2010CB428800-华北平原地下水演变机制与调控

项目名称：华北平原地下水演变机制与调控首席科学家：石建省中国地质科学院水文地质环境地质研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：国土资源部河北省科技厅一、研究内容1．人类活动条件下区域地下水系统响应基于对地下水系统结构、组成、特征、场、系统与环境相互作用的表征现象调查研究，揭示在自然与人类活动双重作用下，地下水系统诸要素的时空演化方向、路径和规模，达到规律性的认识。

重点研究近50年来区域水循环要素变化规律及其影响因素；分析历史上地下水资源开发条件下区域地下水流场变化过程，阐明浅层和深层地下水动力场特征与演变过程；揭示人类活动加剧条件下地下咸水体移动、水化学场演变和地下水资源量变化规律；建立人类活动条件下与区域水循环变化相联系的地下水系统演变模式，为地下水演变机理研究和地下水调控研究提供理论依据。

2．含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理基于地下水演变规律的研究成果和成因分析，揭示地下水动力条件与水循环机理、含水层结构与特性及演化机理、地下水溶质迁移富集与地球化学作用机理和水—土复合作用、地面沉降和地质灾害发生机理；阐明人类活动对地下水资源可利用资源组成的影响机制和趋势，为地下水资源调控提供科学依据。

研究地下水系统水动力条件变化后含水层特性的变化。

研究浅层含水层结构变化规律及地下水补排的非线性过程、包气带溶质运移与浅层地下水水质演变；分析浅层地下水补给方式、过程和强度的变化；通过对人类活动影响下浅层含水层补给关键环节与影响因素的研究，确定浅层含水层结构变化规律，建立适于浅层含水层结构变化的地下水补给非线性模型。

研究深层含水层系统结构与地下水流动系统各要素对高强度开采的响应，包括弱透水层越流和压缩释水机理、浅层地下水与深层地下水相互作用机制、水动力场—土应力场耦合机理及地面沉降、地质灾害发生机制、地下淡水—咸水界面移动与驱动机制、分析地下水动力场和水化学场演化机制及其对地下水循环的影响；研究地下水资源可利用量的组成、变化机理和趋势；阐明深层地下水可更新能力的变化过程与趋势，为区域地下水资源的演变提供理论依据，为地下水合理调控的研究奠定基础。

3．地下水—环境—社会经济耦合机制与评价体系在充分认识环境变化下的地下水循环及水资源变化机理的基础上，研究地下水开发与环境变化、经济发展的互动关系与耦合机制，建立研究区地下水资源承载力的评价体系和评价模式，建立地下水系统、经济社会系统、生态环境系统在其运动发展过程中的相互依存与相互制约的定量关系，为地下水危机识别和合理调控的研究奠定基础。

4．环境、经济约束下的地下水调控研究地下水位、水质和地下水开采量的环境阈值，确定地下水系统危机临界识别指标体系；研究气候变化和南水北调实施等情景下地下水危机状况及供水安全的保证程度，搭建地下水资源调控平台，综合提出保证华北平原供水安全的地下水可持续开发利用模式和方案，包括利用地表水调蓄、逐渐恢复地下水资源的数量、质量以及安全保障等，形成地下水资源调控的技术方法与理论体系。

二、预期目标（一）总体目标揭示“地下水复合漏斗”形成演变机理，阐明人类活动对地下水资源数量与质量的影响机制，揭示地下水资源开发—环境变化—经济发展协调机制，形成人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论；建立地下水系统危机临界识别指标体系和地下水—环境—社会经济协调评价体系，构建地下水资源调控平台与可持续开发利用模式；提出“地下水复合漏斗”控制与修复方法，建立区域地下水演变与调控技术方法与理论体系，发展和完善地下水可持续及水资源安全理论体系，提高我国地下水资源与安全保障能力，为国民经济的持续发展和水资源永续利用提供科学依据和理论基础。

造就一批具有国际水平和影响的优秀科学家群体和复合型高级专门人才团队。

（二）五年预期目标1．建立区域尺度地下水演化科学理论，揭示自然变化和人类活动双重影响下华北平原地下水演变过程机理，评估极端气候条件下地下水系统支撑能力。

2．建立区域地下水演变与调控技术方法与理论体系。

查明大规模开采和人类活动引起区域地下水位下降、开采层位变化、含水层系统结构变化等水文地质条件变化，揭示在自然变化和人类活动双重影响下，不同时空尺度地下水演化过程中经历和正在发生的突变或灾变机制，揭示“地下水复合漏斗”和咸水体的形成演变机理，阐明地下水资源数量与质量的变化机制，分析地下水开采的环境效应。

建立地下水系统危机的临界点识别与评价理论，定量确定含水层涵养与地下水安全调控阈值。

为研究区地下水的合理开发利用和区域发展规划提供依据。

3．提出“地下水复合漏斗”控制与修复方法。

建立与南水北调相联系的山前平原地下调蓄和地表调控优化模式，确定深层地下水调控修复机制，探讨洪水资源化、地下水调蓄补给机制与模式，开展地下水位漏斗区疏干含水层修复潜力、条件与过程的研究，构建区域地下水安全预警与综合评价体系，探讨深、浅层地下水安全保障的战略、模式与对策，建立我国缺水地区地下水循环和安全保障调控与预测的数字化模拟体系和管理体系。

4．在国内外高水平学术期刊发表100篇左右的高质量论文，培养20—30名研究生。

三、研究方案（一）学术思路本项研究以全球变化和水循环理论为指导，以地下水对区域水循环变化响应为基础，以地下水资源数量和质量演变规律及特征为主线，以环境、经济约束下的地下水调控为目的，针对华北平原地下水开发利用现状，围绕制约社会经济发展的两大关键科学问题，通过采用多学科交叉、多技术联合应用，通过对五个方面的研究，发展和完善地下水循环演变理论、建立地下水调控理论体系，服务于国家目标（供水安全、环境友好、经济发展）。

本项研究的学术思路通过三个不同层面的研究来体现（如图1所示）。

图1 总体研究思路示意图1．在目前华北平原已经取得的调查成果的基础上，识别自然和人类活动双重影响下，区域地下水系统演变的现象与特征，总结形成区域性宏观规律。

2．在上述区域现象与规律性认识的基础上，围绕地下水可利用资源演变影响机制这一关键科学问题，揭示地下水动力条件与水循环机理、含水层结构特性及演化机理、地下水质变异与地质作用机理、水—土复合作用与地面沉降和地质灾害发生机理，以及生态水文对地下水资源的控制机理。

3．在上述科学机理研究的基础上，围绕另一关键科学问题——地下水资源开发—环境变化—经济发展协调机制，研究环境、经济与地下水资源的互动关系，以及地下水危机的评估标识，为地下水安全调控提供基础。

拟从两个方面来解决：一是详细了解环境、经济对地下水开发利用的约束以及地下水资源承载能力，将通过地下水—环境—社会经济耦合机制与评价体系研究来实现；二是准确把握地下水危机临界标识、预测不同条件干扰下的地下水系统危机状态，建立环境、经济约束下的地下水调控技术方法与理论体系。

通过研究地下水危机临界标识与地下水资源调控来实现，包括：地下水系统危机临界识别指标体系、极端气候条件下地下水危机状态预测、地下水资源调控平台构建与可持续开发利用模式。

最终，在上述三个层次的研究基础上，通过综合集成研究，形成地下水资源调控技术方法与理论体系，提出地下水资源可持续利用与保护对策。

（二）技术途径1．技术路线本项研究将从三个方面获得数据作为演变信息来源：①已有研究成果获得的数据资料—华北平原地下水资源与环境调查数据库；②野外原位观测、试验、实验得到的数据；③模型输出的相关数据。

在此基础上，通过多种技术手段的综合运用，获得表征地下水演变的现象与规律，通过典型区试验、实验以及物理模拟和数值模拟，进行成因与机理分析，揭示地下水可利用资源演变机制，结合社会经济、生态环境的需水量分析、运用层次分析、运筹学等方法，建立地下水—环境—社会经济发展之间的协调关系，通过多目标协调数学模型，揭示地下水资源开发—环境变化—经济发展协调机制。

在此基础上，分深、浅层地下水系统确定地下水危机临界识别标识。

通过地下水系统数值模型，研究浅层地下水不同地域、不同含水介质的合理调控水位和最低调控水位的阈值。

建立典型区地下水流—地面沉降耦合模型，探讨不同开采条件下，地下水危机地面形变的响应，确定深层地下水位阈值。

建立淡—海（咸）水两相界面运移模型，确定防止海水侵入的地下水位的临界阈值。

地下水位的上边界阈值为防止地下水位埋深过浅而造成土壤盐渍化，通过包气带土壤水分和盐分观测实验、野外土壤盐渍化程度与地下水位埋深调查等手段，确定其阈值。

对于维持河道正常基流量、保护湿地的地下水位阈值，通过水均衡方法、地下水动力学方法等来确定。

以地下水临界水位阈值为原则，综合考虑地下水开采引起地质环境、生态环境的变化程度和影响，结合气候变异、地下水调蓄和恢复能力，运用地下水模型确定各地区地下水调控指标，摸索出一套确定地下水调控指标的方法。

最终，建立相应的地下水模型，通过不同情境地下水数值模拟，开展地下水调控研究。

模拟多年地下水流场和水位动态，结合粘性土压缩试验和典型区地下水流—地面沉降模拟结果，确定华北平原地下水资源组成；预测一定条件下（气候异常等变异条件、突发事件、南水北调实施后地下水限采）多年地下水位动态和流场的变化趋势，评价地下水的可开采量、调蓄和更新能力以及环境影响；在地下水流模型的基础上，利用多年地面沉降监测数据和室内土力学实验数据，建立典型区三维地下水流—地面沉降耦合模型，揭示地下水水位变化与水土应力互馈之间的内在联系及地面沉降的机理，确定深层水资源组成；运用华北平原水化学监测数据，建立地下水两相界面流（咸、淡水）模型，分析咸水下移的机理，探讨咸水利用的可行性；建立精细地下水模型（北京平原区和衡水地下水大面积开发区），用于研究地下水供水安全、应急供水、调蓄与恢复等问题。

应用数据库和地理信息系统技术，用于构建华北平原地下水资源基础数据库及其合理利用调控平台。

综上所述，本项目将采用多学科综合和跨学科交叉的研究方法，立足调查、试验、观测、实验与室内模拟等相结合，“3S”与数学模拟方法相结合，实现微观机理分析与宏观规律相结合，揭示地下水系统和相关环境演变机制，进而探索地下水系统危机临界标识，定量确定环境约束下地下水调控阈值，实现良好生态环境下地下水可持续利用，详细技术路线见图2。

2．关键技术遥感技术：根据卫星遥感观测资料，评价土壤湿度和温度、灌溉面积或农作物类型的空间变化等，评价蒸发蒸腾量。

利用干涉测量合成孔径雷达（InSAR）监测地面形变，从而在大尺度空间和长时间序列上详细测量含水层系统结构变化造成的地面沉降。

将遥感监测与水头变化的地面观测技术相结合，确定含水层物理参数变化，综合多种遥感数据，改进地下水流动和含水层压实模型，加深对含水层结构变化过程的认识。

综合物探技术：把常规电法与核磁共振、频域电磁测深法（EH—4电导率成像系统）、震电MT等先进方法相结合，查明地下水系统结构以及咸水体水平与垂直方向上的分布与变化情况，分析地下咸水体的演变与地下咸水—淡水界面的移动情况。