加拿大西部Fox Creek流域地表-地下水文动力学的多模型层级研究：从深层含水层到耦合系统的渐进式解析

推荐：针对加拿大阿尔伯塔省Fox Creek地区700 km2流域水文动力学认知不足的问题，研究人员采用FLONET、FEFLOW和CATHY多模型层级方法，揭示了Paskapoo组含水层主导的垂向补给机制（70 mm/y）和落基山脉侧向补给贡献（22.5%），证实低渗透性表层沉积物（SU4单元）对地表饱和格局的关键控制，为油气开采区水资源管理提供科学依据。

　　

在加拿大西部阿尔伯塔省Fox Creek地区，密集的油气开采和伐木活动已持续70余年，该区域曾因水资源短缺在2015年实施过数月用水禁令。这片700 km²的流域位于Paskapoo组含水层北缘——该含水层是加拿大草原三省最重要的地下水供给层，但其复杂的水文动力学机制尚未被充分认知。尤其令人担忧的是，区域内缺乏系统的水文监测数据，而冰川沉积形成的低渗透性表层沉积物（SU4单元覆盖61%面积）与高度非均质的Paskapoo组砂岩通道网络相互作用，使得传统单一模型难以准确预测水资源变化。

加拿大国立科学研究院水、土与环境研究中心（INRS-ETE, Quebec City）的Bárbara Meneses-Vega团队在《Journal of Hydrology》发表研究，创新性地采用FLONET（2D饱和流）、FEFLOW（3D多层含水层）和CATHY（耦合SW-GW）三种模型的层级递进策略，首次系统解析了从千米尺度深层含水层到45米浅层耦合系统的完整水文过程。

研究关键技术包括：基于162口井数据校准稳态模型；利用GRID程序构建变形网格解析复杂地质单元；通过D8-LTD算法提取15米分辨率数字高程模型（DEM）的河网；采用van Genuchten模型描述SU4单元（粉质壤土）的土壤水分特征曲线；设置64 km长的定水头边界（BC）量化落基山脉侧向补给。

2D FLONET模型揭示Paskapoo组上部（100米内）主导96%的地下水流动（K_h=4.9×10^-6–1.8×10^-5 m/s），与下部Scollard组（K=1.1×10^-8 m/s）水力联系微弱。3D FEFLOW模型通过17个渗透性分区再现含水层非均质性，发现西南边界64 km范围的侧向补给占总水量的22.5%。2D CATHY模拟显示SU4单元（K=1.1×10^-7 m/s）使年均补给率降至35 mm/y，且仅在Tony Creek形成地表饱和区。3D耦合模型则捕捉到暴雨事件（180 mm/d）时Hortonian产流峰值达178 mm/d，湿地面积动态变化（8–23%）与实测（11–22%）高度吻合。

这项研究开创性地证实：Paskapoo组上部砂岩通道网络是区域水流主要路径，而低渗透性表层沉积物通过抑制入渗显著影响地表饱和格局。层级建模策略不仅克服了数据稀缺区域的参数化难题，更揭示了完全耦合模型对洪水模拟的必要性——在2010年5月的极端降雨事件中，耦合模型预测的出口流量（634 m³/s）比非耦合模型高25倍。该成果为气候变化背景下油气区水资源脆弱性评估提供了方法论范式，其建立的K值数据库（10^-10–10^-4 m/s范围）将成为阿尔伯塔省水文模型的重要参数基准。未来需整合CATHY-NoahMP生态水文模块以量化植被蒸腾对水循环的影响，这对预测冻土退化区的水文响应尤为重要。