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环境学院梁修雨在国际水资源领域顶级期刊WRR连续发表三篇论文,报道其在地下水科学领域的最新研究成果

2018-11-05

Water Resources Research(WRR)为美国地球物理学会(American Geophysical Union, AGU)的主要期刊之一,被公认为水文学与水资源领域的顶级期刊。南方科技大学环境科学与工程学院张幼宽教授团队的梁修雨研究副教授近期在WRR上以第一作者身份连续发表了三篇论文,报道了他在非饱和-饱和水流耦合模拟及地表-地下水交互研究方向的最新进展。

第一篇论文题为“Aquifer recharge using a vadose zone infiltration well”,研究了含水层人工补给过程非饱和-饱和水流耦合模拟。含水层(地下水)人工补给(Managed aquifer recharge, MAR)是对水资源进行季度或年际调节、保证水资源充分合理利用的重要方法。而通过非饱和带入渗井(注水井)进行人工补给,是含水层人工补给的重要方法之一。该方法主要适用于潜水面埋藏较深或地表覆盖不利于人工补给的场地。预测人工补给过程中非饱和-饱和带水流的响应、计算含水层的补给量是评价及设计人工补给方案的重要指标,传统定量评价模型仅适用于饱和带注水井流问题,缺少非饱和带井流模型。因此,采用传统模型评估考虑非饱和带入渗井方式的人工补给方案时会引起较大误差。

本研究利用解析方法,开发了非饱和-饱和水流耦合的解析模型,用于评价非饱和带入渗井引起的非饱和-饱和水流过程,计算含水层的补给量。研究结果发现,非饱和带的储水性对人工补给的效率有较大影响:储水性小的非饱和带在补给过程中水流可以很快达到稳定,注入井中的水流可以很快到达饱和带,且大部分都可以存储于饱和带中,有利于人工补给;反之,则不利于采用非饱和带入渗井的方式进行人工补给。同时,揭示井的结构和含水介质的各向异性仅会影响初期的饱和带补给量,不影响后期稳定的补给量。传统模型由于未考虑非饱和带的储水性质,会过高估计饱和带的补给量。该解析模型为人工补给定量评价提供了重要的工具。

人工补给过程中非饱和带参数对水位变化的影响

人工补给过程中非饱和带参数对饱和带补给量的影响

第二篇论文题为“Spatiotemporal responses of groundwater flow and aquifer-river exchanges to flood events”,研究了含水层-河流交互带中地下水对洪水的时空响应。不同于日常河水水位波动,洪峰过境会引起河水位迅速上升,造成大量的水流及污染物进入。含水层与河流交互带又称潜流带或关键带,是水文及生物地球化学反应最为活跃的区域,一直是水文、环境及生态学研究的热点。对该关键带水文过程的深刻理解是研究生物地球化学反应的基础。以往的研究仅关注含水层-河流剖面的水文过程,而忽略了由洪峰引起的地下水沿河流方向流动产生的影响。

    

研究的概念模型与河流及含水层水位对洪峰的响应

本研究开发了在洪峰驱动下考虑地下水沿河流方向流动的水流解析模型。结果发现,洪水期间,河水迅速进入相邻的含水层(交互带)。当洪峰过后,大部分补给的河水在较短时间内回流至河流,而剩余一部分河水在含水层中会停留很长时间,同时会沿着河流方向向下游含水层流动。由于忽略该方向水流,传统的模型会过高估计地下水位及地表-地下水交互量。另一方面,本研究发现洪水引起的回流过程具有明显的幂函数性,而该水文过程特征对潜流带水流滞留时间(Residence times)的研究具有重要的参考意义。

洪峰在含水层中的传播

第三篇论文题为“Base flow recession from unsaturated-saturated porous media considering lateral unsaturated discharge and aquifer compressibility”,研究分析了非饱和带水流的河流基流。基流(Base flow)即河流相邻潜水含水层中地下水的排泄量,是重要的水文循环组分。基流衰退分析(Base flow recession)是流域尺度水文地质参数估计的重要方法。传统的基流衰退分析仅以饱和水流模型为基础,忽略了上覆非饱和水流影响,因此影响参数估计的准确性。本研究开发了基于非饱和-饱和水流耦合的解析模型,创新性地提出了包含非饱和带参数的流域尺度水文地质参数估计方法。结果还发现,考虑非饱和水流,基流的变化率与基流依然呈现幂函数关系,这一发现与传统模型一致,但参数不同。由于忽略非饱和带水流,传统模型高估渗透系数或低估给水度。该方法成功应用于多个流域的基流分析,估计的流域尺度水文地质参数更加接近实际。

考虑非饱和水流的基流衰退曲线

以上研究得到了张幼宽教授主持的国家自然科学基金重点项目(No. 41330314)等项目的支持。