将三维地质模型与地下水流动模型相结合，以改善在高强度开采条件下复杂多层含水层的管理。以西班牙南部的Loma de úbeda地区为例

《Journal of Hydrology》：Integration of 3d geological models and groundwater flow models for the improvement of the management of complex multilayer aquifers under intensive exploitation. The case of the Loma de úbeda (Southern Spain)

地下水资源可持续管理：基于三维地质模型和MODFLOW的叠置含水层系统模拟研究

　　本研究旨在通过对Loma de úbeda地区的地下水系统进行综合分析，揭示其复杂的水文地质功能，并为该地区的地下水管理提供有效的工具。该地区位于西班牙安达卢西亚，是全球重要的橄榄油生产区域之一，其地下水的大量开采主要用于橄榄园的灌溉。由于该地区地质结构复杂，地下水开采活动对水资源造成了显著影响，尤其是在侏罗纪碳酸盐含水层中，部分区域因过度抽取而出现干涸现象。研究团队通过整合地质、地球物理、水文地质和水化学数据，构建了三维地质模型，并进一步开发了数值地下水流动模型，以验证水文地质功能概念模型并评估地下水的可持续利用潜力。

### 地质背景与水文地质特征

Loma de úbeda地区的地下水系统由三个重叠的含水层组成：白垩纪碳酸盐层、三叠纪黏土层和三叠纪砂岩层。这些含水层之间存在复杂的水力联系，部分区域由于低渗透性的隔水层而相互隔离。研究区域总面积约为1100平方公里，其地质构造受到新构造运动的影响，形成了多个断层和褶皱，这些地质特征对地下水的流动路径和储存条件产生了重要影响。此外，该地区的三叠纪砂岩层和侏罗纪碳酸盐层在地表和地下均存在显著的分布差异，这进一步增加了地下水管理的复杂性。

研究团队通过现场调查、地质测绘和地球物理勘探（如地震反射剖面和垂直电测深）收集了大量数据，用于构建三维地质模型。该模型不仅反映了各含水层的几何形态，还考虑了断层和褶皱对地下水流动的影响。模型结果显示，三叠纪砂岩层在北部地区主要受到地下水的补给，而侏罗纪碳酸盐层则在南部和东部受到河流的影响，成为地下水的主要排泄区域。此外，三叠纪黏土层作为隔水层，对地下水的垂直流动起到关键的控制作用，它不仅限制了侏罗纪含水层的下部渗透，还对整个系统的水力联系产生了显著影响。

### 研究方法与模型构建

本研究采用多学科方法，结合地质、地球物理和水文地质数据，构建了一个综合的水文地质模型。首先，研究团队利用MODFLOW-2005软件建立了数值地下水流动模型，该模型基于三维地质模型的几何特征，包括含水层的分布、断层的结构以及地下水的补给与排泄条件。在模型构建过程中，研究者特别关注了含水层之间的相互作用，包括垂直流动和水平流动，这些流动模式在不同季节和年份表现出显著的变化。

为了提高模型的准确性，研究团队采用了一种“综合敏感性分析”方法，评估了不同参数对模型输出的影响。该分析表明，特定存储（specific storage, Ss）和总存储（specific yield, Sy）对水位变化的影响远大于渗透系数（hydraulic conductivity, Kx、Ky、Kz）。此外，垂直渗透系数（Kz）在模型中显示出更大的敏感性，这与该系统中垂直水流的显著变化有关。通过这一分析，研究团队能够识别出对地下水流动模式影响最大的关键参数，并据此优化模型的参数设置，提高其对实际地下水流动情况的模拟精度。

### 模型结果与讨论

数值地下水流动模型的结果显示，Loma de úbeda地区的地下水系统经历了多个气候周期，这些周期对地下水的补给和排泄产生了显著影响。研究团队发现，从2000年到2021年，该地区的年均补给量呈现出下降趋势，特别是在干旱周期期间，补给量减少幅度更大。与此同时，地下水开采量也表现出类似的变化趋势，特别是在干旱年份，开采量显著增加，以弥补降水减少带来的影响。然而，这种开采活动对地下水系统造成了严重的压力，导致部分含水层的干涸现象，特别是在侏罗纪碳酸盐层的北部地区。

研究团队通过模型模拟发现，随着地下水开采的增加，含水层之间的水力联系发生了显著变化。例如，在侏罗纪碳酸盐层的北部地区，由于开采活动的加剧，地下水开始从上部的侏罗纪含水层向下渗透到三叠纪砂岩层，这种垂直补给模式在模型中得到了充分的体现。此外，模型还揭示了断层在地下水流动中的重要作用，特别是在侏罗纪和三叠纪含水层之间的连接区域，断层的存在使得地下水能够以更高的流速流动，并在某些区域形成地下水的混合现象。这些混合现象通过水化学和同位素分析得到了验证，表明不同含水层之间的水力联系在时间上具有一定的动态性。

模型的模拟结果还表明，地下水流动模式在不同气候周期中表现出显著的差异。在湿润周期期间，地下水主要通过地表的渗透补给，并沿水平方向流动，而在干旱周期期间，地下水流动则主要依赖于深层含水层的补给。这种流动模式的变化不仅影响了地下水的储存和补给，还对地下水的水质产生了重要影响。例如，在干旱期间，由于深层含水层的开采，地下水的盐度和温度均有所上升，这在一定程度上影响了其对橄榄园灌溉的适用性。

### 研究意义与应用前景

本研究的结果对于该地区的地下水管理具有重要的指导意义。通过构建三维地质模型和数值地下水流动模型，研究团队不仅能够准确模拟地下水的流动路径和补给模式，还能够评估不同管理策略对地下水可持续利用的影响。例如，模型显示，如果能够减少对侏罗纪含水层的过度开采，并增加对三叠纪含水层的利用，那么地下水的可持续性将得到显著改善。此外，研究还发现，地下水开采的季节性变化与橄榄园的灌溉需求密切相关，这表明在制定地下水管理政策时，需要充分考虑气候周期的影响。

研究团队还强调了跨学科合作在地下水研究中的重要性。由于地下水系统的复杂性，单一学科的研究往往难以全面揭示其水文地质功能。因此，整合地质学、地球物理学和水文地质学的数据，能够更准确地模拟地下水的流动和补给过程。这种跨学科的方法不仅提高了模型的可靠性，还为未来的地下水管理提供了更加科学的依据。

### 结论

Loma de úbeda地区的地下水系统具有高度的复杂性，其水文地质功能受到地质结构、气候条件和人类活动的共同影响。研究团队通过构建三维地质模型和数值地下水流动模型，成功揭示了不同含水层之间的水力联系及其对地下水流动模式的影响。此外，研究还表明，该地区的地下水开采活动已经导致部分含水层的干涸，特别是在侏罗纪碳酸盐层的北部地区，这种现象需要引起高度重视。

为了实现地下水的可持续利用，研究团队建议采取更加精细化的管理措施，包括优化灌溉用水、减少对深层含水层的过度开采以及加强地下水监测。同时，研究还指出，由于该地区的地下水系统受到断层和构造活动的显著影响，未来的地下水管理应充分考虑这些地质因素，以确保地下水的合理利用和环境保护。通过本研究，研究团队为该地区的地下水管理提供了科学依据，并为其他类似地区的地下水研究提供了可借鉴的方法。