冲积扇系统中地下水对生态补水响应的数值模拟与分析

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Numerical Simulation and Analysis of Groundwater Response to Ecological Water Recharge in an Alluvial Fan System

地下水水位回升与空间异质性研究——基于生态调水与数值模拟的冲积扇含水层修复分析

　　
该研究聚焦于中国北方缺水区域生态调水（EWR）项目的水文响应机制，通过构建高精度三维数值模型，系统解析了冲积扇型含水层系统的恢复规律。研究团队以滹沱河冲积扇为对象，采用地下水模拟软件GMS实现了空间分辨率达30米的网格离散，建立了涵盖自然补给与人工干预的综合模型。研究过程中整合了81个监测井的长期水位数据，重点揭示了生态调水与开采削减协同作用下的含水层修复路径。

研究首先建立了地理水文数据库，覆盖4,544.37平方公里的实验区。该区域呈现典型的冲积扇地貌特征，地下水流向受西北向东南的地势梯度主导，同时存在复杂的地层结构。通过地质雷达探测和钻孔数据验证，确认含水层介质由砂砾石层与黏土层交替构成，这种非均质结构导致传统数值模型存在显著误差。研究发现，粗颗粒介质（如砂砾层）的渗透系数可达860 m/d，远超常规模型假设值，这种特性使得冲积扇成为"高速水力通道"，其水力响应具有显著的空间异质性。

在模型构建方面，研究团队创新性地采用月尺度时间步长（1-2毫米网格精度），突破传统日尺度模型的分辨率限制。这种时间-空间耦合的建模方法能够捕捉到生态调水项目在汛期与非汛期的差异化影响，同时考虑了人类活动与自然过程的动态交互。特别针对冲积扇的地形特征，研究设计了动态边界条件：上游设置指定通量边界（模拟河流补给），下游采用零通量边界（反映排泄区限制），东西两侧结合地形坡度设置虚拟隔水层，这种三维约束条件显著提升了模型的预测精度。

研究结果显示，2018-2022年间通过生态调水项目累计补水26.8亿立方米，实施区域地下水位平均抬升0.77米。值得注意的是，调水影响呈现显著的空间分异特征：在距滹沱河上游5公里范围内，水位年上升速率达1.2米，而下游10公里处仅0.15米。这种差异主要受地层结构控制——上游区域粗颗粒介质占比超过65%，形成高效导水通道；下游则因黏土层覆盖（厚度>8米）形成天然屏障，导致调水效应衰减。研究进一步发现，调水项目对深层含水层的补给效率是浅层的3.2倍，揭示了跨含水层水力联动的特殊机制。

在措施协同效应方面，研究构建了多情景对比模型。通过关闭城市自备井（年减采量0.5亿立方米）、实施20%开采削减率等不同干预组合，量化分析了各措施对水位回升的贡献度。结果显示单一措施难以实现含水层系统整体修复：仅关闭自备井可使水位年回升0.18米，而结合生态调水（年补水量0.38亿立方米）和开采削减（年减采量0.3亿立方米）时，水位年回升幅度提升至0.62米。特别值得注意的是，调水项目在实施第三年后才显现显著效果，这为长期生态修复提供了重要启示。

研究创新性地提出"水力响应梯度"概念，量化描述了不同水文地质单元对调水的响应差异。通过建立水力传导系数与介质孔隙度的动态关联模型，发现当含水层介质中粗颗粒占比超过40%时，单位调水量产生的水位回升效应提升至常规值的2.3倍。这一发现为冲积扇型含水层的分区补给策略提供了理论依据，建议在粗颗粒介质集中区域（如扇顶）优先实施集中式调水，而在细颗粒介质区域（如扇缘）辅以人工增渗措施。

在水质改善方面，研究揭示了调水工程与开采管控的协同净化效应。2018-2022年间，研究区地下水总溶解固体量（TDS）下降16%，其中硫酸盐和氯离子浓度分别降低12%-18%。这种水质提升不仅源于调水量增加带来的水力稀释，更与开采井位的迁移密切相关。研究数据显示，关闭近河井（距离河道<500米）可使下游地下水矿化度降低24%，而调水工程本身通过改变水流方向，使污染物迁移距离缩短至传统模型的1/3。

针对冲积扇含水层特有的"水力加速"现象，研究团队通过建立介质渗透率空间分布模型，揭示了其内在机制。模拟显示，在扇顶区域（年均径流量>5亿立方米），调水后水流速度较自然状态提升1.8-2.5倍，这种加速效应源自粗颗粒介质（粒径>2mm占比达72%）的高渗透特性。而扇缘区域（介质粒径中值<0.5mm），水力响应速度仅为扇顶的17%-23%，证实了介质特性对调水效果的关键控制作用。

研究还发现深层含水层的"滞后响应"现象，调水实施后深层水位回升较浅层延迟6-8个月。通过建立多层含水系统的水力传导矩阵，揭示深层响应延迟主要源于粗细颗粒介质的级联过滤效应——表层粗颗粒介质快速截留调水量，而深层细颗粒介质形成"时间缓冲器"，导致污染物和补给水的迁移呈现不同步特性。这种发现为分层含水系统的联合调控提供了理论支撑。

在生态效应方面，研究证实调水工程通过改变水力场间接促进植被恢复。模拟显示，水位抬升0.5米可使扇缘区域植被覆盖度提高18%-22%，这与根系吸水深度与水位波动幅度的正相关关系吻合。研究团队创新性地将植被指数（NDVI）与地下水位动态关联，建立了生态恢复的阈值模型：当水位年回升速率超过0.1米时，植被恢复速率提升至年2.3%。

该研究提出的"三位一体"修复框架（空间分层调控、时间动态补偿、措施协同增效）已在滹沱河试点取得显著成效。通过实施"上游集中式调水+中游导流增渗+下游水位标高"的梯度策略，五年间实现了扇区地下水位区域性抬升，成功遏制了年均0.35米的持续下降趋势。研究建立的模型已应用于京津冀平原其他7个冲积扇区的修复规划，其中在紫荆关冲积扇区应用后，水位回升速率提升至0.21米/年，较传统方法提高40%。

该成果的实践价值体现在两方面：首先，通过介质渗透率的空间分布模型，指导了调水工程设施选址，使重点补给区的水力效率提升至92%；其次，建立的"措施贡献度热力图"揭示了当前修复策略的优化空间，例如在扇缘区域增加人工导渗工程可使调水效益提升25%。研究团队正在将模型拓展至南水北调中线工程沿线冲积扇系统，以验证其普适性。

研究局限性主要体现在对微生物介导的水质净化过程的量化不足，以及跨含水层系统长期演变的动态模拟有待完善。未来工作将整合地球化学监测数据，建立多介质耦合模型，重点关注溶解氧浓度变化与微生物群落演替的反馈机制。此外，研究建议在类似冲积扇含水层区推广"调水-截污-修复"三位一体模式，特别是在流域上游建设生态缓冲带，可有效减少面源污染对调水效果的干扰。

该研究为北方平原地下水系统修复提供了可复制的技术路径，其建立的"介质特性-水力响应-生态效应"耦合模型已获得国家水科学委员会的技术认证。实践数据显示，在相同地质条件下，应用该模型指导的调水工程较传统方法节水效率提高18%-22%，水质改善周期缩短30%-40%。研究成果已纳入《华北平原地下水可持续管理技术导则》（2025版），并作为典型案例在联合国水可持续管理大会上进行专题汇报。