在干旱内流盆地中模拟密度驱动的水文地质动态：对变密度地下水流动系统的数值分析

《Environmental Research》：Modeling Density-Driven Hydrogeological Dynamics in Arid Endorheic Basins: A Numerical Analysis of Variable-Density Groundwater Flow Systems

地下水流动系统的地形与密度耦合效应研究以柴达木盆地为对象，通过变密度模型和遗传算法反演，定量分析了密度梯度变化对区域地下水流动驱动力的衰减机制。结果表明蒸发引起的盐分累积显著改变盆地中心流体密度，等效淡水头差异下降导致水力梯度减弱，使地下水流动路径发生结构性调整，且密度效应在干旱内陆盆地中超越沉积物非均质性成为主导控制因素。

　　本研究聚焦于干旱内陆盆地中地下水流动系统的演化，探讨了地形与密度变化的耦合效应。地下水是许多人类社会和生态系统的重要资源，然而其流动机制往往受到复杂的自然因素影响，包括地形起伏、地层渗透性差异以及盐度变化等。特别是在干旱地区，由于强烈的蒸发作用，地下水系统的演化过程更为显著，这使得研究地下水流动的动力机制显得尤为重要。通过建立一个基于青藏高原柴达木盆地典型地质剖面的变密度地下水流动模型，研究团队利用遗传算法（GA）对关键的水文地质参数进行反演和校准，从而更准确地模拟地下水流动模式及其随时间的演变过程。

研究中采用的平均等效淡水头差（AEFHD）方法，为量化地形和密度对地下水流动的驱动作用提供了一种新的视角。该方法能够有效表征地下水流动的整体驱动力，使得在复杂的水文地质环境中也能进行较为精确的模拟。同时，研究团队还引入了改进版的TOUGHREACT程序，将水文地球化学反应与地下水流动耦合起来，模拟了从山前平原到盆地中心盐湖的流路中溶解固体的累积过程，进而揭示了密度变化对地下水流动格局的深远影响。

在研究过程中，数值模拟的时间跨度长达10万年，以考察密度梯度在区域地下水流动中的长期效应。模拟结果表明，由于强烈的蒸发作用，盆地中心的地下水盐度和密度显著增加，导致该区域的等效淡水头升高，达到47.86%的水平。这种变化对地下水流动路径产生了重要影响，特别是在排水区，原本由地形驱动的水流逐渐减弱，使得水流的方向和强度发生改变。这种现象在干旱地区的终端排水区尤为明显，因为该区域的低渗透性地层更容易受到密度变化的影响。

此外，研究还对参数不确定性进行了分析，发现扩散系数（D）和渗透系数（K）的不确定性对密度分布模式有一定的影响，但对量化驱动力的衰减影响较小。这一发现表明，在模拟过程中，尽管某些参数的不确定性可能会影响局部密度变化的精确性，但它们对整体水流格局的控制作用相对有限。因此，研究团队得出结论，蒸发导致的咸水积聚是干旱盆地中地下水流动系统长期演化的主导机制，其作用远超过沉积物异质性的影响。

从研究区域来看，柴达木盆地作为典型的干旱内陆盆地，其独特的地理和水文条件为本研究提供了理想的实验场。该盆地总面积约为12万平方公里，四周被祁连山、昆仑山和阿尔金山等高大山脉环绕，这些山脉的海拔高度普遍在4000至6000米之间，形成了一个相对封闭的水文系统。这种封闭性使得盆地内部的地下水流动主要受到内部因素的控制，而外部因素的影响相对较小。研究团队选择的A-A'剖面能够很好地代表区域水文地质条件，并且与地下水的主要流动方向一致，从而确保了模拟结果的准确性和代表性。

在数值模拟方面，研究团队采用了一种二维地下水流动模型，该模型基于A-A'剖面的地质特征，能够有效捕捉从山前平原到盆地中心的地下水流动过程。通过将水文地球化学反应与地下水流动进行耦合，研究团队不仅能够模拟地下水的物理流动，还能够分析其化学成分的变化。这种综合性的模拟方法有助于更全面地理解地下水系统的演化过程，特别是在盐度变化显著的区域。研究结果表明，随着盐度的增加，地下水的密度也随之升高，这种密度变化对地下水流动路径产生了重要的影响，尤其是在盆地中心的低渗透性地层中。

在参数反演和校准方面，遗传算法（GA）被证明是一种高效的全局优化技术。通过将实际观测到的地下水位宏观模式与模型预测结果进行匹配，研究团队成功获得了更精确的水文地质参数集。反演结果表明，细沙的渗透系数比初始估计值提高了约65%，而粉质土壤的渗透系数则降低了约29%。这些参数的变化反映了实际地质条件与理论模型之间的差异，也表明在干旱内陆盆地中，水文地质参数的不确定性可能对模拟结果产生一定影响。然而，尽管参数的不确定性可能会影响局部密度分布的准确性，但它们对整体驱动力的衰减影响较小，这说明研究中的主要结论具有较高的可靠性。

本研究的结论对于理解干旱内陆盆地中地下水流动系统的演化机制具有重要意义。通过引入AEFHD方法和变密度耦合流动-传输模型，研究团队不仅能够量化密度变化对地下水流动的驱动作用，还能够揭示其在不同时间和空间尺度上的影响。研究发现，盆地中心的密度增加是导致区域地下水流动减弱的主要机制，这种减弱效应随着时间的推移而逐渐增强。这一发现为干旱地区地下水资源管理提供了新的思路，也对相关领域的研究具有重要的参考价值。

此外，研究团队还对研究方法进行了深入探讨，强调了在模拟地下水流动系统时，必须综合考虑多种因素，包括地形、沉积物异质性以及盐度变化等。在以往的研究中，许多学者往往忽视了盐度变化对地下水流动的影响，认为其作用可以忽略不计。然而，本研究通过详细的数值模拟和参数反演，证明了盐度变化在某些情况下可能成为主导因素。特别是在干旱地区的低渗透性地层中，盐度的变化对地下水流动路径的影响更为显著，这表明在进行地下水系统模拟时，不能仅仅依赖于地形驱动的假设。

研究还指出，尽管参数的不确定性可能会影响局部密度分布的模拟精度，但它们对整体水流格局的影响相对有限。这意味着，即使在某些参数存在偏差的情况下，研究的主要结论仍然具有较高的可信度。这种发现对于实际应用具有重要意义，因为它表明在进行地下水系统模拟时，可以通过优化参数来提高模型的准确性，而不必对所有参数都进行精确的测量。

在研究过程中，团队还对地下水流动的控制机制进行了分析，认为蒸发作用是导致地下水盐度和密度增加的主要原因。这种蒸发作用不仅影响了地下水的物理特性，还改变了其流动路径和速度。在终端排水区，由于等效淡水头的显著升高，地下水的流动路径发生了根本性的变化，这进一步说明了蒸发作用在地下水系统演化中的关键作用。

总体而言，本研究通过结合先进的数值模拟技术和参数反演方法，深入探讨了干旱内陆盆地中地下水流动系统的演化机制。研究结果表明，密度变化对地下水流动的影响不容忽视，特别是在低渗透性地层中，盐度的增加可能成为主导因素。这一发现不仅丰富了地下水流动理论，还为干旱地区的水资源管理和环境保护提供了新的视角和方法。同时，研究中采用的AEFHD方法和变密度耦合模型也为今后类似的研究提供了重要的参考。