基于地温示踪技术的地下水流速测算方法研究——以雷州半岛为例

The groundwater resource depletion and contamination was enhanced during urbanization processes, which are associated with the regional environmental, ecological and geological disasters. Scientific assessment and management on groundwater resource are the effective way to resolve this problem, while the detection of groundwater velocity is the basis of this issue. This research addresses to calculate the groundwater velocity using heat tracer. We modified the theory of subsurface temperature-depth profiles perturbation, and developed an effective heat monitor system to calculate the groundwater velocity according to the subsurface thermal distributions. The proposed approach was applied in Leizhou Peninsula to estimate the recharge, discharge and horizontal flow rates, and the MODFLOW software was also proposed to simulate the regional groundwater flow for comparative purpose. This research aims to reflect the influence of groundwater flowing to subsurface thermal regimes during urbanization process, construct the system of calculation of groundwater velocity based on subsurface temperature-depth profiles, and provide scientific guidance and practical support to investigate the impact of regional groundwater flowing and surface urbanization on subsurface thermal regimes.

人类活动和城市化进程加剧地下水资源消耗和水环境污染，引发环境、生态、地质等一系列链生灾害，对地下水资源进行科学评价和管理是解决上述问题的有效途径，准确测算地下水流速是地下水资源评价的基础。本课题基于地温示踪技术，按照“研制-实用-验证”的思路研发一种快速测算地下水流速的方法:修正利用地温分布推算地下水流速的理论，开发高效准确的地温自动化测量设备;对雷州半岛湛江地区地温进行实测，运用地质体温度场和渗流场耦合模型识别地下水入渗、排泄区，计算地下水流速;运用MODFLOW地下水水流运移软件模拟区域地下水流，基于此验证地温示踪技术测算地下水流速的准确性和合理性。研究旨在提出一种基于温度示踪技术的地下水流速测算方法，构建气候变化/城市化进程影响下地下水流的快速测评体系，为区域地下水资源科学管理以及城镇化过程和地下水流动对地温的影响研究提供理论依据和技术支撑。

人类活动和城市化进程加剧地下水资源消耗和水环境污染，引发环境、生态、地质等一系列链生灾害，对地下水资源进行科学评价和管理是解决上述问题的有效途径，准确测算地下水流速是地下水资源评价的基础。项目基于地温示踪方法，研发了一套地温自动化测量设备，对雷州半岛湛江地区温深曲线进行测量，结合日本熊本平原测量的地温数据，分别构建一维和二维非稳定流水热运移数值模型，识别和反演地下水入渗/排泄/区域循环特征。项目取得重要研究结果如下：（1）提出一种基于Compact CTD（conductivity、temperature和depth）测定技术的地温梯度高精度自动化测量设备及操作方法，实现地温梯度的高精度测量（精确到0.001℃），对湛江地区24口钻孔温深曲线进行测量；（2）采用交替方向隐格式差分法对垂向一维非稳定流水-热运移方程进行数值求解，计算得到研究区域地下水补给速度处于0.066至0.792m/year之间，均值为0.423m/year，地下水排泄速度为0.050至0.770m/year之间，均值为0.269m/year；（3）湛江地区地下水流速为正值的11口观测钻孔多位于研究区域西北部，表明地下水入渗以此区域降水和河道渗漏为主，地下水流速为负值的13口观测钻孔多位于研究区域东南海岛，地下水排泄入海主要发生在东海岛、南三岛和硵州岛；（4）对采用不同上边界条件计算地下水流速结果进行量化，分别以气温和地表温度作为一维非稳定流水热模型上边界条件，根据气温反演计算的地下水流速平均比根据地表温度计算的结果低0.212m/year，结果对地下水资源评价具有较大影响；（5）基于二维非稳定流水热运移偏微分方程，采用交替方向隐格式差分法对方程进行求解，模拟地表温度升高情景下区域地下水流对地温扰动，区域地下水入渗、中间和排泄区温深曲线显示不同的时空变化特征，可用于识别区域地下水流动。项目提出一种基于温度示踪技术的地下水流速测算方法，构建气候变化/城市化进程影响下地下水流的快速测评体系，为区域地下水资源科学管理以及城镇化过程和地下水流动对地温的影响研究提供理论依据和技术支撑。.