《Groundwater for Sustainable Development》：The Role of Clay Layers in Managing Fluid Pressure Propagation During Managed Aquifer Recharge
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地下水超采引发的Potomac含水层地面沉降、海水入侵及基岩地震风险问题，本研究通过3D数值模型整合黏土层异质性（如20米厚不连续黏土层），模拟高注入速率下流体压力传播机制。结果表明：侧向尺寸＞800×400米的黏土层可有效阻隔压力上传至结晶基岩；上层-中层联合注水能抑制表层压力累积并降低基岩压力峰值，为MAR工程规避地震风险提供量化依据。
约翰·B·奥古尼莱（John B. Ogunleye）| 伊桑·W·康利（Ethan W. Conley）| 马赫什·P·帕里贾（Mahesh P. Parija）| 瑞安·M·波利娅（Ryan M. Pollyea）
弗吉尼亚理工大学与州立大学地球科学系，布莱克斯堡，弗吉尼亚州 24061
摘要
弗吉尼亚沿海平原的波托马克含水层地下水抽取导致了严重的地下水枯竭、海水入侵和地面沉降。人们正在探索“管理性含水层补给”（Managed Aquifer Recharge, MAR）作为一种缓解策略。然而，由于波托马克含水层位于结晶基底岩石之上，流体压力变化可能引发地震的问题令人担忧。现有的数值模型通常假设含水层性质均匀，忽略了其细微的非均匀性。最近在弗吉尼亚波托马克含水层进行的深钻探发现存在20米厚的粘土层，但这些粘土层在高流量注水过程中的作用仍不明确。本研究开发了一个三维数值模型，考虑了含水层的非均匀性（如不连续的粘土层），以减缓流体压力向深层基底岩石的传播。结果表明，当分隔中下波托马克含水层的粘土层横向尺寸超过800×400米时，在该粘土层上方进行注水可以减少流体压力到达基底的风险。此外，向上层和中层波托马克含水层注水还能增加上覆含水层的流体压力，从而可能减轻地面沉降并降低向基底传播压力的风险，进而降低诱发地震的风险。
章节摘录
引言
地下水枯竭是一个紧迫的全球性问题，抽取量从1960年的每年126立方千米增加到2000年的每年283立方千米（Wada等人，2010年）。过度抽取地下水正在给世界各地的含水层带来压力，因此需要采取可持续的地下水管理措施。虽然一些含水层系统在政策干预后有所恢复（Jasechko等人，2024年），但其他含水层系统（如弗吉尼亚沿海平原含水层）仍因过度使用地下水而持续恶化（
方法
本研究通过数值模拟来评估流体压力向SWIFT-RC试验注水井结晶基底传播的时间和范围。由于波托马克含水层中含有粘土层，因此将粘土层的空间和参数不确定性纳入了流体压力向基底传播的分析中。美国地质调查局（USGS）提供的水文地层框架为含水层的空间分布提供了GIS水文地层数据
结果与讨论
流体压力变化的定量结果在图10、图11、图12和图13中进行了空间和时间上的展示。图10显示了四种测试方案下四年模拟后的平均流体压力变化情况。图11展示了基底岩石处压力变化的时间演变过程、各参数的敏感性指数以及模拟结束时横向连续粘土层下流体压力的99.7%置信区间
结论
本研究利用数值模拟和集合分析方法，展示了利用储层系统的岩性地层特征来管理注水过程中的流体压力的潜力。具体而言，数值模拟表明，通过利用粘土层来缓冲流体压力，可以控制流体向下方基底岩石的传播。在缺乏高分辨率地球物理调查的情况下，注水井的测井数据被用作评估的基准
作者贡献声明
伊桑·W·康利（Ethan W. Conley）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论研究、数据分析。约翰·B·奥古尼莱（John B. Ogunleye）：撰写 – 初稿撰写、可视化处理、验证、方法论研究、数据分析、概念构思。瑞安·M·波利娅（Ryan M. Pollyea）：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金筹措。马赫什·P·帕里贾（Mahesh P. Parija）：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、数据分析
未引用参考文献
Conley等人，2022a；Kurtzman和Guttman，2021；美国地质调查局，2010。
资金支持
本研究部分由美国环境保护署资助，项目编号为84061901（共同负责人：波利娅，Pollyea）。利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益或个人关系：瑞安·M·波利娅（Ryan M. Pollyea）表示获得了美国环境保护署的财务支持。其他作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢匿名审稿人的宝贵时间和建设性意见，这些意见显著提高了本文的质量。作者同时衷心感谢汉普顿路卫生区（Hampton Roads Sanitation District）的Jamie Heisig-Mitchell和Dan Holloway提供的关于SWIFT试验项目的信息。
