旱区地表- - -地下水系统界面动力学与水循环研究

Water cycle is one of the most important researches among the domestic and foreign cutting-edge issues, and water cycle between surface- groundwater system has an important contribution to the regional water cycle and groundwater circulation, evolution and ecological effects. Because the influence factors of surface -groundwater system are very complex, highly nonlinear and spatio-temporal changes, the research on interface dynamics and water cycle of surface - groundwater system in arid regions is relatively weak, limiting a deep understanding of the evolution and effects on the water cycle. This project is based on the two different climate environments: the sand area of Erdos basin and the alluvial plain of Wei River in Erdos basin, and is according to the logical steps of "multidisciplinary support - basic theory study- in situ test- laboratory physical model test- numerical simulation- the mechanism and evolution of water circulation- practical application". It studies on the transmission dynamic process of water, steam and heat in the interface of surface-groundwater system and in unsaturated zone. Then it reveals the mechanism of water circulation of surface-groundwater system driven by the interface dynamic process in arid region, and constructs the multi-scale water circulation model which combines the hydraulic field, temperature field and (plants) ecological field into an organic whole of surface- - groundwater system in arid region. Finally, it reveals the rule of water circulation and the ecological effect of the surface- - groundwater system in arid area, and forms the innovation chain of researching on water circulation to develop the theory and method of groundwater circulation.

水循环是国内外研究的前沿问题之一，地表-地下水系统的水循环对区域水循环以及地下水循环、演变与生态效应有着重要贡献。受旱区地表-地下水系统影响因素复杂、高度非线性与时空变化大等制约，迄今对控制旱区地表-地下水系统水循环的界面动力学和循环机理的研究比较薄弱，限制了对水循环演变和效应的深刻理解。本项目以鄂尔多斯盆地风沙滩地区和渭河冲积平原两个气候环境为研究对象，按照"多学科支撑－基础研究－原位试验－室内物理模拟－数值仿真模拟－水循环机理与演化－实际应用"逻辑组织实施，研究水、汽、热在地表－地下水系统的界面上和包气带中传输的动力学过程，揭示在界面动力学过程的驱动下旱区地表－地下水系统水循环机理，构建集水动力场和温度场与(植物)生态场为一体的多尺度旱区地表－地下水系统水循环模型，揭示旱区地表-地下水系统的水循环规律与生态效应，形成地表－地下水系统水循环研究的创新研究链，发展地下水循环的理论和方法。

项目聚焦旱区地表-地下水系统界面动力学过程和“水分-能量-物质”传输机理，突出“饱和-非饱和流、水-气(汽)-热以及生态效应”的耦合，立足原位观测与实验，从空间与时间尺度开展深入研究。取得如下成果：1、揭示了地表-地下水系统“水-土、水-气、土-气和土-根”等界面水分与能量交换的动力学过程，构建了动力学模型；2、创新了旱区降水（蒸发）-包气带水、气（汽）、热-地下水转化的动力学机制，建立了水、气（汽）、热耦合模型，揭示了旱区地表-地下水系统水、气（汽）热分带规律以及相互转化的动力学过程，发现了旱区地表温度（大于25℃）与降雨强度（大于12mm/d）对包气带水、气（汽）、热迁移转化的阈值，指出了当地下水位埋深小于70cm时，降低地下水位，将会引起地表热岛效应，为地下水变化对气候变化具有影响提供了证据，提出了裸地条件下鄂尔多斯风沙滩地区地表以下20cm范围内存在一个水-汽转化带，研究了五种岩性结构下包气带水分迁移转化的机理，确定了不同岩性结构条件下入渗和蒸发、水势梯度、响应时间等水动力学指标；3、提出了旱区地下水生态功能的概念，揭示了地下水文要素与表生生态环境之间关系，构建了地下水文要素与表生生态环境之间定量与半定量关系，初步建立了旱区典型植被根系吸水的新模型, 揭示了旱区地下水生态功能“量变-质变-灾变”机理，构建了基于地下水文过程的旱区生态功能危机与退化的多维临界标识指标与阈值体系；4、研发了一种新的模拟饱和-非饱和带水分运移的有限分析数值计算方法，与有限差分法及有限元法等传统数值法相比精度高、稳定性好；5、研究成果得到了初步应用，产生了显著的社会经济和环境效益；6、强化技术创新与试验基地建设，搭建自主创新的野外原位试验-动态观测平台，建成了两个多功能野外原位长期观测与试验基地，迄今积累了4680万数据，为深入研究奠定了坚实的基础。