降水补给变化条件下盆地地下水流系统实验与模拟研究

The theory of regional groundwater flow system is an effective tool to study the law of groundwater circulation and evolution in the basin, but it has not yet systematically considered the influence of precipitation variation. Precipitation is the main source of groundwater recharge in the basin, and it has significant annual variation. However, the steady flow simulation with invariant recharge is difficult to reflect the actual groundwater flow model in the basin. Therefore, it’s necessary to study the groundwater flow system in the basin with varied recharge. The purpose of this study is to build the groundwater flow model with varied recharge and estimate the influence range of changing recharge in the groundwater flow system. In this study, a series of physical experiments are carried out by Demonstrating Instrument of Multi-order Groundwater Flow Systems. By monitoring the water head changes with high precision sensor combining head mutation and flow path tracing, we analyze the characteristics of groundwater flow system in the basin with homogeneous isotropic and stratified heterogeneous media. At the same time, the numerical simulation model is established by using MODFLOW program. The characteristics of groundwater flow system in small and medium-sized basins with homogeneous isotropy and anisotropy and stratified heterogeneous media are revealed, by analyzing the changes of velocity vector, flow path and water head. This study could enrich the theory of groundwater flow system and provide guidance for the utilization of groundwater resources and agricultural production.

区域地下水流理论是盆地地下水循环与演化规律研究的有效工具，但尚未系统考虑降水补给变化的影响。降水是盆地地下水的主要补给来源，具有显著的周年变化。因此，补给不变的稳定流模拟无法真实反映实际盆地地下水流模式。开展补给变化条件下盆地地下水流系统研究，建立补给变化条件下盆地地下水流模式，圈定补给变化对盆地地下水流系统的影响范围，具有重要的科学和实用意义。本项目利用“地下水流系统演示仪”开展系列物理实验，通过传感器高精度监测水头变化，结合水头突变和水流路径示踪，研究降水补给变化条件下实验室尺度均质各向同性和层状非均质介质的盆地地下水流系统特征。利用MODFLOW程序建立数值模拟模型，通过流速向量变化、水流路径示踪、水头变化，研究降水补给变化条件下均质各向同性（异性）和层状非均质介质的中小型盆地地下水流系统特征。本项目研究结果可丰富地下水流系统理论，并为地下水资源利用和农业生产等提供科学指导。

本项目利用改进的多级次地下水流系统演示仪主要开展了三方面的物理实验模拟，（1）通过改变上边界补给量的变化幅度与频率，分别模拟了10、32、96小时。结果显示，补给量的变化幅度与频率会影响浓度曲线的形状。补给量变化较快时，盐分来不及稳定又继续上升，只有当补给量缓慢变化，并且足够长时间与水流系统循环时间接近时，可以看出很明显的周期性变化。（2）模拟了三级水流系统模式中地下水年龄及滞留时间分布。研究发现，盆地底部、区域流线的下游、盆地滞留区最晚响应；浅部的局部水流系统稳定后的浓度值相对较低；中间水流系统相对深部的区域水流系统也相对较低，滞留区盐分积累，浓度值相对较大，区域水流系统的循环时间大于中间水流系统大于局部水流系统。（3）模拟了简单盆地与复杂盆地中，脉冲法与阶越法盐分从不同补给区释放的结果。阶越法三个补给区同时释放盐分的结果显示单级水流系统由于排泄区占比较大而没有入渗补给，造成下游排泄区有三个台阶上升；复杂盆地上游补给区只有一个上升段，中游和下游排泄区由于不同级次的补给来源造成两个台阶上升。三个补给区分别释放与两两释放的结果得到的浓度曲线，可以作为标准曲线，用来判断污染物的来源。结合补给区与排泄区的水量监测结果以及浓度曲线的台阶，计算得到了各个级次水流系统的来水量。脉冲法结果显示单级模式与前人基于数值法和解析法的结果不同而显示三个峰，多级模式同样存在三个峰，但两者的原因完成不同。本实验监测到的盐分下降结果与上升段几乎已知，说明同样可以用污染物净化的结果来分析地下水流系统模式。进而提出了一种室内分析地下水流系统中不同污染物来源不同释放方式的模拟方法，为野外地下水流系统识别和污染物来源识别提供思路。同时利用Visual-Modflow软件开展了降水补给影响下不同模式不同补给区释放的盐分分布研究，研究发现盐分运移与水流系统模式还有释放的位置紧密相关。最后，还结合所在单位优势及未来研究的持续，开展了地下水流系统中土壤地下水中重金属迁移转化相关的研究。共指导两名研究生，指导多名本科生开展校级、省级、国家级大创。相关研究成果共发表一作Journal of Hazardous Materials一篇、Chemosphere两篇、Ecotoxicology and Environmental Safety两篇、现代职业教育一篇、地质科技通报一篇。