评估山区地下水过程中的构造地质控制因素：来自三维数值模拟的见解

《Water Resources Research》：Assessing Structural Geological Controls on Groundwater Processes in Mountain Settings: Insights From Three-Dimensional Numerical Modeling

山脉通过将heavy precipitation传输到低地含水层在hydrological cycle中起关键作用，但其复杂性限制了地下水流动的理解。本研究通过半理想化的三维数值模型（MODFLOW 6和MODPATH 7），系统评估了断层的水力传导性、位置、走向和长度对山地区地下水流动的影响。结果显示：1）断层的水力传导性差异显著影响水力分割，当断层渗透性高于周围岩石时，可导致地下水流动路径集中（ conduit型断层使seepage area减少20%）；当断层渗透性低于周围岩石时，形成局部屏障效应（barrier型断层使seepage area变化趋近于零）。2）区域尺度的导水断层（如 strike-parallel到orogen）能促进山块补给（MBR）和跨流域地下水流动（IGF），其影响类似于系统整体透水性的变化。3）次级断层（local-scale）在特定位置（如出口、分水岭附近）和走向（如east-west或NWSE）下，其影响可接近甚至超过区域尺度的断层。4）断层位置与地形特征（如ridge line、catchment outlet）的相对关系决定了其对seepage area、flow path length和residence time的调控机制。研究证实，断层的水力传导性差异（K fault/K rock）是影响地下水流动的关键参数，而断层的空间分布和几何形态决定了其作用的尺度效应。

　　山脉在水文循环中扮演着至关重要的角色，它们通过将大量降水转移至低地含水层，为下游地区提供水源。然而，由于其复杂性和偏远性，我们对地下水流动的理解仍然受到限制，尤其是在断层对地下水流动的影响方面。为了解决这一问题，研究者们开发了半理想化的三维数值模型，利用山地河流网络和低地水力梯度进行校准。这些模型帮助探索了断层对地下水流动的影响，包括断层的水力传导率、位置、方向和长度的变化。研究评估了多种指标，如流量分配、渗漏区域、流动路径长度和滞留时间，从而更全面地理解断层在区域和局部尺度上的作用。

在这些研究中，发现断层与周围岩石的水力传导率对比对流量分配的影响，与整个系统的传导率一样重要。区域性导水断层与山脉走向平行，可以显著促进山体补给，这种效果与厚层系统相似，反之亦然。局部断层在穿越流域出口时，其影响可以与区域性断层相媲美，强调了局部异质性在区域流动中的重要性。跨流域流动主要受岩性与地形的影响，并且会受到断层相对于主要地形特征位置的调节。断层可以在特征性模式下影响渗漏区域，其有效作用范围可达数公里。导水断层通过降低水位，系统性地减少渗漏区域，而阻水断层则会减少其下游的渗漏区域，同时增加上游的渗漏区域，但不会影响整体渗漏面积的范围。研究还发现，流动路径长度和滞留时间的分布是不相关的，这突显了数值建模在地下水年龄测定中的重要性。

为了更系统地评估断层对山地流域局部至区域过程的影响，特别是山体补给、跨流域流动、渗漏区域和基流的形成，研究采用三维数值地下水流动模型，对断层的性质进行模拟。这些模型利用了MODFLOW 6，通过Python接口FLOPY进行处理。模型设定为稳态，处于饱和和非承压条件，水平离散化和模型顶部与航天雷达地形任务（SRTM）的分辨率一致，约为90米。模型厚度保持不变，以避免因传导率变化而使结果难以解释。模型被划分为10层，每层厚度相同，以模拟地形特征。

模型中使用了2,031,500个网格单元，其中1,285,670个为活跃单元。模型区域覆盖约950平方公里，包括一个较大的缓冲区，以避免设定任意边界条件。模型边界采用无流边界条件，对应于主要地形低点，这些低点被假设为地下水分水岭。在西北部的沉积低地，边界条件被设定为恒定水头，作为流域的自然出口，水头被设定在最低地形点下方40米。

潜在的补给率被设定为100毫米/年，这是基于Marti等人的研究。为了简化模型并因为这一参数在偏远地区难以估计，采用了一个单一值。通过使用MODFLOW的排水包，模型能够更真实地反映浅层地下水动态，允许水在水位低于地形时以潜在补给率渗入，或在水位与地形相交时形成渗漏区域，从而导致补给率降低或自由地在地表排出。排水传导率被设定为等于含水层传导率除以排水面积，再除以厚度（即网格宽度除以网格长度，再除以层厚度的一半）。

溶质输运通过粒子追踪进行模拟，使用MODPATH 7。粒子被注入到流域的水位处，并向前时间运输，从每个补给单元到排水区域（低地恒定水头边界或地表渗漏区域）。在研究流域导入的地下水时，粒子被向后时间运输，从每个渗漏单元到补给区域。每个单元随机注入五个粒子，总计约82,000个粒子用于每个模拟。为了确定滞留时间分布，粒子的滞留时间被进一步加权于局部流动，即地表单元的补给流。通过验证运输指标（如一阶和二阶矩）与粒子数量的收敛性，确保了模拟结果的可靠性。孔隙度被设定为0.05，这是火山岩的常见平均值。

研究中采用了三种不同的地质模型框架：一种是无断层的参考模型，另一种是包含局部尺度次级断层的断层模型，第三种是包含区域尺度主断层的断层模型。参考模型采用双域方法，将低地区域的水力传导率校准为约0.5%的水力梯度。通过双极探索水力传导率与补给率的比率（K/R），确定了每种模型的传导率值。次级断层被设定为4公里长，大约是主断层长度的三分之一，并被随意定位，覆盖了与地形驱动流动相互作用的大型、中型和小型情况。

研究结果表明，断层对地下水流动和地表水相互作用的影响显著。在次级断层模型中，补给流的分配显示，大多数情况下，地表补给（sMFR）占主导地位，占补给的92%，而跨流域流出（IGF Out）和山体补给（MBR）分别占约2%和6%。模型厚度对流动分配的影响较小，即使在1,000米厚的模型中，山体补给的贡献通常不超过10%。然而，导水次级断层位于流域出口且方向为东西或西北-东南时，其对山体补给的贡献显著增加，甚至可达20%。这表明，断层在特定条件下可以显著改变地下水流动路径，减少流域出口的基流。

通过分析不同断层配置下的渗漏面积变化（ΔSA），研究进一步揭示了断层对地下水-地表水相互作用的影响。在阻水断层（K/R = 10??）的情况下，ΔSA始终与参考模型相似，无论模型厚度、断层位置或方向如何。尽管阻水断层在断层上游增加了渗漏面积，但其下游的减少部分抵消了这一影响，导致总体渗漏面积无显著变化。相比之下，导水断层（K/R = 10?）通常显示出比参考模型更小的渗漏面积，占参考模型的5%至20%。在某些上游位置，渗漏面积会增加，这是因为导水断层促进了跨子流域的地下水流动。

此外，研究还探讨了主断层对地下水流动的影响。主断层的长度超过流域，其水力传导率对地下水流动的影响同样显著。研究中，主断层的水力传导率从阻水型（10??）到导水型（10?）进行了一系列测试，每次模拟的传导率比率增加一个数量级。研究发现，主断层对渗漏面积的影响范围更广，可达6公里，而次级断层的影响范围约为4公里。断层长度对ΔSA的影响非比例，但不可忽视。在阻水主断层的情况下，几乎整个研究区域的渗漏面积都低于参考模型，除了北侧主断层的末端。而在导水主断层的情况下，渗漏面积减少更为显著，特别是在低海拔地区。

研究还揭示了地下水流动系统和滞留时间分布的复杂性。流动路径长度与滞留时间分布之间没有直接关联，这突显了数值建模在地下水年龄测定中的重要性。通过模拟，研究发现，不同传导率的断层对地下水流动路径和滞留时间的影响存在显著差异。导水断层可能导致地下水流动路径更长，但滞留时间分布相对稳定，而阻水断层则可能导致滞留时间增加，同时流动路径长度减少。这种非线性关系强调了在复杂地质条件下，单一参数可能无法准确描述地下水流动系统的整体行为。

研究还强调了校准过程对结果的重要性。通过将模型校准到观测的河流网络，研究能够更准确地模拟地下水流动系统。较高的K/R比率可能导致不饱和系统，而较低的K/R比率可能导致过饱和系统，这些都可能与实际的地表-地下相互作用不符。因此，研究采用的校准方法确保了模型的合理性，并帮助识别了断层对地下水流动的非线性影响。研究发现，断层的传导率对比对补给分配和地下水-地表水相互作用的影响，与整个系统的传导率一样重要。这表明，在考虑地下水流动时，不能忽视断层与周围介质之间的传导率差异。

在研究过程中，研究者们还探讨了不同地质条件下断层对地下水流动的多尺度影响。研究结果表明，断层的导水性不仅影响局部补给，还可能对区域性的地下水流动产生重要影响。此外，研究还发现，断层可以导致复杂的双向跨流域流动，这在传统的水文研究中往往被忽视。这种双向流动的发现，为地下水年龄测定和地表水化学分析提供了新的视角。

研究的局限性在于假设模型处于稳态，并简化了补给的表示方式。未来的研究可以进一步探索非稳态条件下的地下水流动和输运过程，以及断层的各向异性对地下水流动的影响。此外，研究还建议，结合地表基流剖面与数值建模，可以更有效地识别地下水渗漏沿水道的分布，并区分地质控制和地形控制。通过使用空间分辨度高的方法，如地质、地球物理和水文地质实地勘探，可以更准确地推断断层与水文地质特征之间的关系。这些方法对于理解断层在水文循环中的作用至关重要，尤其是在地质条件复杂或数据稀缺的地区。