張 俊，侯榮哲，尹立河，馬洪云，黃金廷

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局干旱半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054；3. School of Civil Engineering, University College Dublin，Belfield, Dublin 4, Ireland)

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盆地地下水流系統(tǒng)形成與影響因素分析

張 俊1,2，侯榮哲3，尹立河1,2，馬洪云1,2，黃金廷1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局干旱半干旱區(qū)地下水與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054；3. School of Civil Engineering, University College Dublin，Belfield, Dublin 4, Ireland)

目前區(qū)域(盆地)地下水流系統(tǒng)模擬研究中，常用的定水頭與通量?jī)煞N上邊界條件刻畫(huà)方法與實(shí)際條件存在差距。通過(guò)對(duì)比兩種方法的差異和各自適用條件，采用解析法討論地下水位的形成控制機(jī)制，提出了改進(jìn)后的變通量上邊界數(shù)值模型，并以鄂爾多斯盆地北部白堊系地下水流系統(tǒng)為例分析了盆地地下水流系統(tǒng)的形成與影響因素。研究表明，鄂爾多斯盆地北部白堊系水流系統(tǒng)地下水位受地形、補(bǔ)給條件和滲透系數(shù)三者共同控制，同時(shí)特有的氣候、地形和巖性組合通過(guò)控制地下水位影響地下水流系統(tǒng)的發(fā)育演化。采用變通量上邊界法探討上邊界條件改變對(duì)盆地水流系統(tǒng)的影響，對(duì)深刻認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水流系統(tǒng)形成演化機(jī)制，揭示地下水系統(tǒng)與上邊界氣候變化、植被生態(tài)變化之間的相互作用關(guān)系具有一定優(yōu)勢(shì)。

地下水流系統(tǒng)；Tóth模型；定水頭；通量上邊界；鄂爾多斯盆地

區(qū)域地下水循環(huán)規(guī)律是現(xiàn)代水文地質(zhì)學(xué)的核心研究?jī)?nèi)容，區(qū)域地下水流系統(tǒng)理論是研究盆地尺度地下水循環(huán)規(guī)律的有效工具[1～2]。Tóth通過(guò)建立理想剖面二維均質(zhì)盆地模型，采用解析解繪制了理論上的地下水流動(dòng)系統(tǒng)流網(wǎng)，提出了地下水流系統(tǒng)理論，水文地質(zhì)學(xué)的研究視野從含水層拓展到了盆地(流域)尺度[3～4]。Tóth的盆地模型，上邊界采用與地形相近的傾斜正弦定水頭邊界，認(rèn)為水流系統(tǒng)主要受地形、盆地斜率和盆地深度等因素影響[5]。隨后，F(xiàn)reeze和Witherspoon用數(shù)值法繪制流網(wǎng)，討論了任意地形和非均質(zhì)各向異性介質(zhì)對(duì)水流系統(tǒng)的影響[6]。James[7]、Cardenas[8]、蔣小偉[9～11]等均采用定水頭模型討論了不同非均質(zhì)條件對(duì)地下水流系統(tǒng)的影響。Tóth定水頭邊界模型中，當(dāng)水位起伏形態(tài)或滲透系數(shù)改變時(shí)，上邊界的補(bǔ)給量、排泄量也隨之改變，地下水流模式不是單一因素變化的結(jié)果，這與實(shí)際條件存在差距[12]。針對(duì)這一問(wèn)題，梁杏等提出了通量上邊界方法，即上邊界設(shè)定為均勻補(bǔ)給入滲和不同高度的河谷低地可能勢(shì)匯區(qū)，并采用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，得出盆地地下水流模式及其演化規(guī)律主要受入滲強(qiáng)度與滲透系數(shù)影響[13～14]。

Tóth模型上邊界采用與地形相近的傾斜正弦定水頭邊界，假定地下水位主要受地形控制。梁杏等的通量上邊界設(shè)定為均勻補(bǔ)給入滲和不同高度的河谷低地可能勢(shì)匯區(qū)，認(rèn)為地下水位主要受補(bǔ)給條件(入滲補(bǔ)給強(qiáng)度與滲透系數(shù)比值)控制。實(shí)際條件下，地下水位是受地形控制還是受補(bǔ)給條件控制依賴(lài)于具體的水文地質(zhì)條件。因此，目前的區(qū)域(盆地)地下水流模擬研究中，上邊界條件刻畫(huà)與實(shí)際條件仍存在差距。

本文通過(guò)定水頭上邊界與通量上邊界對(duì)比分析，討論兩種方法的差異及各自適用條件。從地下水動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，采用解析法討論了地下水位的形成控制機(jī)制，并提出改進(jìn)后的變通量上邊界數(shù)值模型。在此基礎(chǔ)上，以鄂爾多斯盆地北部白堊系地下水流系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鄂爾多斯水流系統(tǒng))為例進(jìn)行實(shí)例分析，通過(guò)對(duì)比Tóth水流系統(tǒng)與鄂爾多斯水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，建立了以鄂爾多斯盆地地下水系統(tǒng)為統(tǒng)計(jì)原型的Tóth型水流系統(tǒng)，采用改進(jìn)后的變通量上邊界模擬方法，對(duì)鄂爾多斯盆地地下水流系統(tǒng)的形成與影響因素進(jìn)行分析，初步探討了上邊界條件改變對(duì)鄂爾多斯盆地水流系統(tǒng)的影響，以期深入認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水流系統(tǒng)形成演化機(jī)制。

1 兩種邊界條件對(duì)比

根據(jù)Tóth定水頭模型反算出上邊界通量，從水量均衡和補(bǔ)給排泄分布特征看(圖1)，定水頭上邊界水均衡與水頭值變化規(guī)律相對(duì)應(yīng)，補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)交替出現(xiàn)，呈現(xiàn)正弦曲線(xiàn)變化[11]。從水量均衡和補(bǔ)給排泄分布特征對(duì)比，定水頭邊界模型排泄區(qū)范圍相對(duì)分散，適用于刻畫(huà)蒸發(fā)、蒸騰等面狀分散排泄的情況；通量上邊界模型采用給定均勻入滲和集中排泄邊界，其排泄區(qū)范圍相對(duì)集中，適用于刻畫(huà)河流、溝渠等線(xiàn)狀集中排泄的情況。從水位控制機(jī)制對(duì)比，定水頭邊界模型認(rèn)為地形控制水位，地形通過(guò)控制水位影響地下水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；通量上邊界模型認(rèn)為補(bǔ)給控制水位，補(bǔ)給條件通過(guò)控制水位影響地下水流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 不同邊界條件模型上邊界通量水均衡分布圖Fig.1 Flux distribution of different model upper- boundaries

2 地下水位形成機(jī)制討論

2.1 地下水位控制因素判別依據(jù)

控制地下水位形態(tài)的因素主要是地形和補(bǔ)給條件，針對(duì)何種條件地下水位受地形控制或補(bǔ)給控制的問(wèn)題，Haitjema[15]根據(jù)裘布依圓島模型，計(jì)算了地下水位抬升高度 Δh：

(1)

根據(jù)Δh與地形高差d對(duì)比，提出了地形是否控制地下水位的判別式：

(2)

式中：R——補(bǔ)給強(qiáng)度；L——地表水排泄帶間距或水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模；

K——滲透系數(shù)；

H——水流系統(tǒng)循環(huán)深度；

d——地形高差；

m——水流模式。

2.2 局部水流系統(tǒng)發(fā)育演變機(jī)制

在盆地尺度上，地下水動(dòng)力學(xué)中的河間地塊模型可以視為研究區(qū)域地下水流系統(tǒng)的特定模型之一[16](圖2)。薛禹群主編的《地下水動(dòng)力學(xué)》將描述河間地塊地下水流問(wèn)題的章節(jié)改為“區(qū)域地下水流問(wèn)題”[17]。因此，可利用河間地塊模型，從地下水動(dòng)力學(xué)角度討論地下水流系統(tǒng)的發(fā)育演變機(jī)制。

圖2 河間地塊模型與區(qū)域水流系統(tǒng)模型關(guān)系Fig.2 Relationship between block between the rivers model and regional flow systems

均勻穩(wěn)定入滲的潛水向河渠二維穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)流量為：

(3)

式中：q1——河間地塊左側(cè)的流出量；h1和h2——左右兩側(cè)河水位高程；W——入滲補(bǔ)給強(qiáng)度；L——河間地塊寬度。

根據(jù)河間地塊模型，水力坡度I和含水層厚度H計(jì)算公式為：

(4)

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)：

(6)

當(dāng)q1<0時(shí)，將式(6)移項(xiàng)變形，可得到局部水流系統(tǒng)是否發(fā)育的判別式：

(7)

式中：W——補(bǔ)給強(qiáng)度；K——滲透系數(shù)；I——盆地平均斜率；H——水流系統(tǒng)循環(huán)深度；L——水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模或分水嶺寬度。

當(dāng)式(7)成立時(shí)，局部水流系統(tǒng)發(fā)育。根據(jù)式(7)可知，局部水流系統(tǒng)發(fā)育受補(bǔ)給強(qiáng)度(W)、滲透系數(shù)(K)、水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模(L)、循環(huán)深度(H)及盆地平均斜率(I)等五大要素共同影響。其中，水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模和循環(huán)深度(L和H)和盆地平均斜率(I)主要受盆地地形控制，補(bǔ)給強(qiáng)度(W)和滲透系數(shù)(K)主要受氣候條件和含水層巖性控制。定性看，當(dāng)盆地地形不變，補(bǔ)給強(qiáng)度(W)增加或滲透系數(shù)減小時(shí)，有利于局部水流系統(tǒng)發(fā)育，這與梁杏等人的結(jié)論一致[10]。當(dāng)其他要素不變，盆地平均斜率(I)變大時(shí)，不利于局部水流系統(tǒng)發(fā)育，這與Tóth的結(jié)論一致[2]。

盆地或區(qū)域尺度，地下水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)律遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其垂向發(fā)育深度，地下水流以水平徑流為主。因此，為便于利用解析解確定地下水位形態(tài)，在討論上述兩個(gè)問(wèn)題時(shí)，采用裘布依假定，忽略地下水垂向流動(dòng)，是合理可接受的。

3 變通量上邊界模型

由于地形對(duì)上邊界補(bǔ)給排泄條件起控制作用，因此，本質(zhì)上地下水位的起伏受上邊界補(bǔ)給排泄通量控制。根據(jù)實(shí)際地下水水位，可以反求獲知出上邊界通量。基于這一認(rèn)識(shí)，提出變通量上邊界模擬方法，具體步驟為：

(1)根據(jù)實(shí)際地下水位，建立定水頭模型。在GMS軟件中采用有限差分模型建立剖面二維穩(wěn)定流模型，利用柵格法生成剖面網(wǎng)格，上邊界設(shè)定為定水頭，水頭和實(shí)際地下水位一致；垂向和底部設(shè)定為隔水邊界。

(2)根據(jù)定水頭模型，反求上邊界水量均衡。在GMS中運(yùn)行定水頭穩(wěn)定流模型，統(tǒng)計(jì)模型頂部每一個(gè)定水頭柵格內(nèi)的水均衡量，即流入流出量，獲得上邊界通量計(jì)算值。

(3)根據(jù)上邊界水量均衡，建立變通量上邊界模型。在GMS中采用有限差分模型重新建立剖面二維穩(wěn)定流模型，在模型中增加補(bǔ)給模塊，上邊界柵格取消定水頭，增加補(bǔ)給項(xiàng)，將第二步獲得的上邊界通量計(jì)算值賦值到頂部柵格中，建立了變通量模型。運(yùn)行該變通量模型，可得到與定水頭模型一致的水動(dòng)力場(chǎng)。然后，通過(guò)根據(jù)不同變化條件改變模型上邊界通量，可用來(lái)模擬預(yù)測(cè)不同補(bǔ)給條件下的地下水位和流場(chǎng)變化，探討區(qū)域地下水流系統(tǒng)的形成演化機(jī)制。

變通量上邊界模型融合了定水頭模型和通量上邊界模型的特點(diǎn)。與定水頭模型相比，變通量模型通過(guò)改變上邊界通量控制地下水位，對(duì)地下水位的刻畫(huà)更符合實(shí)際條件；與通量上邊界模型比較，兩者都是上邊界通量控制地下水位，但通量上邊界模型假定上邊界為均勻補(bǔ)給，各處補(bǔ)給量相等，且排泄方式固定為集中排泄，而變通量上邊界補(bǔ)給排泄量通過(guò)真實(shí)水位反算求出，各處通量隨補(bǔ)給排泄條件變化，更接近實(shí)際條件。

本文采用規(guī)則網(wǎng)格有限差分法求解，應(yīng)用軟件為GMS 7.0。

4 盆地水流系統(tǒng)實(shí)例分析

鄂爾多斯白堊系盆地，是我國(guó)面積最大、結(jié)構(gòu)最完整、具有典型意義的地下水系統(tǒng)[18]，盆地北部為沙漠高原，地形波狀起伏，地下水位與地形起伏一致，地勢(shì)較高的梁地形成不同級(jí)別的地下水分水嶺，地勢(shì)低洼帶分布眾多湖(淖)，成為地表水和地下水的匯流排泄點(diǎn)。同時(shí)，盆地北部白堊系含水層厚度大，且無(wú)區(qū)域性穩(wěn)定隔水層，各層地下水水力聯(lián)系密切，構(gòu)成一個(gè)具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的巨厚含水體，為地下水流動(dòng)提供了充足的空間，可穿層流動(dòng)(圖3)。含水體內(nèi)地下水流動(dòng)具有多層結(jié)構(gòu)，這與Tóth描述的重力穿層多級(jí)嵌套地下水流動(dòng)模式高度一致[19]。根據(jù)前述討論的判別式對(duì)鄂爾多斯盆地北部地下水位形成機(jī)制和局部系統(tǒng)發(fā)育演變機(jī)制進(jìn)行實(shí)例分析。

圖3 鄂爾多斯盆地北部白堊系地下水流系統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)剖面圖(東西向)Fig.3 Multilayer structure section of northern Ordos Basin Cretaceous groundwater flow systems

4.1 鄂爾多斯盆地地下水位控制因素判斷

根據(jù)前人調(diào)查研究，鄂爾多斯盆地北部多年平均降雨量(P)約300 mm/a，降水入滲系數(shù)(r)平均值為0.15，計(jì)算得到凈補(bǔ)給量R為45 mm/a。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鄂爾多斯盆地北部局部水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模(L)平均值為9.98 km，最大值24.83 km，最小值為5.51 km；區(qū)域系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模120 km。局部系統(tǒng)垂向平均循環(huán)深度(H)為150 m，區(qū)域系統(tǒng)垂向最大循環(huán)深度1 000 m[20]。白堊系含水層平均滲透系數(shù)(K)為0.3 m/d。盆地北部局部地下水水流系統(tǒng)地形高差(d)平均值80 m，最大值150 m；區(qū)域系統(tǒng)地形高差250 m。當(dāng)水流在平面上為平行流動(dòng)，可概化為剖面二維流時(shí)水流模式(m)取值8；水流在平面上為徑向輻射或向心狀流動(dòng)，可概化為三維流時(shí)水流模式(m)取值16。

將參數(shù)代入式(2)，區(qū)域水流系統(tǒng)判別式計(jì)算值為2～8，表明區(qū)域尺度水位主要受地形控制，可用Tóth定水頭模型刻畫(huà)；局部水流系統(tǒng)判別式計(jì)算值為0.53～2，表明局域尺度，部分局部水流系統(tǒng)地下水位受地形控制，部分局部水流系統(tǒng)地下水位受補(bǔ)給控制。因此，實(shí)際條件下，局部水流系統(tǒng)需根據(jù)具體情況合理概化邊界條件。

4.2 鄂爾多斯盆地局部水流系統(tǒng)發(fā)育演變

將式(7)移項(xiàng)變形可得：

(8)

(9)

(10)

根據(jù)前述計(jì)算，取凈補(bǔ)給量W為45 mm/a，局部系統(tǒng)平均垂向循環(huán)深度(H)為150 m，盆地平均斜率為0.002，白堊系含水層平均滲透系數(shù)(K)為0.3 m/d，代入式(8)，得局部水流系統(tǒng)的水平發(fā)育規(guī)模(L)大于1.5 km。計(jì)算結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地局部水流系統(tǒng)的最小水平發(fā)育規(guī)模大于1.44 km。根據(jù)式(9)，局部水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模(L)取最小值5.51 km，其他參數(shù)不變，計(jì)算得到降雨量(P)為78 mm/a。計(jì)算結(jié)果表明，維持鄂爾多斯盆地局部水流系統(tǒng)存在的最小降雨量須大于78 mm/a。同理，根據(jù)式(10)，計(jì)算得到滲透系數(shù)(K)小于1.2 m/d，計(jì)算結(jié)果表明，維持鄂爾多斯盆地局部水流系統(tǒng)存在的最大滲透系數(shù)不能超過(guò)1.2 m/d。

以上計(jì)算分析說(shuō)明，由于鄂爾多斯盆地北部白堊系水流系統(tǒng)特有的氣候、地形和巖性組合，地下水位受地形、補(bǔ)給條件和滲透系數(shù)三者共同控制，同時(shí)特有的氣候、地形和巖性組合通過(guò)控制地下水位影響地下水流系統(tǒng)的發(fā)育演化。

4.3 鄂爾多斯盆地變通量模擬

由于鄂爾多斯盆地水流系統(tǒng)地下水位隨地形波狀起伏，地下水流模式為重力穿層多級(jí)嵌套結(jié)構(gòu)，與Tóth水流系統(tǒng)高度相似，故采用以鄂爾多斯盆地地下水系統(tǒng)為統(tǒng)計(jì)原型的Tóth型水流系統(tǒng)對(duì)鄂爾多斯盆地水流系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

Tóth模型假定盆地上邊界多年平均水位分布為線(xiàn)性函數(shù)和正弦函數(shù)的疊加，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(11)

b=2π/λ

式中：z0——盆地平均深度；α——河谷到分水嶺線(xiàn)性變化的傾角； tanα——盆地斜率；a——正弦函數(shù)振幅，代表局部系統(tǒng)水位起伏；λ——正弦函數(shù)波長(zhǎng)。

參照Tóth盆地模型，結(jié)合鄂爾多斯盆地實(shí)際條件，鄂爾多斯白堊系盆地平均深度z0為1 000 m，盆地寬度L為120 km，盆地斜率tanα為0.002，根據(jù)鄂爾多斯盆地北部淺循環(huán)系統(tǒng)地形平均高差，地形振幅a取值80 m，λ根據(jù)剖面方向局部水流系統(tǒng)平均寬度確定，取值20 km。在GMS軟件中利用柵格法生成剖面網(wǎng)格，垂向剖分50層，水平剖分30列。上邊界高程和地形高程一致，垂向和底部為隔水邊界。由于鄂爾多斯北部白堊系含水系統(tǒng)內(nèi)無(wú)區(qū)域穩(wěn)定隔水層，各層具有統(tǒng)一水力聯(lián)系，因此含水層概化為均質(zhì)各向異性介質(zhì)，水平滲透系數(shù)取0.3 m/d，各向異性以水平與垂向滲透系數(shù)比值(Kh/Kv)表示。根據(jù)前期研究[18～19]，通過(guò)分層水頭和地下水年齡等測(cè)量結(jié)果，確定了各級(jí)水流系統(tǒng)循環(huán)深度，剖面數(shù)值模擬時(shí)，根據(jù)各級(jí)水流系統(tǒng)循環(huán)深度反演計(jì)算得出了Kh/Kv值為1 000～2 000，本次模擬取值1 000。

根據(jù)上述條件建立剖面二維定水頭穩(wěn)定流數(shù)值模型，反求出上邊界補(bǔ)給排泄量(圖4)，根據(jù)上邊界水量均衡，建立變通量上邊界模型，模擬剖面地下水流場(chǎng)(圖5)。由于鄂爾多斯盆地地下水埋深淺，氣候和植被生態(tài)變化對(duì)水流系統(tǒng)上邊界補(bǔ)給排泄條件的影響作用大，氣候干旱化或植被截留和蒸騰量增加，將引起區(qū)域面狀補(bǔ)給量整體減少。因此，在模型中改變上邊界通量，使其補(bǔ)給量整體減少1%，重新運(yùn)行模型，模擬得到新的地下水流場(chǎng)。根據(jù)前后水位模擬結(jié)果，計(jì)算出上邊界水位差(圖6)。結(jié)果顯示，補(bǔ)給量整體減少1%時(shí)，區(qū)域地下水位出現(xiàn)下降，平均降深為2.6 m，補(bǔ)給區(qū)水位降深比排泄區(qū)大，說(shuō)明排泄區(qū)作為勢(shì)匯，接受來(lái)自不同級(jí)別水流系統(tǒng)的側(cè)向和垂向補(bǔ)給作用，其地下水調(diào)蓄能力比補(bǔ)給區(qū)強(qiáng)，排泄區(qū)水位變化對(duì)上邊界補(bǔ)給條件改變的響應(yīng)比補(bǔ)給區(qū)弱。區(qū)域尺度上，水位降深總體上由區(qū)域水流系統(tǒng)補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)趨于減小，地下水位降深最大值為4.0 m，位于區(qū)域水流系統(tǒng)上游補(bǔ)給區(qū)，區(qū)域系統(tǒng)上游排泄點(diǎn)(湖泊濕地)水位降深比區(qū)域系統(tǒng)下游大，這與王艷偉等人的研究結(jié)論一致[21]，即在氣候干旱化或植被增加條件下，鄂爾多斯高原湖泊處于萎縮狀態(tài)，且海拔高的湖泊比海拔低的湖泊萎縮率高。

圖4 上邊界補(bǔ)給排泄通量均衡分布圖Fig.4 Recharge and discharge flux distribution of upper- boundary

圖5 變通量上邊界模型模擬結(jié)果圖Fig.5 Simulation result of variable flux upper- boundary model

圖6 不同通量條件模擬上邊界水位差Fig.6 Water table difference between different fluxes

5 結(jié)論

(1)定水頭邊界適用于地下水位受地形控制的情況，適用于刻畫(huà)排泄方式為蒸發(fā)蒸騰等面狀分散排泄的情況。通量上邊界適用于水位受補(bǔ)給控制情況，適用于刻畫(huà)排泄方式為河流溝渠等線(xiàn)狀集中排泄的情況。二者本質(zhì)上都是通過(guò)控制地下水位影響水流模式。

(2)地下水位是受地形控制還是受補(bǔ)給條件控制，取決于地形高差、補(bǔ)給強(qiáng)度、含水層滲透系數(shù)、水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模、循環(huán)深度和水流模式等因素。局部水流系統(tǒng)是否發(fā)育受控于盆地平均斜率、補(bǔ)給強(qiáng)度、滲透系數(shù)、水流系統(tǒng)水平發(fā)育規(guī)模和循環(huán)深度等因素。

(3)鄂爾多斯盆地地下水流系統(tǒng)，與Tóth基于理論假設(shè)和數(shù)學(xué)推演得出的地下水流動(dòng)模式相一致，為地下水流系統(tǒng)的研究提供了難得的實(shí)例，對(duì)于地下水流系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用具有重要的價(jià)值。鄂爾多斯盆地北部白堊系水流系統(tǒng)特有的氣候、地形和巖性組合，使地下水位受地形、補(bǔ)給條件和滲透系數(shù)三者共同控制，同時(shí)特有的氣候、地形和巖性組合通過(guò)控制地下水位影響地下水流系統(tǒng)的發(fā)育演化。

(4)針對(duì)定水頭邊界和通量邊界的不足，提出了改進(jìn)后的變通量上邊界模擬方法，并以鄂爾多斯盆地水流系統(tǒng)為例進(jìn)行了實(shí)例分析，對(duì)地下水系統(tǒng)模擬中上邊界條件更準(zhǔn)確全面的刻畫(huà)進(jìn)行了有益探索。研究對(duì)提高區(qū)域水流系統(tǒng)模擬的仿真度，更深刻認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水流系統(tǒng)形成演化機(jī)制具有參考意義，對(duì)進(jìn)一步揭示地下水系統(tǒng)與上邊界氣候變化、植被生態(tài)變化之間的相互作用關(guān)系具有一定啟示。

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責(zé)任編輯：張若琳

Formation and influencing factors of regional groundwater flow systems

ZHANG Jun1,2, HOU Rongzhe3, YIN Lihe1,2, MA Hongyun1,2, HUANG Jinting1,2

(1.KeyLaboratoryforGroundwaterandEcologyinAridandSemi-aridAreas,CGS,Xi′an,Shaanxi710054,China; 2.Xi’anCenterofChinaGeologicalSurvey,Xi′an,Shaanxi710054,China; 3.SchoolofCivilEngineering,UniversityCollegeDublin，Belfield,Dublin4,Ireland)

Constant head and flux boundaries are widely used upper boundaries of numerical simulations, which is however beyond the actual conditions. The differences between the two methods and their applicable conditions were compared in this study. Formation and controlling mechanisms of water table were discussed using an analytical method and an improved numerical simulation method of variable upper- boundaries was proposed. The formation and influencing factors of the northern Ordos Basin cretaceous groundwater flow systems was analyzed as a case study. The results show that water table of the northern Ordos Basin cretaceous flow systems was controlled by three factors including terrain, recharge conditions and hydraulic conductivity. Specific local climate, topography and aquifer lithology effect the development and evolution of groundwater flow systems by controlling water table. The numerical simulation method of variable flux upper- boundaries applied to analyze the impact of upper- boundaries changes on groundwater flow systems at basin scales is an effective way for deeply understanding the formation and evolution mechanisms of regional groundwater flow systems as well as for identifying the interaction between groundwater systems and climatic variations and vegetation changes.

groundwater flow systems; Tóth model; given head; flux upper- boundary; Ordos Basin

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.02

2016- 04- 05;

2016- 07- 14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402226)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項(xiàng)目(121201011000150020)；國(guó)土資源公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201511047)

張俊(1982- )，男，碩士，助理研究員，主要從事水文地質(zhì)研究。E- mail:36170038@qq.com

P641.2

A

1000- 3665(2017)04- 0008- 07