，抽水试验初期的水位变化对贮水系数的敏感度高于抽水试验中后期的敏感度，融合裂隙的空间分布信息可以有效提升渗透系数值得局部和整体分布。在地质统计方法反演参数时，除了渗透系数的非均质特征外，贮水率参数的非均质性也应该被考虑。对于非均质程度较低的含水层，如果能获取到稳定态抽水试验数据，并用来估算渗透系数场进行地下水流动模拟时，忽略贮水率的空间非均质性不会对预测的水量产生明显的偏差。与地下水流动模拟相比，溶质运移模拟更依赖于准确的地质信息。融合多场次抽水试验的数据，采用准确的地质资料的地下水模型比仅依赖于水位观测数据的高度参数化地质统计反演模型，能更准确地预测溶质运移过程。