基于逆向地下水模型解析饮用水源地弱透水层非均质性的多尺度表征方法及其水文地质意义

本研究针对弱透水层(aquitard)参数难以通过传统抽水试验获取的难题，开发了基于饮用水井场数据的逆向建模工作流。通过荷兰Budel地区的案例，构建层状地下水模型(MODFLOW 6)，结合蒙特卡洛模拟生成37,800组弱透水层非均质参数组合，筛选出最优地质统计学参数（水平相关长度Lx =1000m，垂直相关长度Lz =7.5m）。研究发现非均质性使污染物突破时间缩短50%，同时通过弱透水层的水量减少30%，为饮用水安全风险评估提供了新范式。

　　

在全球饮用水安全保障体系中，弱透水层(aquitard)作为分隔含水层的关键地质单元，其非均质性直接影响污染物迁移路径和地下水开采安全。然而，传统方法面临三大困境：实验室测得的水力传导系数(K)比现场数据低2-3个数量级；抽水试验解析解假设层状均质，无法反映实际空间变异；观测井通常仅布设在开采层，导致弱透水层参数存在"双重泄漏"不确定性。荷兰乌得勒支大学Martijn van Leer团队在《Environmental Modelling 》发表的研究，开创性地利用饮用水井场常规监测数据，实现了弱透水层非均质参数的反演。

研究采用四步工作流：首先构建Budel井场6.4km×6.4km非结构化网格的MODFLOW 6模型，通过Nelder-Mead算法校准均质参数；随后基于钻孔岩性数据建立双峰K值分布（砂砾石10^-4
m/s vs 黏土10^-8
m/s），采用序贯指示模拟生成三维非均质场；接着通过局部流动模型将25m分辨率参数升尺度至区域模型；最终用改进的Kling-Gupta效率指标(KGE)筛选最优参数组合。

研究结果部分：

1. 模型校准：参考模型校准后弱透水层KIk2的K值提升6倍，RMSE降至0.12m。瞬态模拟成功捕获了开采引起的日尺度水头波动，但背景动态响应仍存在偏差。

2. 参数优化：从37,800组参数组合中筛选出2253组优化解，迭代修剪确定核心参数：L_x
   =1000m、L_z
   =7.5m时效果最佳。水平相关长度与黏土含量呈负相关(r=-0.68)，揭示长程连通性会降低低渗透区域占比。

3. 水力阻力场：升尺度后25m网格的阻力值比800m网格高1个数量级，证实"尺度效应"在弱透水层中的显著性。最优参数集的平均阻力场显示，井场周边存在明显的低阻通道。

4. 粒子追踪：与非均质模型相比，均质模型高估了通过弱透水层的水量达35%，但低估了最快突破时间50%。这种"双刃剑"效应意味着传统风险评估可能同时高估防护能力而低估突发污染风险。

该研究的突破性在于将饮用水井场转化为天然"大型渗透仪"，其创新点有三：首次证实常规开采数据可反演弱透水层地质统计参数；建立升尺度过程中K值的非线性转换关系；揭示非均质性会同步减少越流总量但加速局部污染物迁移。这些发现对修订饮用水源地保护区的划界标准具有直接指导价值，建议在风险敏感区域补充年龄示踪数据以约束参数不确定性。未来可结合分布式温度传感(DTS)等技术，进一步优化非均质通道的定位精度。