陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究, 取得了丰硕的学术研究成果。对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献进行了系统的总结评述, 主要包括3个方面: ①开展了地下水动力学的理论创新研究, 纠正了历史上"影响半径稳定井流"模型的错误, 提出了一系列特殊水文地质问题的解析模型, 改进和拓展了经典井流模型; ②持续探索水文地质模拟方法, 研究形成了一系列提高地下水模拟仿真水平的技术方法, 包括滨海区地下水的等效排泄边界、渗流-管流耦合模型、岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型、地下水开采-地面沉降模型等, 研发了独具优势的地下水流模拟软件PGMS; ③提出地下水可持续开采量评价的补排增量理论, 完成我国多个典型区域的地下水模拟, 为科学评价地下水资源起到示范作用。陈崇希教授的创新研究对我国水文地质学的发展起到了重要的推动作用。

作为圆岛状均质含水层稳定井流模型, 经典的Dupuit井流模型既没有考虑普遍存在的降水入渗补给, 也不适用于层状非均质含水层系统, 有必要加以完善。在考虑降水入渗补给改进Dupuit井流模型的基础上, 进一步将其拓展到层状非均质潜水含水层。引入Гиринский(吉林斯基)势函数, 根据水均衡原理建立极坐标下的地下水流微分方程, 再依边界条件解析得到了相应的流量方程、水位方程和分水岭公式。以双层结构为例, 观察30组不同参数条件的典型水位曲线组, 发现不同渗透系数的水位曲线交于一点的特殊现象并从理论上给出了证明。解析模型仍引入Dupuit假定, 且没有考虑抽水井的井壁"水跃"现象, 为判断这些条件对解析公式适用能力的影响, 建立轴对称剖面二维流数值模型并做了对比研究。除抽水井附近外, 水位解析方程产生的相对误差一般低于4%, 在最偏离Dupuit假定的分水岭处, 距离和水位的解析误差均小于0.1%。Dupuit假定并没有严重影响解析模型的适用性。

经典Dupuit井流模型与考虑入渗的改进Dupuit井流模型, 都受到Dupuit假定的影响, 可能存在系统误差。建立反映三维流或轴对称二维流特性的潜水井流数值模型, 是检验Dupuit模型可靠性的重要手段。提出一种模拟潜水稳定井流的剖面二维数值模拟方法, 通过参数转换把柱坐标系的渗流方程变换为等效的直角坐标系方程, 利用MODFLOW方体网格有限差分模型实现剖面二维流场模拟。数值模型以抽水井的井中水位为已知条件, 渗出面的排水量按照Darcy定律差分公式计算, 潜水面则通过MODFLOW对干-湿单元的处理加以识别, 抽水流量经水均衡计算得到。通过采用精细化网格建立典型案例模型, 获得模拟精度很高的结果, 使反算抽水井流量的相对误差不超过0.2%。以此检验Dupuit井流模型, 发现解析公式得到的水位线总体与数值模拟结果一致, 仅在抽水井附近由于没有考虑水跃而偏低, 且误差受到含水层渗透系数各向异性的影响。在有入渗的情况下, 分水岭附近的渗流违反Dupuit假定。然而, 改进的Dupuit井流公式计算的分水岭水位相对误差低于1%。这一数值模拟方法简单实用, 但也受到MODFLOW本身局限性的约束。

监测自然衰减(MNA)是一种应用较广的经济有效的土壤和地下水污染修复技术, 而非水相液体(NAPL)在非均质地层中的运移过程是自然衰减效果评估的重要内容。为了准确刻画多相流体在土壤及地下水中的生物降解过程, 以我国北方某典型苯酚污染场地为例, 基于连续三年的地下水质动态监测数据, 利用多相流数值模拟软件TOUGH3/TMVOCBio构建了考虑Monod生物降解过程的苯酚运移的多相流数值模型。模型再现了现状条件下多相态苯酚的空间分布和时间变化过程, 分析了吸附和Monod生物降解参数的敏感性。最后, 讨论了吸附和微生物降解参数不确定条件下, 溶解、挥发、吸附和生物降解作用去除苯酚贡献率, 对污染源处置的2种情景进行了模拟预测。研究发现, 苯酚呈现间歇性泄漏, 在地下介质中以吸附相为主, 其次为液相和气相, 最少为自由相。在参数不确定性影响下, 生物降解作用为17.91%~58.02%, 并且降水条件会影响苯酚浓度的季节性变化。在未来20年内, 在苯酚污染源完全去除和保持现状泄漏条件时, 第20年末苯酚总质量去除率分别达到98%和80%以上。识别了多相流模型中敏感性较高的生物降解参数, 为石化场地有机物生物降解过程数值模拟提供参考, 同时可为我国MNA技术的应用提供理论依据。

断裂带作为具有重要水文地质意义的构造现象, 往往对地下水运移产生显著影响。考虑断裂带的水文地质作用对于水资源管理和评价具有重要意义。围绕断裂带渗透性, 从断裂带渗透性结构及调查方法, 断裂带水力特性定量表征, 断裂带水力特性的动态演变特征, 断裂带地下水流模拟等方面展开论述。断裂带的渗透性是当前断裂带研究的核心, 不同的渗透性刻画方法具有不同的代表性尺度。断裂带渗透性具有复杂的时空分布特征, 对刻画断裂带的地下水运移造成较大挑战。针对不同目的, 选择合适的数值模拟方法是定量刻画断裂带地下水运移的重要途径, 也可以对其他方法进行有效的验证。如何在模拟过程中考虑断裂带水力特性在时空尺度上的复杂性是准确刻画断裂带地下水流动的前提。笔者认为建立专门的断裂带水文地质观测基地, 综合地质、水文地质、热流、地球物理及遥感数据资料, 加强多学科的交叉合作, 是进一步提升断裂带地下水研究水平的关键。

裂隙水表现为强烈的非均匀性和各向异性, 而离散裂隙网络模拟方法是目前国际上公认描述裂隙水流动规律最为合理、有效的方法之一。以我国高放废物地质处置地下实验室花岗岩场址为研究对象, 借助高性能数值计算服务器集群及并行程序, 提出了场址岩体离散裂隙网络渗流并行模拟方法。结果表明, 该方法可实现千万级别模型网络单元离散裂隙网络渗流精细化模拟, 提升了程序处理复杂问题的计算效率及能力; 建立了离散裂隙网络模型结构优化与实际情景条件下边界参数赋值方法, 保障了场址水文地质评价过程中不同尺度模型水位信息的有效传递; 模拟区域地下水位沿着裂隙呈网状结构分布, 呈现从南向北流动的趋势, 连通裂隙间的水位呈现从高到低的连续变化, 非连通裂隙的水位是非连续的; 地下水是沿着导水裂隙流动, 裂隙网络的连通性及渗透性对地下水流动特性影响明显。离散裂隙网络渗流并行数值模拟可以更为精细反映裂隙地下水动力场特征, 进一步提升裂隙介质渗流模拟预测能力, 这对深化裂隙水流动规律的认识具有重要意义。

抽水试验是确定含水层水文地质参数和评价地下水资源的重要手段。对于单井抽水试验分析, 现有井流模型假定抽水井的直径不随深度变化、含水层为单一的潜水或承压含水层, 未考虑抽水井变径及穿越多个含水层的情况。建立多含水层异径抽水的稳定态混合井流模型, 假设地下水仅发生水平流动, 推导出了抽水井涌水量与降深关系的理论解析公式, 探讨根据变径抽水井的单井稳定流抽水试验获取含水层参数的方法, 提出了承压含水层段抽水井等效半径精确解和替代半径计算公式。把混合井流模型用于分析淄河源区的傍河抽水试验, 根据3个流量的阶梯式抽水试验数据确定了涌水量Q_w与降深s_w的抛物线型关系, 预测允许降深s_w为25 m时抽水井涌水量为4 093.8 m³/d, 反算得到潜水含水层渗透系数为1.88 m/d, 用替代半径计算的承压含水层渗透系数约为0.43 m/d, 相对误差小于5%。混合井模型为多含水层抽水井的涌水量预报提供了理论依据, 其适用性也受到假设条件的限制。在完整河情景下忽略三维流将导致反求的渗透系数偏大, 在非完整河情景下解析解反求的渗透系数则偏小。

由于水文地质条件的复杂性和建模工作投入的有限性, 地下水数值模型往往存在不确定性。近50年来, 随机方法是其不确定性分析的主要方法之一。区间不确定性与随机不确定性不同, 是将水文地质参数等看做区间(范围), 而不再考虑其随机特征。从区间不确定性角度出发, 以非稳定二维承压水流为例, 提出了在已知水文地质参数等为区间的情况下, 基于一阶摄动展开的地下水均衡项区间的数值模拟方法。基于地下水流和污染物迁移三维数值模拟程序GFModel实现了这种方法。算例分析表明, 本研究方法当参数变化率在0.1以内的时候, 偏差相对误差整体上可以控制在10%以内, 该方法的计算效率明显高于等间距连续采样法。该方法的结果中不包含随机统计信息, 但在已知水文地质参数等为区间的情况下, 计算出水均衡项的区间, 将能在地下水资源的利用和保护决策中提供一定的理论依据。

地热资源是一种宝贵的清洁能源, 恩施盆地蕴含丰富的地热资源, 探明地热形成机理具有重要意义。从地热水化学特征和同位素特征入手, 结合恩施盆地水文、地热地质条件, 采用Piper三线图法、主要离子相关分析法等探讨分析了恩施盆地地下热水地球化学特征及其主要离子补给来源; 选取适宜的二氧化硅温标法解决了热储温度难以准确测量的问题; 利用氢氧同位素测试技术, 示踪判定了地下热水的补给来源、循环深度及补给高程。研究结果显示: 恩施盆地地下热水的水化学类型主要为SO₄·Cl-Na型水, 水中离子以SO₄^2-, Cl^-, Na⁺为主, 地下热水中TDS与Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-有极好的正相关性, 而地下热水中TDS远高于冷泉, 分析认为是由于地下热水在演化过程中埋藏深度大、径流途径长、溶解—溶滤作用强烈, 更容易从围岩中萃取相关离子, 从而导致离子浓度远高于地表水; 研究区内地下热水主要接受大气降水补给; 地下热水¹⁴C, ³⁴S同位素特征均表明盆地边缘到盆地中心地下热水储存环境逐渐封闭, 地下热水滞留时间逐渐变长, 水-岩反应程度逐渐变强; 水-岩平衡判定结果表明, 热水中SiO₂的浓度受石英的溶解平衡控制, 利用SiO₂地热温标估算热储温度为55.74~58.24℃, 热储埋深为1 793~1 906 m, 热水循环深度为1 823~1 936 m; 根据大气降水δ¹⁸O的高程效应估算地下热水的补给高程为1 022.64~1 109.00 m, 依据研究区高程范围确定地下热水补给区主要为盆地西侧寒武系-奥陶系碳酸盐岩低中山区。

高寒地区是世界众多大型河流的源区，了解区内河水与地下水的相互作用对流域水资源科学管理具有重要意义。因广泛发育多年冻土，高寒地区河床底部局部融区的形成和动态变化控制着河水与地下水的转换，导致两者间水力关系的复杂性和特殊性。受观测条件限制，目前高寒地区河水与地下水相互作用的研究极少，少量已有研究也多采用同位素和水化学示踪方法，成本高且精度低。采用观测成本更低但精度与密度更高的温度信号作为示踪剂，以量化河水和地下水之间的交换；利用垂向一维瞬态热运移解析模型，定量计算不同深度处河水与地下水的交换流速；利用分布式测温光纤系统的观测结果，分析河水与地下水相互作用的时空动态变化特征。研究结果表明：高寒地区河水与地下水的交换存在强烈的时空差异, 季节与气候的转换对河水与地下水的交换量起着控制作用，甚至能够改变河水与地下水的交换方向，河水与地下水的交换量随着冻土活动层加深而增加。温度示踪方法适用于高寒冻土区河水与地下水相互作用研究，2种温度示踪方法的联合使用可有效提高研究精度与准确性，为缺乏基础水文地质数据的高寒地区提供一种可行的研究思路。

在区域尺度上，地下水流的路径存在跨越地表分水岭的可能性，从而形成跨流域地下水循环，影响流域之间的水文关系和溶质输送过程。跨流域地下水循环的研究在国际上尚处于起步阶段，方兴未艾，目前已经取得的进展是一个值得关注的问题。对近20年来国内外跨流域地下水循环的研究文献进行了系统的跟踪分析，从形成机理、识别方法和影响评估3个角度总结现有的研究进展。在水动力学形成机理方面，已经从理论上确定了地表分水岭、潜水面最高点和地下水流系统分水点之间的偏离特征，为划分河流之间的多种跨流域地下水循环路径提供了依据。在跨流域地下水循环的识别方面，一系列实际流域的案例提供了可以借鉴的方法，包括水均衡法、流域水文模型和水文地球化学端元混合模型等，证实了跨流域地下水循环的存在性，甚至评估出其循环通量，深化了流域水量平衡关系的认识。研究表明流域地理位置、形态尺寸、气候背景和地质构造等条件都会影响跨流域地下水循环的发生及通量。在影响评价方面，初步发现跨流域地下水循环对水文要素的气候敏感性、Budyko模式状态参数及碳源碳汇形成有重要影响，忽略其作用可能产生错误的认识。目前，科学界对跨流域地下水循环的动力学过程及其物质输送效应的研究还相对薄弱，缺乏准确的定量评估方法，未来的研究重点是揭示三维含水层空间的跨流域地下水循环路径，准确评估跨流域地下水循环的各种影响。

包气带井回灌是人工补给含水层的重要方法。在回灌过程中，非饱和带水力参数的准确描述对于提高评价精度、增强回灌管理具有重要意义。目前已有的许多包气带井回灌的解析模型是基于Gardner土壤水分特征曲线模型(含二参数)建立的，随着三参数模型(MB模型)和四参数模型(MN模型)的提出，一个值得关注的问题是使用更加灵活的土壤水分特征曲线模型是否能提高回灌系统中非饱和-饱和流的模拟精度。本研究采用MN模型(Gardner模型和MB模型为其子集)建立了包气带井回灌模型，使用COMSOL Multiphysics对模型进行求解，所得解用于研究在回灌过程中非饱和带水力参数和地表通量对非饱和-饱和流的影响，并比较在回灌过程中基于不同土壤水分特征曲线模型所得到的水力响应。试验结果分析发现包气带井回灌引起的水力响应以及地表通量对回灌的影响均会受到非饱和带渗透性以及储水能力的影响，相对渗透系数指数ω_k影响非饱和带渗透系数的变化，持水指数ω_c影响非饱和带的储水能力，将指数参数简化为ω_k=ω_c=ω会在计算和预测包气带井回灌引起的水力响应时带来一定的误差。压力头阈值差b₁=ψ_a-ψ_k的绝对值较小时，对水头增量的影响也较小，此时将其简化为b₁=ψ_a-ψ_k=0所带来的误差也较小。本研究成果可以帮助学者们提高对包气带井回灌过程的认识，对于回灌方案设计、实施和管理具有重要的实际意义。

注水井理论模型研究一直是水文地质学领域的热点问题。充分考虑含水层的非均质性，利用两区MIM(Mobile-Immobile)对流扩散模型来描述溶质在含水层中的运移过程，同时考虑表皮效应和井筒混合效应，建立一种描述注入井附近含水层溶质径向运移的动力学模型。并采用Laplace变换、Stehfest数值逆变换得到了该动力学模型的半解析解。然后改变表皮区的有效孔隙度和径向弥散度以及井筒的半径，来分析固定观测点的溶质穿透曲线和溶质浓度分布曲线的变化规律。研究表明，井筒混合效应和表皮效应对穿透曲线、溶质径向运移过程和影响区域均有着非常显著的影响。在考虑井筒混合效应时，井筒半径越大，井筒效应越明显。而表皮区域有效孔隙度越大，溶质的迁移扩展速率越小；径向弥散度越大，观测点的溶质浓度曲线越陡峭，表明该点的溶质浓度变化速率较快，且能更早达到稳定值。与前人研究相比，本研究模型能更好地描述注水井中的溶质径向弥散过程。

研究水文地质参数随时间变化的特征及机理有利于深入了解地下水系统特性。地下水位微动态对于天然周期性荷载固体潮及气压加载作用的响应则提供了一种经济有效的含水层水文地质参数计算方法。系统梳理了地下水对于固体潮响应、气压响应以及综合固体潮及气压响应求解参数的理论模型，介绍了井-含水层系统受地震及采矿活动影响过程中水文地质参数随时间变化的情况。气压响应方法也可用于含水层脆弱性的评估。分析认为，研究地下水位微动态有利于在时间及空间尺度上了解地壳运动及人类活动对含水层系统的影响。最后提出了该领域未来研究方向主要包括：井孔皮肤效应及储积效应的应用、结合多种确定基础地质参数的方法提高水文地质参数计算精度、探索地下水超采及地面沉降等其他人类活动对区域尺度含水层系统的影响。

岩溶泉水资源是我国北方岩溶区重要的供水水源。查明泉水补给、径流和排泄条件，清晰刻画泉域边界，对合理评估和科学开发岩溶水资源具有重要意义。针对古堆-南梁泉群边界范围不清，补给情况不明的现状，开展了泉域岩溶水文地质条件和岩溶水δD、δ¹⁸O、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr分布特征调查分析，采用同位素技术对岩溶水补给径流路径上的水岩相互作用和水力联系进行了系统研究。研究发现，岩溶水中δ¹⁸O数值范围较大，其原因主要是受到了高程效应、热水氧同位素漂移、蒸发浓缩和古封存水混合等作用的影响。岩溶水中δD、δ¹⁸O及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的分布特征，为岩溶地下水水力联系识别提供了有力的佐证：汾阳岭热田成因可能与中生代入侵碳酸盐岩的岩浆岩的水岩作用有关；泉域北部岩溶水开采将袭夺泉域内部岩溶水资源。古堆-南梁泉域岩溶水同位素研究成果可为区域岩溶水资源的管理和保护提供科学依据。

区域地下水流系统的发育受地质、气候和地形多种因素的影响。以往的地下水流系统研究主要探讨了地质、地形和稳态气候条件下所形成的局部、中间和区域流动系统的组成特征, 对非稳态的地下水流系统认识不足。聚焦于研究地下水流系统对降雨变化的动态响应规律, 使用HydroGeoSphere构建了剖面二维地下水地表水耦合数值模型, 模拟在降雨的周期性和随机性叠加动态驱动下非稳态渗流场形成的地下水流系统。模拟结果表明, 各层级流动系统的空间范围都会随着降水波动而发生变化。局部地下水流系统在雨季并非都处于扩张状态, 在旱季也并非都处于收缩状态。各个局部流动系统的同时刻穿透深度之间可能具有无关、正相关或负相关关系, 这取决于各个局部流动系统响应降雨变化的滞后性。中间流动系统在非稳态条件下非常活跃, 其排泄出口、补给入口和循环路径随时间变化, 并强烈影响局部流动系统。通过5种不同含水层参数和降雨情景的模拟对比, 发现地下水流系统的滞后性和穿透深度的相关性对含水层各向异性特征较为敏感。下一步, 需要更加深入地研究地下水流系统在季节尺度、多年乃至跨世纪时间尺度气候波动过程中的非稳态响应规律。

为研究河流阶地和洪积扇这类典型水力沉积单元污染物运移规律, 搭建了大尺寸室内渗流槽开展溶质运移实验。通过点投放NaNO₃溶液模拟点源污染物在水力沉积物中的运移过程, 测定不同位置主要离子成分随时间的变化, 用于分析离子交换过程对于溶质运移的影响及溶质迁移规律。结果表明: 在运移过程中, NO₃^2-属于保守性离子, 穿透曲线呈尖瘦形, Na⁺受阳离子交替吸附作用的显著影响, 峰形陡升缓降; 阳离子交替吸附作用降低了Na⁺的弥散度, 离子交替吸附作用对弥散度的影响随着运移距离的增加愈加明显; 运移初期高浓度Na⁺在砂层中能交换出相当数量的Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺等离子; 运移后期阳离子交替吸附反应方向改变, 沉积砂层吸附水中的Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, 穿透曲线存在3种阳离子低于背景值的情况; 交替吸附作用使得对流-弥散作用下的Na⁺质量浓度穿透曲线形状更加宽缓, "拖尾"现象更为明显; 渗流砂槽内不同区域的水化学类型在空间上产生了差异性。研究成果对于开展水力沉积单元地下水污染防治具有一定指导意义。

为定量研究海岸带众多非线性因素对含水层中地下水流-溶质运移过程的影响, MARUN(Marine Unsaturated) 这款专门用于海岸带地下水数值模拟的软件被开发完成。从模型原理、算法特点、文献调研、案例分析等方面综述了MARUN的研究和应用进展。该软件适用于海岸带二维垂直剖面的地下水流及溶质运移反应的数值模拟。MARUN实现了变密度、变饱和度渗流与溶质运移的有限元算法, 质量集中的隐式差分离散, 以及Picard、Newton、Newton-Picard数值解法, 涵盖了海潮海浪、蒸发降雨和荷载效应等众多非线性因素, 具有专业性强、灵活性好、容错率高等特点, 但没有可视化界面。MARUN已在原油污染的海滩生物修复、潮间带浅层含水层海水-地下水循环过程、区域地下水流系统的演化等场景中取得一批富有特色的研究成果。未来, MARUN需要进一步拓展到三维空间, 耦合具有随机特征的物理化学过程, 以提高对滨海含水层中地下水流与溶质运移过程的模拟仿真水平。

滇中引水工程昆呈隧洞横穿昆明市呈贡区主要的水源地——黑龙潭、白龙潭地区, 隧洞涌水可能严重威胁城市供水安全。综合隧洞施工水文动态数据和水化学数据, 分析岩溶水系统特征和隧洞施工的影响, 论证两泉的成因关系; 构建了昆呈隧洞黑龙潭—白龙潭段三维地下水流模型, 经模型识别验证后, 开展隧洞施工条件岩溶水系统的流场和泉流量变化的模拟预测, 分析评价其水环境效应。研究表明: 黑龙潭与白龙潭分别属于相对独立的2套岩溶水系统, 补给区均为P₁q+m组强岩溶含水层, 但在三家村洼地下游, 两泉分别受P₁d组隔水地层和浑水塘断层的控制而形成稳定的岩溶通道; 昆呈隧洞掘进改变了区域地下水流场, 并袭夺白龙潭泉流量使其断流, 且泉流量恢复困难; 但隧洞掘进对黑龙潭影响较小。本研究对岩溶泉的成因关系进行探讨, 并定量分析隧道掘进的水环境影响, 对防止岩溶地区隧道建设中的突涌水等问题具有参考借鉴意义。

珊瑚砂渗透性是决定岛礁地下淡水储量的关键因素, 长期以来缺乏岛礁地下淡水形成过程中不同盐度溶滤液对珊瑚砂渗透性影响的分析研究。在实验室条件下利用3种盐度不同的溶液模拟淡水、过渡带水和海水, 分别对珊瑚砂进行了溶蚀和渗透试验, 分析了滤出液在溶蚀过程中的离子浓度变化以及珊瑚砂渗透系数的变化特征, 并基于X射线衍射分析和PHREEQC反向模拟, 探讨了珊瑚砂在不同盐度溶液中发生的主要水岩相互作用以及渗透性变化的可能原因。结果表明, 珊瑚砂渗透特性与砂体发生的溶蚀作用强弱有关, 一般来说, 溶滤液盐度越高, 溶蚀作用越强烈, 溶滤后砂体渗透系数增大。在纯水中, 珊瑚砂受溶蚀程度较小, 溶蚀前后渗透系数几乎不变; 在咸水中, 珊瑚砂发生了碳酸盐岩溶解和以Na⁺-Ca²⁺为主的离子交换作用等水岩作用, 且随盐度升高作用越强烈, 渗透系数越大。经过NaCl浓度为0.2, 0.4 mol/L的溶液溶蚀360 h后, 砂体渗透系数由0.58 m/d增加为0.64, 0.74 m/d, 推断溶蚀作用通过改变砂体整体孔隙度, 从而增加渗透系数。研究结果可为准确评估岛礁淡水资源储量及保障水资源可持续发展提供科学参考。

基流退水过程分析是流域尺度平均水文地质参数估计的有效方法之一, 但传统基流退水过程模型未考虑河床的渗透性, 其对参数估计的影响并不清楚。针对这个问题, 建立了降水入渗及河水位波动驱动下, 考虑河床渗透性影响的潜水含水层地下水流数学模型, 运用格林函数方法推导出水位及流量的解析解, 并利用数值模拟验证了解析解。结果表明, 在降水入渗强度波动的驱动下, 河床渗透性越小, 降水入渗引起更高的地下水位上升, 更低的基流量峰值, 更慢的基流退水过程; 河水位波动驱动下, 河床渗透性更低时, 地下水位对河水位波动的响应更弱, 地表水-地下水交互通量更小; 河床渗透性显著影响基流退水曲线, 退水早期, 低渗透性的河床导致曲线斜率远大于3, 而退水后期, 曲线斜率趋近于1, 且其不受河床渗透性影响。当河床渗透性较差时, 由于忽略了河床渗透性的影响, 传统模型会过高估计基流量, 过低估计含水层的渗透系数。

为确定以蒸发法为基础设计的土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数联合测定仪的可靠性和适用范围, 选取粉黏壤土、壤土和壤砂土3种土样进行试验研究。在自然蒸发作用下, 利用联合测定仪获得蒸发通量、含水量和土柱表面下方5, 10 cm处的基质吸力, 以线性假设理论为基础处理实测数据, 利用HYDRUS-1D软件进行模拟和反演, 输入实测基质吸力和通量数据确定土壤水力参数, 利用RETC软件对已处理数据进行VG-Mualem模型拟合。结果表明, 含水率符合线性假设理论, 基质吸力线性变化不是很理想, 但除砂土之外的土样可以通过降低蒸发速率和缩短2次测量时间间隔来解决这个问题; 试验数据的拟合效果好, 与模拟结果的误差较小, 试验前期所测非饱和渗透系数与模拟值误差较大, 主要跟含水率接近饱和时水力梯度的精度不能得到保证有关, 可以忽略这些数据来改进。使用蒸发法和联合测定仪测定土壤水分特征曲线和非饱和渗透系数具有比较好的可靠性。

南水北调工程极大改善了我国北方的用水问题, 进一步减少了深层地下水的开采量, 缓解了华北平原地下水长期亏损的情况, 但其对区域地下水水化学演化的影响尚未可知。以地面沉降典型分布区沧州市为研究对象, 研究南水北调工程通水及地下水停采后对地下水水化学的影响。采集2017年及2021年区域第Ⅲ、Ⅳ层承压地下水样品, 探究水化学特征, 并通过SBAS-InSAR技术进一步评估区域年均地面形变量, 分析地下水停采后区域水质及氟时空变化的影响。研究发现: 压缩开采后深层地下水氟含量略微降低, 高值区面积减小, 高pH、TDS和ρ(HCO₃^-), 低ρ(Ca²⁺)的地下水环境有利于氟的富集; 水化学类型没有改变, 地下水盐分含量升高, 岩盐、萤石溶解更充分; 同时, 全区地面沉降量及沉降速率较南水北调工程实施前明显放缓, 东南部存在小面积地面抬升区。地面沉降的减缓抑制了隔水层黏土压密释水, 减弱黏土孔隙高氟水的直接释放, 侧向径流补给占比上升, 含水层得到的有效补给变多, 使得区域地下水中氟浓度降低。但较长的水力停留时间及水岩相互作用, 可促使沉积物蒸发岩溶解迁移进入地下水中, 使得近海区域深层地下水中盐分含量升高。研究成果对沧州市饮用水安全和水资源管理提供了科学依据。

溶解性有机质(DOM)是地下水中生物地球化学过程的重要碳源。为阐明江汉平原地下水中DOM季节性变化对N迁移转化的影响, 选取江汉平原沙湖监测场作为研究区, 根据地下水、地表水长期水位和水化学监测数据, 进行水文地球化学分析, 联合三维荧光光谱和紫外可见光谱, 分析DOM季节性变化特征, 探究了水文条件影响下地下水中DOM季节变化在N迁移转化中的作用。研究结果表明: 研究区地下水和地表水中DOM包括3种组分: 陆源类腐殖酸(C1)、微生物源类色氨酸(C2)和微生物源类腐殖酸(C3)。枯水期微生物源类色氨酸组分输入增加, 丰水期陆源类腐殖酸组分输入增加。研究区地下水的强还原性和高溶解性有机碳(DOC)含量为硝酸盐的还原提供了条件, 低腐殖化、低分子量的C2组分在N迁移转化中优先被利用。枯水期, 地下水水位下降, 含水层偏氧化性, 不稳定的类蛋白组分快速降解释放NH₄-N, 硝化反应、有机氮矿化速率较高, 反硝化、硝酸盐异化还原为氨(DNRA)反应速率较低; 丰水期, 地下水水位上升, 含水层偏还原性, 硝化作用受到抑制, 大量不易被降解的DOM存在使含水层中有机氮矿化速率降低, 反硝化和DNRA过程被促进。综上所述, 研究区DOM季节性变化是控制地下水中N反应迁移的重要因素。

密度大于水的重非水相液体(dense non-aqueous phase liquids, 简称DNAPL)泄露进入地下环境成为长期的污染源。前人基于土柱、砂箱实验及数值模拟等手段研究了冲洗液流速、助溶剂浓度及介质性质对DNAPL清除效率的影响, 但是孔隙流速如何影响孔隙尺度残余DNAPL的溶解速率还不清楚。在微孔隙模型中注入乙醇冲洗液模拟孔隙中残余PCE的清除过程, 利用微尺度粒子图像测速技术(PIV)获取孔隙通道中的水相流速场分布, 分析不同孔隙结构中的残余PCE溶解清除速率的影响因素。实验结果表明: 影响不连通孔隙残余PCE溶解速率R的因素不仅仅是水相流速, 还有孔隙断面通量q、孔隙开口方向和孔隙通道水相流速方向的夹角α以及通量梯度I等; 基于实验数据拟合得出溶解速率与影响因素之间的定量关系为R=3 876.79q^{(-0.016α+2.28/I)2}; q越大, 不连通孔隙附近的孔隙通道水相更新速率就越快; α越大(α>90°), 有更多的冲洗液进入不连通孔隙内, 从而增加残余PCE溶解速率; I越大, 垂直进入不连通孔隙内部的水相通量的分量衰减越快, 界面附近的流速就会越小, 残余PCE的溶解速率减小。基于微孔隙PIV技术定量揭示了孔隙流速及介质孔隙结构等多因素共同影响孔隙中DNAPL的溶解速率, 为深入理解孔隙中残余DNAPL的溶解机理、定量评估实际场地条件下残余DNAPL清除效率提供新的手段。

在MODFLOW的三维渗流模拟程序集中, Conduit Flow Process(CFP)模块已被广泛用于模拟岩溶含水层中的管道流, 是岩溶地下水流模拟的重要工具。使用CFP模块概化暗河管道时, 暗河出口的概化有2种方案: 将暗河出口设置在管道模型中(FH方案)或等效多孔介质中(Dr方案), 其模拟效果有待评价。以重庆缙云山姜家龙洞暗河为例, 建立了考虑管道流的地下水流数值模型, 分别使用2种方案概化了暗河出口, 对比分析了稳定流和非稳定流的模拟结果。结果表明: 以排水沟(Drain)模块概化暗河出口的Dr方案, 暗河管道的上游段排泄地下水, 下游段反而补给含水层, 最终在排水沟单元排泄, 而定水头(Fix Head)概化的FH方案则准确模拟了暗河全段汇集地下水并在出口排泄出含水层的实际情况。进一步的水均衡分析揭示了模拟差异产生的原理。在模拟岩溶区地下水向暗河管道汇集的水文过程时, 如果使用CFP概化管道, 则宜配合使用CFP中的定水头边界概化暗河出口。

研究裂隙介质渗透性的升尺度转换, 对准确刻画裂隙介质渗流场特征具有非常重要的意义。以某地下水封洞库的结晶岩裂隙介质统计数据为基础, 应用Monte-Carlo随机模拟技术生成二维离散裂隙网络(DFN)模型, 计算得到变尺寸模拟域的渗透性参数及不同尺寸网格化划分后各网格单元的等效渗透系数, 并对网格单元等效渗透系数进行升尺度运算。结果表明: 模拟域尺寸达到渗透性典型单元体(REV)尺寸22 m×22 m后, 模拟域可视为等效连续介质; 网格化处理后, 小于REV尺寸的网格单元升尺度运算得到的等效渗透系数显著小于裂隙网络模型计算得到的对应复合网格单元的等效渗透系数。因此, 渗流计算单元尺寸达到REV尺寸后, 其渗透性参数可以有效代表研究区内更大尺寸区域的渗透性特征; 当渗流计算单元尺寸小于REV尺寸时, 其渗透性参数无法有效代表研究区内更大尺寸区域的渗透性特征, 此时对渗透性参数进行参数升尺度运算往往具有低估的误差, 不具有实际意义。

监控自然衰减(MNA)作为一种成本低、不产生二次污染物、对污染场地环境影响较小的地下水污染修复方法, 具有较高的应用价值和发展前景, 值得实践与研究。选取广州某地下水污染场地作为研究区, 评价MNA修复方法的适用性。基于水文地质条件及污染现状分析, 运用地下水数值模拟程序MODFLOW建立了污染场地地下水流模型, 运用污染物迁移数值模拟程序MT3DMS建立了场地污染物迁移模型, 分别模拟了场地地下水流、主要污染物总石油烃(TPH)和重金属镍(Ni)的迁移过程。基于模型, 对比监控自然衰减和抽出处理与监控自然衰减结合的2种方案修复效果。结果表明, TPH和Ni对于Freundlich常数及Freundlich指数变化均较为敏感; TPH的自然衰减效果较好, 采用自然衰减方案, 经过850 d可由初始浓度1.52 mg/L衰减到修复目标值(0.3 mg/L); Ni衰减较慢, 适宜采用结合抽出处理的监控下自然衰减方案, 经过300 d可由初始浓度0.13 mg/L达到修复目标值(0.02 mg/L)。在自然衰减能力较强或地下水流速较缓的条件下, 适宜采用监控自然衰减修复方案; 在自然衰减能力较弱或地下水有显著流动的情况下, 适宜采用结合抽出处理的监控自然衰减修复方案。研究结果对地下水污染修复具有参考价值与借鉴意义。

裂隙在岩体中的形貌结构复杂, 岩体裂隙的粗糙特征对裂隙的渗透性存在较大影响。目前传统的数值模拟软件主要是以等效连续介质为基础的宏观评价, 无法模拟裂隙微小结构内的介观渗流特征; 虽然存在考虑裂隙粗糙特征的粗糙裂隙渗透评估模型, 但是将粗糙裂隙的剖面高度标准偏差值作为粗糙特征的定量表征缺乏物理意义并且存在局限性。首先运用W-M(Weierstrass-Mandelbrot)函数构建具有不同分形维数的二维粗糙单裂隙数字模型。其次基于格子Boltzmann法理论通过编程实现介观尺度的渗流模拟, 并结合以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式进行分析。结果表明: 以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式存在不足; 以分形维数作为粗糙特征定量表征的局部修正立方定律公式相对可行。研究对于地下水污染防治以及地下水资源评估有着重要的工程实际意义。

综合分析岩体裂隙几何特征及渗流特性是高放废物处置库场址适宜性评价中关键内容之一。利用北山预选区新场地段中部BS32、BS36和BS39钻孔试验及其周围的裂隙现场调查结果, 以裂隙产状及线密度为指标对钻孔进行定量均质区划分, 并辅以渗透张量理论得到钻孔裂隙岩体渗透性大小及渗透主方向。研究结果表明: 新场地段URL(地下实验室)场址区发育4组优势裂隙, 其产状分别为279°∠79°, 98°∠76°, 227°∠79°和36°∠76°, 尤以EW向和NNE向最发育。节理裂隙以陡倾角(>60°)的剪节理为主, 同时伴有少量张节理, 裂隙倾向、倾角呈正态分布特征。与现场水力试验结果相比较, 钻孔整体综合渗透系数处于10^-13~10^-9 m/s数量级范围, 主渗透方向主要是NNE向、近EW向及SE向, NNE向及近EW向为裂隙岩体优势渗流通道, 其渗透张量主值较大。位于新场地段2条近EW向的F₆, F₇断裂以及与其配套的NNE-EW向次级断裂对新场地段裂隙发育起到宏观控制作用。裂隙岩体渗透性大小主要受裂隙间距和隙宽影响。研究结果可为北山预选区新场地段处置库建设及处置库中核素迁移等工程数值模拟提供必要的数据支撑。