復(fù)雜含水-含水層系統(tǒng)中半穿透變排量井瞬時(shí)流動(dòng)的半解析建模

多層含水層系統(tǒng)中瞬態(tài)流動(dòng)與垂向越流的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，對(duì)于地下水可持續(xù)管理與污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。傳統(tǒng)地下水模型通常對(duì)地下條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，假定弱透水層均質(zhì)、含水層各向同性、抽水流量恒定且邊界條件理想化，這限制了其在真實(shí)野外條件下的適用性。本研究針對(duì)復(fù)雜含水層–弱透水層系統(tǒng)，建立了變流量條件下非完整井三維瞬態(tài)流動(dòng)的半解析解。

該模型考慮了含水層各向異性，以及弱透水層滲透系數(shù)（K）與儲(chǔ)水率（Ss）的垂向非均質(zhì)性，并設(shè)置了具有代表性的上邊界條件：定水頭邊界、滯后排水潛水面邊界與零通量邊界。研究在拉普拉斯–漢克爾域內(nèi)推導(dǎo)解析解，并通過(guò)數(shù)值反演計(jì)算水位降深與越流響應(yīng)。

結(jié)果表明：弱透水層儲(chǔ)水率衰減效應(yīng)增強(qiáng)，會(huì)抬升抽水早期與中期的水位降深；而弱透水層滲透系數(shù)衰減程度增大，則會(huì)抑制垂向越流，并降低弱透水層與上覆含水層的水位降深。相較于均質(zhì)弱透水層滲透系數(shù)場(chǎng)景，將滲透系數(shù)無(wú)量綱衰減指數(shù)從 1.5 提升至 2.5，可使穩(wěn)定階段越流量降低 45%~86%。含水層各向異性會(huì)加劇垂向水力梯度差異，促進(jìn)降深累積。變流量抽水會(huì)引發(fā)非線性越流響應(yīng)與瞬態(tài)流動(dòng)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

邊界條件對(duì)穩(wěn)定階段越流量具有顯著影響：與定水頭邊界相比，潛水面邊界下含水層–弱透水層界面的越流量降低 3%，零通量邊界下則降低 10%。該模型可為冰川盆地、沖積盆地等復(fù)雜垂向非均質(zhì)水文地質(zhì)系統(tǒng)中，由越流驅(qū)動(dòng)的地下水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供可靠工具。

影響山區(qū)地下水系統(tǒng)中冰川融水同位素指紋保存的因素

影響高山冰川融水同位素指紋在山區(qū)地下水系統(tǒng)中保存的相關(guān)因素，迄今尚未得到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯俊１疚牟捎秒埃?H）、氯-36比值（36Cl/Cl）、鍶同位素比值（87Sr/86Sr），結(jié)合穩(wěn)定同位素混合模型的計(jì)算結(jié)果，探討以下兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題：（1）坡向是否會(huì)影響冰川融水同位素指紋在地下水中的保存；（2）隨著與冰川距離的增加，冰川融水同位素指紋能否在地下水中持續(xù)保存。在冰川國(guó)家公園（GNP），地下水流動(dòng)受水文地層條件的控制，掩蓋了坡向與同位素指紋保存之間的關(guān)聯(lián)；低滲透性巖石將地下水流動(dòng)限制在上部碳酸鹽巖層，限制了不同空間尺度上的水流路徑連通性；冰川融水的同位素指紋可通過(guò) 36Cl/Cl 得以保存，而氚（3H）則無(wú)法有效保存這一信號(hào)。在胡德山（MH），北坡出露的泉水保留了冰川融水的同位素指紋，而南坡出露的泉水則為跨空間尺度的水流路徑連通性提供了最有力的證據(jù)。

本文提出冰內(nèi)混合模型（EMM）：冰下徑流的同位素指紋，以及由冰下徑流補(bǔ)給形成的地下水，其同位素特征均為冰川融水、積雪融水與大氣降水的復(fù)雜混合體，且強(qiáng)烈依賴于冰內(nèi)混合過(guò)程與冰川退縮階段。冰內(nèi)混合模型表明，冰川國(guó)家公園泉水中的同位素指紋受季節(jié)性積雪融水的影響日益顯著，其貢獻(xiàn)已超過(guò)冰川融水；而胡德山泉水的同位素指紋表現(xiàn)為多水源的動(dòng)態(tài)混合，但部分泉水中仍保留著冰川融水的同位素指紋。

補(bǔ)給變化對(duì)單一水源海岸含水層的影響：弗吉尼亞?wèn)|海岸的多模型評(píng)估

海岸含水層面臨著氣象模式變化和海平面上升（SLR）的復(fù)合壓力，對(duì)地下水資源構(gòu)成直接威脅。本研究基于SSP2-4.5和SSP5-8.5情景，采用4個(gè)全球環(huán)流模型（MIROC6、BCC-CSM2-MR、CanESM5和MRI-ESM2-0）經(jīng)降尺度和偏差校正后的CMIP6氣候預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)SWAT模型，估算未來(lái)氣候驅(qū)動(dòng)下的地下水補(bǔ)給量。將這些補(bǔ)給量與區(qū)域海平面上升數(shù)據(jù)一同輸入變密度地下水流與溶質(zhì)運(yùn)移模型SEAWAT，通過(guò)模擬預(yù)測(cè)弗吉尼亞州東海岸（ESVA）海岸含水層系統(tǒng)在2023—2080年的變化特征，量化地下水資源可利用量及鹽度風(fēng)險(xiǎn)。

研究結(jié)果如下：（1）到2080年，最干旱情景（BCC-CSM2-MR；SSP2-4.5）將使內(nèi)陸表層地下水位降低超過(guò)1米，淡水儲(chǔ)量減少約1億立方米（2.5%），該水量相當(dāng)于弗吉尼亞州東海岸（ESVA）當(dāng)前總需水量的4.8年用量。（2）最濕潤(rùn)情景（CanESM5；SSP2-4.5）將使地下水位升高至1.9米，淡水儲(chǔ)量增加2.7%，對(duì)應(yīng)17年的居民生活供水量。（3）盡管等權(quán)重集合中位數(shù)水位變化較小，但以四分位距（IQR）衡量的淡水儲(chǔ)量模型間變異性從2030年的約25百萬(wàn)立方米（MCM）增加至2060年的約46百萬(wàn)立方米（MCM），表明不確定性不斷增大。（4）地下水位變化在中部高地山脊達(dá)到峰值（>2米），而在海平面上升起主導(dǎo)作用的障壁島，其變化量降至0.25米以下。（5）高排放情景下，2060年前地下水變異性較大，之后趨于一致；而中等排放情景則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。這些研究結(jié)果表明，亟需制定適應(yīng)性強(qiáng)、氣候韌性高的地下水管理策略，以提升水資源安全水平并緩解海水入侵問(wèn)題。

預(yù)測(cè)下水道泄漏命運(yùn)及其對(duì)城市含水層補(bǔ)給和污染影響的不同物理建模方法的比較分析

污水管網(wǎng)滲漏引發(fā)的非計(jì)劃性補(bǔ)給會(huì)對(duì)城市含水層產(chǎn)生諸多不利影響，包括病原體擴(kuò)散、土壤與地下水污染，以及其與淺部、深部人為改造體之間發(fā)生危險(xiǎn)性相互作用等問(wèn)題。由于城市地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、問(wèn)題涉及范圍廣、相關(guān)物理過(guò)程具有高度非線性，且計(jì)算成本高昂，以往研究通常會(huì)引入一系列簡(jiǎn)化假設(shè)。本研究以真實(shí)案例為對(duì)象，開(kāi)展地表與地下水流數(shù)值模擬，旨在證明：合理運(yùn)用成熟且通用的數(shù)值模型，能夠突破上述簡(jiǎn)化處理的局限，從而更貼合物理實(shí)際地預(yù)測(cè)污水管網(wǎng)滲漏對(duì)城市含水層補(bǔ)給與污染的影響效應(yīng)。研究對(duì)比了三種不同精細(xì)化程度、基于物理過(guò)程的高分辨率地下水流模擬方法（分別記為VWS-C、VWS-S與WS-S）。

結(jié)果表明，在大尺度范圍內(nèi)對(duì)上述過(guò)程進(jìn)行模擬具備可行性與實(shí)用性（長(zhǎng)達(dá)2年的模擬計(jì)算耗時(shí)僅為數(shù)小時(shí)量級(jí)），且可同時(shí)納入各類影響要素，而這些要素在其他模擬研究中往往僅被單獨(dú)考慮。對(duì)比分析同時(shí)揭示，包氣帶的刻畫與管道幾何形態(tài)的精準(zhǔn)表征對(duì)模擬結(jié)果至關(guān)重要。忽略上述關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)滲漏量與地下污染物羽流運(yùn)移規(guī)律的預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差，造成滲漏率與污染物通量的錯(cuò)誤估算，進(jìn)而直接影響城市地下水監(jiān)測(cè)方案與修復(fù)治理措施的科學(xué)制定。