干旱季节性冻结盆地地下水排泄区水分转化机理及其对水流系统的影响

The large groundwater basins in north China has a cold and arid climate, with development of seasonal frozen soils. A clear understanding on the pattern of groundwater circulation in such a climate is key to sustainable development of groundwater, and is a challenge facing hydrogeology. The theory of regional groundwater flow developed by Toth well characterizes the pattern of basin-scale groundwater circulation, however, it has also been criticized because the fluxes across the water table have not been prescribed. The fluxes across the water table in discharge areas are sensitive to precipitation, evaporation and frozen soil due to the thin unsaturated zones, which changes greatly in a hydrologic year. Using a small catchment in the Ordos Endorheic Region as a study site, this project aims to study the mechanisms of water exchange among atmospheric water, soil water and groundwater in the unfrozen period and the freezing-and-thawing period, respectively. The effects of water table depth on the precipitation recharge, groundwater evaporation and the exchange of groundwater and frozen soil water are emphasized. Then the fluxes across the water table which are dependent on water table depth and season will be estimated and used as input to a transient groundwater flow model of the catchment to examine the dynamics of groundwater water flow systems. The proposed project could contribute to further development of the theory of regional groundwater flow.

我国北方地区大型盆地气候干旱且冬季发育季节性冻土，深入认识这种气候条件下的地下水循环规律是合理开发利用地下水的基础，也是水文地质学面临的挑战之一。Tóth创立的区域地下水流理论较好地刻画了稳定流条件下盆地尺度地下水循环规律，但由于上部采用给定水头边界，未考虑各种水文过程控制的潜水面通量，受到了一些学者的质疑。排泄区由于潜水埋深小，降水补给、蒸发以及季节性冻土等都对潜水面通量具有重要控制作用，潜水面通量的季节性变化特征明显。本项目以鄂尔多斯内流区典型流域为例，针对非冻结期和冻结期分别开展排泄区（浅埋区）大气水—土壤水—地下水的水分转化机理研究，重点研究潜水埋深对大气降水补给地下水、地下水蒸发和冻结期地下水向冻结带迁移等过程的控制作用。在此基础上确定排泄区随时间和空间变化的潜水面通量，建立考虑潜水面通量的地下水非稳定流模型，揭示地下水流系统的动态特征。该项研究有望完善和发展区域地下水流理论。

根据地下水垂向运动方向，可以把地下水盆地划分为补给区和排泄区，其中排泄区由于接受区域尺度地下水侧向流的补给作用，埋深通常较小，对气象条件的响应也更为敏感。本项目以我国西北鄂尔多斯盆地典型小流域的排泄区为例，选择典型二维剖面开展了连续4年的土壤水和地下水动态监测，揭示降水补给、蒸发、季节性冻土以及区域尺度地下水侧向流等多种因素对潜水面动态的控制机理，在此基础上研究潜水面波动对地下水流系统的影响。在非冻结期，野外观测和一维、二维数值模拟表明，地下水埋深较大的地形高处不容易发生补给和蒸发，而地下水埋深较小部位容易发生补给和蒸发，这种优先补给和蒸发都会诱发小尺度的侧向流，带动地形高处的水位波动并驱动土壤水分的垂向迁移，从而出现对上下边界条件波动较不敏感的中间稳定层。在冻结期，野外观测和一维数值模拟表明，冻土形成阶段会引起水位下降，冻土融化阶段会引发水位抬升，受区域尺度地下水侧向流控制，冻土尚未融化水位就开始抬升，而且完全融化后的水位高于冻结前的水位；随着初始地下水埋深的增大，冻结吸水引起的水位下降幅度逐渐减小，埋深增大到一定程度后水位不再下降，该深度可以定义为冻结吸水极限埋深；数值模拟表明，土壤质地、负积温、积雪厚度等因素都会改变冻结吸水极限埋深。为了揭示潜水面波动如何影响地下水运动，推导了潜水面波动条件下三维盆地水头解析解，获得了受潜水面起伏和波动、渗透系数和贮水率控制的水头分布表达式；发现当贮水率与渗透系数比值Ss/K很小时，盆地内水头变化对潜水面波动存在瞬时响应，而当Ss/K较大时，盆地内水头变化对潜水面波动的响应具有明显的滞后性；对于发育多级次水流系统的三维盆地，可以利用驻线或准驻线精确划分出三维盆地内各个水流系统的空间分布，揭示各个水流系统随时间演变规律。本项目加深了对干旱区潜水面波动成因和如何影响水流系统分布的认识，完善了区域地下水流理论，相关成果已经应用于研究生教学。