干旱盆地排泄区地下水密度增加对区域水流系统削弱机制研究

Evaporation is one of the main discharge ways of groundwater in arid basins. Intensive evaporation lead to enrichment of components and large variation in groundwater density. Dose that change inversely affect the groundwater flow system and the mechanism is a scientific problem that need to be resolved. In the proposed project, some cross-sections in the Qaidam basin is taken as the study area. Utilizing the new survey data and historical materials, the distribution characteristic of water component, density and its correlation will be analyzed. A variable-density flow numerical model would be developed and calibrated by multi-source data. Using the model, the effect of density variation in discharge area on the hydrodynamic and chemical field will be simulated and studied. Then a representation model of weakening degree of topography-driven force will be established. Based on the simulation results, the weakening degree due to density increasing of groundwater will be calculated. At last, by using parameter sensitivity analysis method, the uncertainty of some factor influence the weakening degree will be studied. Through the studies mentioned above, the weakening mechanism of groundwater density on the regional flow system in arid basins could be revealed. The project proposed would be benefit to understanding of the driving force of groundwater flow system, and promote the development of the theory of groundwater flow system.

内陆干旱盆地地下水通常以蒸发形式排泄，强烈蒸发浓缩作用导致水化学组分在排泄区富集，流体密度发生极大变化，这种变化是否会对地下水流系统产生反作用，以及其作用机制是急需解决的关键问题。申请项目将以柴达木盆地典型剖面为例，利用调查获取的数据和历史资料，分析水化学组分和密度的空间分布规律及其控制作用；建立变密度流数值模拟模型，采用多源数据对模型进行校正，模拟分析排泄区密度变化对水动力场及水化学场的影响规律；构建密度对地形驱动力削弱程度的定量表征方法，结合模拟的水动力场与密度分布情况，定量计算流体密度增加对地形驱动力的削弱程度；最后采用敏感性分析方法，对影响削弱程度的不确定性因素进行分析，通过以上问题的研究，有望揭示排泄区地下水密度增加对区域水流系统的削弱机制。本项目的开展将有助于完善对内陆盆地地下水流系统控制因素的认识；有利于促进变密度地下水流系统理论的发展。

内陆干旱盆地通常也可发育多级次地下水流系统，但盆地中部排泄区潜水蒸发作用强烈，溶质富集导致流体密度增加，会很大程度上影响地下水循环，特别是区域水流系统。以柴达木盆地东部诺木洪典型剖面为例，通过现场取样测试，对典型剖面水化学组分和密度的空间分布规律进行了分析，计算出该地区流体密度计算的拟合常数为0.6691。从补给区到排泄区，水平方向上地下水中的TDS和密度总体逐渐增加；径流区和排泄区交汇带的垂向上呈“上咸-中淡-下咸”的分布规律；影响地下水密度变化的主要因素依次是Cl-、Na+、Ca2+、Mg2+这四种离子，尤其在排泄区影响最为明显。将实例剖面概化为对称结构的理想剖面，建立变密度流模拟模型，模拟结果显示盆地中部密度增加很大程度上影响了区域水流系统，其径流深度和径流距离均明显缩小。利用等价淡水水头方法建立了地形驱动力削弱程度的定量表征公式，计算结果显示，排泄区等价淡水水头值的快速增加是削弱区域水流系统驱动力的根本原因，且下层区域水流系统的削弱程度要明显大于上层区域水流系统，模拟10万年时，下层区域水流系统的削弱程度可达47.86%。不确定性分析表明，弥散系数变小会进一步强化密度的垂向分布特征，浮力产生的自由对流会在盆地中部附近激发出涡流现象，进而强化了变密度流体的垂向差异；垂向渗透系数(Kv)的影响低于水平渗透系数(Kh)的影响。该项研究阐述了流体密度变化对地下水循环的影响，是对地下水流系统理论的补充，研究取得的数据和认识可为内陆干旱盆地淡水资源高效利用提供指导，亦为盐湖资源开采提供一定参考。