【正文】 4．復(fù)合地下水漏斗演變及地下水可更新能力 研究高強(qiáng)度開(kāi)采條件下，地下水均衡要素的轉(zhuǎn)換機(jī)理及其對(duì)地下水流場(chǎng)演變和地下水降落漏斗形成的影響；分析區(qū)域地下水流系統(tǒng)解體向以開(kāi)采為主導(dǎo)的新局部水流系統(tǒng)。 2．弱透水層越流和壓縮釋水機(jī)理 研究不同埋藏深度的弱透水層水理性質(zhì)、含水介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)地下水開(kāi)采的響應(yīng)；分析不同結(jié)構(gòu)與深度的越流 系統(tǒng)發(fā)生越流的臨界條件及越流因素的變異特征；探討弱透水層發(fā)生壓縮釋水的臨界壓力、變形量及釋水量之間的關(guān)系；研究不同含水結(jié)構(gòu)的粘性 土持續(xù)壓縮變形與固結(jié)釋水機(jī)理，揭示開(kāi)采條件下弱透水層釋水與越流相互關(guān)系， 闡明淺層地下水與深層地下水相互作用機(jī)制， 確定越流與壓縮釋水引起的水鹽運(yùn)移規(guī)律及其對(duì)含水層地下水資源組成的貢獻(xiàn)。 研究?jī)?nèi)容： 本課題是圍繞第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題設(shè)立，目的是揭示導(dǎo)致深層地下水可利用資源演變的含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和地下水系統(tǒng)場(chǎng)（滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)）的變異特征與機(jī)理。 4．區(qū)域淺層地下水補(bǔ)給演變機(jī)制 研究降水、不同開(kāi)采條件、包氣帶土壤巖性、淺層地層結(jié)構(gòu)、土地利用方式、水利工程與南水北調(diào)供水工程等不同變異尺度影響因素耦合作用下大尺度淺層地下水補(bǔ)給機(jī) 理、尺度效應(yīng)與轉(zhuǎn)換、主控因子及其時(shí)空演化特征，揭示地表水資源、土壤水資源與地下水資源的轉(zhuǎn)化機(jī)理及其時(shí)空演化規(guī)律，建立基于影響因素時(shí)空變異和多尺度耦合的大尺度淺層地下水補(bǔ)給計(jì)算模型。 2．淺層地下水補(bǔ)排的非線性過(guò)程 研究平原區(qū)包氣帶厚度增厚條件下淺 層地下水入滲補(bǔ)給與潛水蒸發(fā)的變化過(guò)程、深厚包氣帶非均質(zhì)土層土壤水分運(yùn)動(dòng)機(jī)理及空間變異特征；查明不同自然條件如降水、包氣帶土壤巖性、淺層地層結(jié)構(gòu)等變化以及不同人類活動(dòng)如地下水開(kāi)采、土地利用方式、水利工程與南水北調(diào)供水工程等影響下導(dǎo)致的淺層地下水補(bǔ)排變化過(guò)程及其變異機(jī)理；確定淺層地下水補(bǔ)排的主要水量交換界面過(guò)程及其主控因子，建立適于包氣帶變厚條件下淺層含水層結(jié)構(gòu)變化的地下水補(bǔ)給非線性模型。地下水補(bǔ)給是決定地下 水資源特征、可持續(xù)開(kāi)采量以及導(dǎo)致地下水質(zhì)量發(fā)生變化的先決或重要條件，人類活動(dòng)使地下水補(bǔ)給模式與強(qiáng)度都發(fā)生了變化，因此，重點(diǎn)從地下水系統(tǒng)補(bǔ)給時(shí)空演變方面開(kāi)展研究。 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、 中國(guó)科學(xué)院研究生院 課題負(fù)責(zé)人： 李國(guó)敏 39 學(xué)術(shù)骨干： 侯彥林、戴福初、秦大軍、黎明、張娜、王志民 40 課題 2 ： 淺層含水層結(jié)構(gòu)變化與地下水補(bǔ)給變化機(jī)理 研究目標(biāo)： 通過(guò)對(duì)人類活動(dòng)影響下淺層含水層補(bǔ)給關(guān)鍵環(huán)節(jié)與影響因素的研究，確定淺層含水層結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，分析淺層地下水補(bǔ)給方式、過(guò)程和強(qiáng)度的變化，揭示淺層地下水補(bǔ)給質(zhì)與量的變異及其形成機(jī)理和時(shí)空演變特征，建立適于淺層含水層結(jié)構(gòu)變化的地下水補(bǔ)給非線性模型，為區(qū)域地下水資源的演變提供理論依據(jù)。 3．區(qū)域地下水環(huán)境變化規(guī)律 依據(jù)近 50 年來(lái)華北平原地下水的開(kāi)發(fā)歷史與統(tǒng)計(jì)資料，通過(guò)水均衡計(jì)算分析淺層及深層地下水資源補(bǔ) 給量與開(kāi)采量關(guān)系，結(jié)合區(qū)域地下水流場(chǎng)的變化來(lái)分析地下水質(zhì)量的 演變與分布規(guī)律，揭示咸水體移動(dòng)規(guī)律， 定量研究人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水質(zhì)量的影響。 2．地下水動(dòng)力場(chǎng)特征與演變過(guò)程 研究近 50 年來(lái)區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流、排泄的時(shí)空變化特征，突出這些變化與區(qū)域水循環(huán)要素變化的關(guān)系，揭示地下水補(bǔ)給演變規(guī)律。 研究?jī)?nèi)容： 本課題針對(duì)第一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，圍繞區(qū)域地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄對(duì)人類活動(dòng)及區(qū)域水循環(huán)背景條件變化的響應(yīng)方面開(kāi)展研究，掌握區(qū)域內(nèi)地下水資源的演變歷史和現(xiàn)狀，回答人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水循環(huán)的影響。 （ 四）創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新在于：系統(tǒng)揭示“人類活動(dòng)下地下水演變機(jī)理與調(diào)控機(jī)37 制”，預(yù)期取得以下幾方面重要?jiǎng)?chuàng)新和突破 ： （ 1）地下水可利用資源與更新能力變化機(jī)理； （ 2）地下水結(jié)構(gòu)變化及其伴生的生態(tài)環(huán)境演變機(jī)理； （ 3）地下水與生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的耦合模型與地下水承載力； （ 4）地下水危機(jī)臨界識(shí)別指標(biāo)體系與安全調(diào)控技術(shù)方法和理論體系。近年來(lái)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所連續(xù)對(duì)該區(qū)地下水及其環(huán)境問(wèn)題開(kāi)展大量的研究工作，已經(jīng)建成“華北平原地下水資源與環(huán)境問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)”，此外， 項(xiàng)目組成員對(duì)該區(qū)的工作程度、研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題、突破方向等均有較明確的認(rèn)識(shí)和較準(zhǔn)確的把握，理論創(chuàng)新的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。項(xiàng)目組多數(shù)成員也在該區(qū)開(kāi)展過(guò)長(zhǎng)期的研究工作，已積累了大量的研究資料。本項(xiàng)目所采用的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成熟，其它主要技術(shù)途徑，都有成功的研究實(shí)例可供借鑒，可以完成既定的研究任務(wù)。 2．先進(jìn)的技術(shù)路線和可行的研究方案 地下水演變與調(diào)控的關(guān)鍵在于闡明人類活動(dòng)對(duì)地下水可利用資源的影響機(jī)制和地下水資源開(kāi)發(fā) — 環(huán)境變化 — 經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制，進(jìn)而探索地下水系統(tǒng)危機(jī)臨界標(biāo)識(shí)，定量確定環(huán)境約束下地下水調(diào)控閾值，實(shí)現(xiàn)良好生態(tài)環(huán)境下地下水可持續(xù)利用。 綜合評(píng)價(jià)方法： 綜合考慮供水安全、供水效益和費(fèi)用、環(huán)境影響等因素，運(yùn)用各種綜合評(píng)價(jià)方法（如層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法等）對(duì)多種水資源配臵方案、地下水調(diào)控方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，作為實(shí)施方案選取的參考。模擬多年地下水流場(chǎng)和水位動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)不同情境下多年地下水位動(dòng)態(tài)和流場(chǎng)的變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)地下水開(kāi)采、調(diào)蓄和更新能力以及環(huán)境影響；建立典型區(qū)（天津或滄州）三維地下水流 — 地面沉降耦合模型，揭示地下水水位變化與水土應(yīng)力之間的內(nèi)在聯(lián)系及地面沉降的機(jī)理，確定深層水來(lái)源；建立地下水兩相界面流（咸、淡水）模型，分析咸水下移的機(jī)理，探討咸水利用的可行性，研究地下水臨界水位閾值和開(kāi)采量調(diào)控指標(biāo)；并在此基礎(chǔ)上建立地下水調(diào)控模擬系統(tǒng)，模擬與預(yù)測(cè)應(yīng)急供水、調(diào)蓄與恢復(fù)等情景下的地下水流場(chǎng)變化和供水安全問(wèn)題。 綜合分析方法： 依據(jù)地下水演化機(jī)制的研究，通過(guò)近 50 年來(lái)地下水變化與驅(qū)動(dòng)因子之間的量化關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析，定量確定地下水系統(tǒng)環(huán)境約束閾值，結(jié)合即將實(shí)施的重大水利工程，綜合考慮地下水開(kāi)采引起的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的變化程度和影響，結(jié)合氣候變異、地下水調(diào)蓄和恢復(fù)能力，運(yùn)用地下水模型確定各地區(qū)地下水調(diào)控指標(biāo)，摸索出一套確定地下水調(diào)控指標(biāo)的方法。 高性能數(shù)值模擬技術(shù)： 將高性能地下水三維數(shù)值模型技術(shù)、環(huán)境同位素方法與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，建立區(qū)域水文地質(zhì)概念模型及高仿真的數(shù)值 模型，模擬人類活動(dòng)對(duì)地下水系統(tǒng)影響的各種作用過(guò)程，預(yù)測(cè)未來(lái)?xiàng)l件下地下水系統(tǒng)演變趨勢(shì)，探索地下水調(diào)控的理論方法。 高壓滲透固結(jié)儀與高倍掃描電鏡技術(shù)： 采用高壓滲透固結(jié)儀進(jìn)行弱透水層壓縮釋水試驗(yàn)，采用高倍掃描電鏡技術(shù)，研究含水層和弱透水層壓縮前后微結(jié)構(gòu)變化，分析釋水?dāng)?shù)量和質(zhì)量與變形量之間的相互關(guān)系，揭示地面沉降、粘性土壓縮釋水機(jī)理以及釋水引起的鹽分運(yùn)移規(guī)律。 GIS 技術(shù)： 以 ArcGIS 為平臺(tái)，對(duì)原有的地下水資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行充實(shí)、擴(kuò)展，利用 GIS 的統(tǒng)計(jì)、分析、融合、覆蓋等功能計(jì)算所需要的各種參數(shù)，并為地下水模擬模型提供所需的數(shù)據(jù)，使地下水模擬模型更具有實(shí)用性和可操作性，大大提高模擬的精度，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)可利用地下水資源提供關(guān)鍵技術(shù)方法。 環(huán)境同位素及示蹤劑技術(shù)： 聯(lián)合使用多種同位素 (2H、 18O、 3H、 14C、 36Cl、 37Cl)和環(huán)境示蹤劑 (CFCs, SF6，惰性氣體 )，結(jié)合傳統(tǒng)水化學(xué)方法，追蹤地下水在包氣帶和含水層中的流動(dòng)與演化過(guò)程，查清地下水化學(xué)演化、補(bǔ)給過(guò)程和機(jī)制、水巖相互作用、咸水起源等，識(shí)別和估算現(xiàn)代補(bǔ)給以及地下水的年齡，刻畫(huà)地下水系統(tǒng)特征以及人類活動(dòng)的影響，檢驗(yàn)和完善已有的水文地質(zhì)概念模型，了解含水層對(duì)地下水開(kāi)采和補(bǔ)給變化響應(yīng)，評(píng)價(jià) 含水層對(duì)開(kāi)采和水位下降的響應(yīng)以及相關(guān)33 的水質(zhì)惡化。將遙感監(jiān)測(cè)與水頭變化的地面觀測(cè)技術(shù)相結(jié)合，確定含水層物理參數(shù)變化，綜合多種遙感數(shù)據(jù)，改進(jìn)地下水流動(dòng)和含水層壓實(shí)模型，加深對(duì)含水層結(jié)構(gòu)變化過(guò)程的認(rèn)識(shí)。 2．關(guān)鍵技術(shù) 遙感技術(shù)： 根據(jù)衛(wèi)星遙感觀測(cè)資料，評(píng)價(jià)土壤濕度和溫度、灌溉面積或農(nóng)作物類型的空間變化等，評(píng)價(jià)蒸發(fā)蒸騰量。應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，用于構(gòu)建華北平原地下水資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)及其合理利用調(diào)控平臺(tái)。 32 最終，建立相應(yīng)的地下水模型，通過(guò)不同情境地下水?dāng)?shù)值模擬，開(kāi)展地下水調(diào)控研究。對(duì)于維持河道正?；髁?、保護(hù)濕地的地下水位閾值，通過(guò)水均衡方法、地下水動(dòng)力學(xué)方法等來(lái)確定。建立淡 — 海（咸）水兩相界面運(yùn)移模型，確定防止海水侵入的地下水位的臨界閾值。通過(guò)地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，研究淺層地下水不同地域、不同含水介質(zhì)的合理調(diào)控水位和最低調(diào)控水位的閾值。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)多種技術(shù)手段的綜合運(yùn)用，獲得表征地下水演變的現(xiàn)象與規(guī)律，通過(guò)典型區(qū)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)以及物理模擬和數(shù)值模擬，進(jìn)行成因與機(jī)理分析，揭示地下水可利用資源演變機(jī)制，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境的需水量分析、運(yùn)用層次分析、運(yùn)籌學(xué)等方法，建立地下水 — 環(huán)境 — 社會(huì) 經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，通過(guò)多目標(biāo)協(xié)調(diào)數(shù)學(xué)模型，揭示地下水資源開(kāi)發(fā) — 環(huán)境變化 — 經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)機(jī)制。 最終，在上述三個(gè)層次的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)綜合集成研究，形成地下水資源調(diào)控 技術(shù)方法與理論體系，提出地下水資源可持續(xù)利用與保護(hù)對(duì)策。擬從兩個(gè)方面來(lái)解決：一是詳細(xì)了解環(huán)境、經(jīng)濟(jì)對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用的約束以及地下水資源承載能力，將通過(guò)地下水 — 環(huán)境 — 社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合機(jī)制與評(píng)價(jià)體系研究來(lái)實(shí)現(xiàn) ； 二是準(zhǔn)確把握地下水危機(jī)臨界標(biāo)識(shí)、預(yù)測(cè)不同條件干擾下的地下水系統(tǒng)危機(jī)狀態(tài)，建立環(huán)境、經(jīng)濟(jì)約束下的地下水調(diào)控技術(shù)方法與理論體系。 2．在上述區(qū)域現(xiàn)象與規(guī)律性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，圍繞地下水可利用資源演變影響機(jī)制這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題 ， 揭示地下水動(dòng)力條件與水循環(huán)機(jī)理、含水層結(jié)構(gòu)特性及演化機(jī)理、地下水質(zhì)變異與地質(zhì)作用機(jī)理、水 — 土復(fù)合作用與地面沉降和地質(zhì)31 災(zāi)害發(fā)生機(jī)理，以及生態(tài)水文對(duì)地下水資源的控制機(jī)理。 本項(xiàng)研究的學(xué)術(shù)思路通過(guò)三個(gè)不同層面的研究來(lái)體現(xiàn)（如圖 1 所示）。 4． 在國(guó)內(nèi)外高水平學(xué)術(shù)期刊 發(fā)表 100 篇左右的高質(zhì)量論文，培養(yǎng) 20— 30名 研究生 。 3． 提出“地下水復(fù)合漏斗”控制 與修復(fù)方法。建立地下水系統(tǒng)危機(jī)的臨界點(diǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)理論，定量確定含水層涵養(yǎng)與地下水安全調(diào)控閾值 。 2． 建立 區(qū)域地下水演變與調(diào)控技術(shù)方法與理論體系 。造就一批具有國(guó)際水平和影響的優(yōu)秀科學(xué)家群體和復(fù)合型高級(jí)專門(mén)人才團(tuán)隊(duì)。 4． 環(huán)境、經(jīng)濟(jì)約束下的地下水調(diào)控 28 研究 地下水位、水質(zhì)和地下水開(kāi)采量的環(huán)境閾值，確定 地下水系統(tǒng)危機(jī)臨界識(shí)別指標(biāo)體系；研究 氣候變化和南水北調(diào)實(shí)施等 情景下地下水危機(jī)狀況及供水安全的保證程度，搭建地下水資源調(diào)控平臺(tái)， 綜合提出 保證 華北平原供水安全的地下水可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用模式和方案，包括利用地表水調(diào)蓄、逐漸恢復(fù)地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量以及安全保障等， 形成地下水資源調(diào)控的技術(shù)方法與理論體系。 研究深層含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與地下水流動(dòng)系統(tǒng)各要素對(duì)高強(qiáng)度開(kāi)采的響應(yīng)，包括弱透水層越流和壓縮釋水機(jī)理、 淺層地下水與深層地下水相互作用機(jī)制、 水 動(dòng)力場(chǎng) — 土 應(yīng)力場(chǎng)耦合機(jī)理及地面沉降 、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生 機(jī)制、地下淡水 — 咸水界面移動(dòng)與驅(qū)動(dòng)機(jī)制、分析地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)演化機(jī)制及其對(duì)地下水循環(huán)的影響 ； 研究地下水資源可利用量的組成、變化機(jī)理和趨勢(shì) ； 闡明深層地下水可更新能力的變化過(guò)程與趨勢(shì)，為區(qū)域地下水資源的演變提供理論依據(jù)，為地下水 合理調(diào)控的研究奠定基礎(chǔ)。 研究 地下水系統(tǒng)水動(dòng)力條件變化后含水層特性的變化。 重點(diǎn)研究近 50 年來(lái)區(qū)域水循環(huán)要素變化規(guī)律及其影響因素 ； 分析歷史上地下水資源開(kāi)發(fā)條件下區(qū)域地下水流場(chǎng)變化過(guò)程 ， 闡明 淺層和深層 地下水動(dòng)力場(chǎng)特征與演變過(guò)程 ； 揭示 人類活動(dòng)加劇條件下 地下咸水體移動(dòng)、水化學(xué)場(chǎng)演變和 地下水資源量變化規(guī)律；建立人類活動(dòng)條件下與區(qū)域水循環(huán)變化相聯(lián)系的地下水系統(tǒng)演變模式，為地下水演變機(jī)理研究和地下水調(diào)控研究提供理論依據(jù) 。 組織 2 次項(xiàng)目進(jìn)展會(huì)、 1 次 項(xiàng)目課題結(jié)題會(huì)。 藻華災(zāi)害形成與演變的數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)從富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)系統(tǒng)層面闡釋不同藻華 災(zāi)害之間的內(nèi)在聯(lián)系和演變規(guī)律，建立我國(guó)近海典型海域藻華災(zāi)害演變機(jī)制的耦合模型，全面完成預(yù)定五年目標(biāo)，召開(kāi)討論會(huì)、報(bào)告會(huì)，對(duì)課題進(jìn)行全面總結(jié)和驗(yàn)收，累計(jì)完成學(xué)術(shù)論文 240 篇。 第 五 年 實(shí)驗(yàn)總結(jié)、成果提交、任務(wù)完成階段 召開(kāi)不同類別的研討會(huì)、總結(jié)會(huì)，重點(diǎn) 進(jìn)行成果總結(jié)和報(bào)告提交 的研討、準(zhǔn)備 ；根據(jù)具體情況，將進(jìn)行必要的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。 全的危害機(jī)制、保護(hù)人類健康、維護(hù)近海生物資源的 可持續(xù) 利用提 供科學(xué)依據(jù)。 組織 2 次航次協(xié)調(diào)會(huì)、 3 次項(xiàng)目進(jìn)展會(huì)、 1 次學(xué)術(shù)討論會(huì) 。 對(duì)各項(xiàng)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充、對(duì)各個(gè)重要結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證、對(duì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行完善。 闡釋藻華災(zāi)害對(duì)海域生態(tài)系統(tǒng)演變及其重要服務(wù)功能的影響， 對(duì)藻華災(zāi)害的 社會(huì)經(jīng)濟(jì) 影響作出科學(xué)評(píng)價(jià) ，為闡明富營(yíng)養(yǎng)化海域藻華災(zāi)害對(duì)生態(tài)安24 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 究海域 藻華 關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程，概括形成完善生態(tài)模型，開(kāi)展研究海區(qū)的關(guān)鍵藻藻華數(shù)值模擬與診斷試驗(yàn)。 進(jìn)一步了解并掌握異常氣象條件和氣候變化在藻華災(zāi)害形成和演變中的作用。 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 分析 主要致災(zāi)藻類的生活史關(guān)鍵特征、繁殖方式在藻類災(zāi)害演變中的作用； 分析探討 主要致 災(zāi)藻類 細(xì)胞周期蛋白的表達(dá)和調(diào)控，及其在不細(xì)胞 爆發(fā)性增殖的 作用；藻華災(zāi)害演變的種間競(jìng)爭(zhēng)機(jī)