地下水流系统对地下水污染的“水力调控”机制及其敏感性分析

It is the key to scientifically prevent groundwater contamination and protect groundwater resources by revealing the process and related mechanism of groundwater pollution, which should be based on the deep understanding of groundwater flow system. In this proposal, aiming at the phenomenon of local “pollution barrier” in groundwater of Qingduo Water Sources area, the regulation function of groundwater flow system on groundwater pollution has been putting forward, which is referred to as “hydrogeological regulation”. In order to reveal the scientific issues related to the mechanism of hydrogeological regulation and its environmental vulnerability, different analysis methods of groundwater dynamics and hydrogeochemical studies, as well as other skills including geostatistical analysis, hydrochemistry analysis, isotope tracing methods and numerical simulation technology, have been comprehensively utilized to depict the form of groundwater flow system, the spatial and temporal distribution features of groundwater pollution, and the flow-driven hydrogeochemical evolution. The purpose is to further explore the internal relevance of groundwater flow system, hydrochemistry, and contamination distribution. The mechanism of “hydrogeological regulation” is studied. Simulations have been made for different groundwater mining scenarios to study the evolution trend of groundwater flow and the response of groundwater contamination, so as to reveal the adjustment criteria for hydrogeological regulation, and also quantitatively analyze its vulnerability towards “hydrogeological regulation” during mining activities. The research results will provide a scientific basis for the groundwater protection and the rational management of groundwater resources.

揭示地下水污染作用过程及相关机理是科学防范地下水污染、保护地下水资源的关键，而其须建立在对地下水流系统的深入刻画和认识之上。本项目针对青多水源地地下水出现局部的污染“屏障”现象，提出地下水流系统对地下水污染的调控作用，简称“水力调控”。为揭示“水力调控”相关机制及其环境敏感性等科学问题，融合地下水动力学和水文地球化学相关分析方法，综合利用地质统计学分析、水化学分析、同位素示踪、数值模拟等技术手段，刻画地下水流场，研究地下水污染的时空分布特征、地下水循环中的水化学演化过程，进而探究地下水流系统、水化学及污染物分布的内在关联，以揭示“水力调控”的作用机理；模拟不同开采情景下地下水流场的演化趋势及地下水污染响应，分析地下水流系统对地下水污染的调控尺度，定量揭示开采活动下“水力调控”的敏感性。研究成果可为水源地地下水保护、地下水资源的合理调度提供科学依据。

深入刻画含水层结构及地下水流系统是揭示地下水污染风险、探明环境地质问题的重要基础。本项目以河南青多水源地土壤-地下水污染问题和局部污染的“屏障”现象为切入点，以地下水系统特征对地下水污染风险的调控机制及环境地质效应为研究目标，主要研究包括：1. 基于铅同位素示踪的污染源解析。以同位素特征建立环境铅三端元混合模型，揭示研究区土壤、地下水的铅污染来源及端元占比，估算各来源铅的累积过程；基于表层土壤铅含量空间分布及土壤剖面铅的垂向衰减规律，建立土壤铅三维累积通量模型，计算土壤外源铅的总量； 2. 基于地下水流模拟的水源地防污能力研究。精细刻画含水层结构及地下水流模式，揭示断层构造对局部地下水流场的控制作用；研究了地下水循环特征和污染物分布积累的内在关联，明晰了地下水流系统对地表污染物入渗的“调控”机制，并探究长期开采活动对地下水防污能力的扰动。3. 岩溶水系统本质脆弱性评价研究。考虑地下水流循环模式对地表污染入渗的影响，提出改进的中国北方岩溶水本质脆弱性迭置指数法评价模型PISSR；基于研究区三维水文地质实体模型提取含水层参数，对青多岩溶水系统开展本质脆弱性评估，揭示地下水内部循环方式及补排特征对污染风险的深刻影响。4. 含水层介质随机分布模式下的水动力特征及土体非均匀沉降过程研究。基于转移概率理论，建立多层结构含水层系统随机模型，研究含水层介质随机分布下的水流模式，探究介质空间差异分布特征对土体沉降变形过程的影响。研究成果为地下水资源的保护及开发、地下水系统引发的环境地质问题及风险评估等方面提供重要科学依据和具体分析方法。