非稳定状态下地下水滞留时间分布特征及地下水流系统模式识别研究

For a long time, steady state models were employed in the classical research of basin-scale groundwater flow patterns based on Tóth’s theory, while actually they cannot represent the real subsurface flow field. In the present research, numerical models are developed to acquire groundwater residence time distribution under transient condition. The method of identifying hierarchical groundwater flow system is proposed by analyzing the relationship between groundwater residence time distribution and the nested structure of hierarchical groundwater flow system. Based on the theoretical analysis, the case study of Jinan karst groundwater flow system is conducted. Different flow hierarchies as well as their evolvement in the three-dimensional transient groundwater flow system are identified based on the groundwater residence time distribution. Groundwater levels, hydrochemical and stable isotopic data acquired from the regional discharge area at different depths are also employed to verify the theoretical research results. The present study will not only develop the groundwater flow system theory, but also promote the theory’s application.

一直以来在应用Tóth地下水流系统理论研究盆地地下水流模式时多采用稳定流模型，但稳定流模型并不能准确代表实际地下水流场的运动状态。为了更好地理解地下水流系统对外界环境变化的响应，本研究首先通过数值模拟方法从理论上研究非稳定状态下盆地地下水滞留时间分布规律，建立地下水滞留时间分布与地下水流系统嵌套结构的关系，提出非稳定状态下多级次地下水流系统模式的识别方法。在此基础上，以济南泉域为例，建立三维非稳定地下水流-年龄耦合数值模拟模型，通过模拟计算得到的地下水滞留时间分布，用于识别济南泉域不同级次地下水流系统的空间分布和嵌套结构，并分析地下水流系统模式的演变规律。结合济南泉域排泄区不同深度的地下水位动态、水化学和氢氧同位素数据作为实证依据，全面验证本研究的理论研究成果。其成果对于发展和完善地下水流系统理论及其推广应用具有重要意义。

一直以来在应用Tóth地下水流系统理论研究盆地地下水流模式时多采用稳定流模型，但稳定流模型并不能准确代表实际地下水流场的运动状态。为了更好地理解地下水流系统对外界环境变化的响应，本研究通过引入地下水位周期性波动函数作为Tóthian盆地上边界来模拟地下水流系统的非稳定状态，基于Goode (1996)地下水年龄控制方程来计算二维Tóthian盆地中的地下水年龄分布，探究了非稳定状态下地下水年龄分布的规律和特征，揭示了表征含水系统状态的主要特征参数（盆地宽深比、水位波动幅度、弹性储水系数）对地下水年龄分布的影响，建立了盆地地下水滞留时间分布与地下水流系统嵌套结构的关系，发展了基于滞留时间分布的非稳定地下水流系统模式识别方法。在此基础上，以济南泉域为例，应用水文时间序列分析研究岩溶水系统的地下水水文过程，通过相关分析和频域频谱分析解译泉域地下水水位对降雨的响应特征，定量识别了济南泉域地下水动力特征和岩溶发育状况。建立了济南泉域地下水流-年龄耦合三维数值模拟模型，通过分析入渗补给强度、介质各向异性、热运移对地下水滞留时间分布的影响，揭示了济南泉域三维地下水流系统演化规律。基于地下水流系统水力连续性的基本认识，着眼于区域地下水排泄区，综合利用排泄区地下水动力学、水化学和同位素数据，建立了济南泉域地下水流系统多级次循环模式。研究成果对于发展和完善地下水流系统理论及其推广应用具有重要意义。