弱透水层永久释水量演变机制及关键参数动态反演研究

Accurate calculation of permanent depletion of groundwater resources storage is a hot, difficult and frontier problem in the research area of hydrogeology. Although aquitards contribute to the permanent groundwater depletion to a great extent, the evolution rules of permanent aquitard depletion are rarely involved. Therefore, this project will start from laboratory experiments to analyse the elastic-plastic mechanisms of aquitard depletion. The dynamic changes in the key parameters, namely hydraulic conductivity and plastic specific storage, of the elastic-plastic aquitard depletion model will be recognized by the recursive inversion algorithm. On this basis, the model will be reconstructed with incorporating improved empirical rules of the dynamics in the two key parameters. Then numerical modeling analysis will be conducted to reveal the evolution rules of permanent aquitard depletion under the influences of different hydrodynamic functions, spatial heterogeneities and ways of dynamic changes in the two key model parameters. Finally, the newly constructed model will be applied to the Su-Xi-Chang aquifer system to simulate and predict the evolutionary process of permanent groundwater depletion from in-situ aquitard units. This project extends the research strategies and methods regarding the issue of permanent depletion of groundwater resources storage. The research achievements will provide decision-making reference for the scientific exploitation and efficient utilization of groundwater resources.

准确计算永久消耗的地下水资源储量是水文地质领域的热点、难点和前沿问题。尽管永久消耗的地下水资源储量很大程度上来源于弱透水层，但是针对其永久释水量演变机制的研究鲜有涉及。为此，本项目将从室内实验出发分析弱透水层的弹塑性释水机制；运用非线性递归反演算法，识别渗透系数和塑性贮水率这两个关键参数的动态变化过程；在此基础上，改进已有的经验关系式，建立关键参数动态变化的均质-非均质弱透水层弹塑性释水模型；通过数值模拟分析，揭示不同的水动力作用类型、非均质特征和关键参数动态变化方式影响下弱透水层永久释水量的演变规律；最终，将改进的弹塑性释水模型应用于苏锡常含水层系统，模拟预测原位弱透水层永久释水量的历时演变过程。本项目拓展了针对地下水资源储量永久消耗问题的研究思路与方法，研究成果将为我国地下水资源的科学开发和高效利用提供决策参考。

平原区地下水长期超采消耗的水资源储量以及伴生的地面沉降量主要由弱透水层所贡献，精确计算评价弱透水层释水变形量需厘清弱透水层释水变形机理并准确确定其水文地质参数。本项目：（1）定量解析了弱透水层在线性、分段线性和波动水位边界的水动力响应和沉降变形的滞后规律；（2）提出了多种确定弱透水层水文地质参数的方法，包括：①弱透水层渗透系数和贮水率的统计特征；② 波动水位变化条件下的沉降变形滞后时间解析法，③渗透参数垂向非均质性的地质统计反演方法，④考虑启动水力梯度和幂函数状态方程两种非线性流本构关系的图解法，⑤ 参数动态变化特征的地质统计反演方法；（3）推导了考虑弱透水层水平和垂向非均质性的滨海越流含水层水动力响应解析解，以及考虑弱透水层垂向非均质性的越流含水层井流和水均衡解析解，发现对于非均质弱透水层计算释水变形量时应该取其渗透系数的几何平均值和贮水率的调和平均值；（4）基于Signorini型变分不等式研发了地下水有限元数值模拟技术，可实现地表水-地下水脱节和越流含水层疏干问题的模拟，该技术已在多个水利水电工程和交通运输工程中用于渗控方案的优化设计。本项目研究成果拓展了弱透水层释水变形研究的理论与方法前沿，明确了弱透水层在地下水资源开发利用中的重要地位，以及在平原区桥梁和隧道工程地下水控制中的重要性，为地下水资源的科学开发、高效利用以及基础工程的施工方案设计提供了决策支持和技术支撑。