【基金标书】2010CB428800-华北平原地下水演变机制与调控

1 项目名称： 华北平原地下水演变机制与调控 首席科学家： 石建省 中国地质科学院水文地质环境地质研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 国土资源部 河北省科技厅 2 一、研究内容 1人类活动条件下区域地下水系统响应 基于对地下水 系统结构、组成、特征、场、系统与环境相互作用的表征现象调查研究，揭示在自然与人类活动双重作用下，地下水系统诸要素的时空演化方向、路径和规模，达到规律性的认识。 重点研究近 50 年来区域水循环要素变化规律及其影响因素 ； 分析历史上地下水资源开发条件 下区域地下水流场变化过程 ， 阐明 浅层和深层 地下水动力场特征与演变过程 ； 揭示 人类活动加剧条件下 地下咸水体移动、水化学场演变和 地下水资源量变化规律；建立人类活动条件下与区域水循环变化相联系的地下水系统演变模式，为地下水演变机理研究和地下水调控研究提供理论依据 。 2 含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理 基于地下水演变规律的研究成果和成因分析，揭示地下水动力条件与水循环机理、含水层结构与特性及演化机理、地下水溶质迁移富集与地球化学作用机理和 水 土复合作用、地面沉降和地质灾害发生机理；阐明人类活动对 地下水资源可利 用资源 组成 的影响机制 和趋势，为地下水资源调控提供科学依据。 研究 地下水系统水动力条件变化后含水层特性的变化。研究 浅层含水层结构变化规律及地下水补排的非线性过程、包气带溶质运移与浅层地下水 水 质演变 ；分析浅层地下水补给方式、过程和强度的变化 ； 通过对人类活动影响下浅层含水层补给关键环节与影响因素的研究，确定浅层含水层结构变化规律，建立适于浅层含水层结构变化的地下水补给非线性模型。 研究深层含水层系统结构与地下水流动系统各要素对高强度开采的响应，包括弱透水层越流和压缩释水机理、 浅层地下水与深层地下水相互作用机制 、 水 动力场 土 应力场耦合机理及地面沉降 、地质灾害发生 机制、地下淡水 咸水界面移动与驱动机制、分析地下水动力场和水化学场演化机制及其对地下水循环的影响 ； 研究地下水资源可利用量的组成、变化机理和趋势 ； 阐明深层地下水可更新能力的变化过程与趋势，为区域地下水资源的演变提供理论依据，为地下水合理调控的研究奠定基础。 3 地下水 环境 社会经济耦合机制与评价体系 在充分认识环境变化下的地下水循环及水资源变化机理的基础上，研究地下水开发与环境变化、经济发展的互动关系与耦合机制，建立研究区地下水资源承载力的评价体系和评价模 式，建立地下水 系统、经济社会系统、生态环境系统在其运动发展过程中的相互依存与相互制约的定量关系 ，为地下水危机识别和合理调控的研究奠定基础。 4 环境、经济约束下的地下水调控 3 研究 地下水位、水质和地下水开采量的环境阈值，确定 地下水系统危机临界识别指标体系；研究 气候变化和南水北调实施等情景下地下水危机状况及供水安全的保证程度，搭建地下水资源调控平台， 综合提出 保证 华北平原供水安全的地下水可持续开发利用模式和方案，包括利用地表水调蓄、逐渐恢复地下水资源的数量、质量以及安全保障等， 形成地下水资源调控的技术方法与理论体 系。 4 二、预期目标 （一）总体目标 揭示 “ 地下水 复合漏斗 ” 形成演变机理，阐明 人类活动对 地下水 资源数量与质量的 影响机制，揭示地下水资源开发 环境变化 经济发展协调机制，形成人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论；建立地下水系统危机临界识别指标体系和地下水 环境 社会经济协调评价体系，构建地下水资源调控平台与可持续开发利用模式； 提出“地下水复合漏斗”控制与修复方法，建立区域地下水演变与调控技术方法与理论体系，发展和完善地下水可持续及水资源安全理论体系，提高我国地下水资源与安全保障能力，为国民经 济的持续发展和水资源永续利用提供科学依据和理论基础。造就一批具有国际水平和影响的优秀科学家群体和复合型高级专门人才团队。 （二） 五年预期目标 1 建立区域尺度地下水演化科学理论，揭示自然变化和人类活动双重影响下 华北 平原地下水演变过程机理， 评估 极端气候条件下地下水系统支撑能力。 2 建立 区域地下水演变与调控技术方法与理论体系 。 查明大规模开采和人类活动引起区域地下水位下降、开采层位变化、 含水层系统结构变化 等水文地质条件变化，揭示在自然变化和人类活动双重影响下，不同时空尺度地下水演化过程中经历和正在发生的突变或灾 变机制， 揭示“ 地下水 复合漏斗” 和咸水体的 形成演变机理，阐明地下水 资源数量与质量的变化 机制 ，分析地下水开采的环境效应。建立地下水系统危机的临界点识别与评价理论，定量确定含水层涵养与地下水安全调控阈值 。 为研究区地下水的合理开发利用和区域发展规划提供依据。 3 提出“地下水复合漏斗”控制与修复方法。 建立与南水北调相联系的山前平原地下调蓄和地表调控优化模式，确定深层地下水调控修复机制，探讨洪水资源化、地下水调蓄补给机制与模式，开展地下水位漏斗区疏干含水层修复潜力、条件与过程 的 研究，构建区域地下水安全预警与综合评价体 系，探讨深、浅层地下水安全保障的战略、模式与对策，建立我国缺水地区地下水循环和安全保障调控与预测的数字化模拟体系和管理体系。 4 在国内外高水平学术期刊 发表 100 篇左右的高质量论文，培养 20 30名 研究生 。 5 三、研究方案 （一）学术思路 本项研究以全球变化和水循环理论为指导，以地下水对区域水循环变化响应为基础，以地下水资源数量和质量演变规律及特征为主线，以环境、经济约束下的地下水调控为目的，针对华北平原地下水开发利用现状，围绕制约社会经济发展的两大关键科学问题，通过采用多学科交叉、多技术联合应用，通过对 五个方面的研究，发展和完善地下水循环演变理论、建立地下水调控理论体系，服务于国家目标（供水安全、环境友好、经济发展）。 本项研究的学术思路通过三个不同层面的研究来体现（如图 1 所示）。 第一层次：规律认知问题地下水位持续下降含水层结构变化地面沉降 咸水下移第二层次：成因机理问题第三层次：协调机制问题地下水调控与地下水可持续利用地下水 - 环境 复合作用与地面沉降机理第一层次：规律认知问题第一层次：规律认知问题地下水位持续下降含水层结构变化地面沉降 咸水下移地下水位持续下降含水层结构变化地面沉降 咸水下移第二层次：成因机理问题第二层次：成因机理问题第三层次：协调机制问题地下水调控与地下水可持续利用地下水 环境经济协调机制地下水危机识别与评价体系地下水资源承载力评价体系地下水 环境经济协调机制地下水危机识别与评价体系地下水资源承载力评价体系含水层系统结构变异机理地下水动力条件与循环演变机理生态水文与地下水相互作用机理水文地球化学作用与水质变异机理水、土复合作用与地面沉降机理含水层系统结构变异机理地下水动力条件与循环演变机理生态水文与地下水相互作用机理水文地球化学作用与水质变异机理水、土复合作用与地面沉降机理图 1 总体研究思路示意图 1在目前华北平原已经取得的调查成果的基础上，识别自然和人类活动双重影响下，区域地下水系统演变的现象与特征 ， 总结形成区域性宏观规律。 2在上述区域现象与规律性认识的基础上，围绕地下水可利用资源演变影响机制这一关键科学问题 ， 揭示地下水动力条件与水循环机理、含水层结构特性及演化机理、地下水质变异与 地质作用机理、水 土复合作用与地面沉降和地质6 灾害发生机理，以及生态水文对地下水资源的控制机理。 3在上述科学机理研究的基础上，围绕另一关键科学问题 地下水资源开发 环境变化 经济发展协调机制，研究环境、经济与地下水资源的互动关系，以及地下水危机的评估标识，为地下水安全调控提供基础。拟从两个方面来解决：一是详细了解环境、经济对地下水开发利用的约束以及地下水资源承载能力，将通过地下水 环境 社会经济耦合机制与评价体系研究来实现 ； 二是准确把握地下水危机临界标识、预测不同条件干扰下的地下水系统危机状态，建立环境 、经济约束下的地下水调控技术方法与理论体系。通过研究地下水危机临界标识与地下水资源调控来实现，包括：地下水系统危机临界识别指标体系、极端气候条件下地下水危机状态预测、地下水资源调控平台构建与可持续开发利用模式。 最终，在上述三个层次的研究基础上，通过综合集成研究，形成地下水资源调控技术方法与理论体系，提出地下水资源可持续利用与保护对策。 （二）技术途径 1技术路线 本项研究将从三个方面获得数据作为演变信息来源：已有研究成果获得的数据资料 华北平原地下水资源与环境调查数据库；野外原位观测、试验、实验得到 的数据；模型输出的相关数据。在此基础上，通过多种技术手段的综合运用，获得表征地下水演变的现象与规律，通过典型区试验、实验以及物理模拟和数值模拟，进行成因与机理分析，揭示地下水可利用资源演变机制，结合社会经济、生态环境的需水量分析、运用层次分析、运筹学等方法，建立地下水 环境 社会经济发展之间的协调关系，通过多目标协调数学模型，揭示地下水资源开发 环境变化 经济发展协调机制。 在此基础上，分深、浅层地下水系统确定地下水危机临界识别标识。通过地下水系统数值模型，研究浅层地下水不同地域、不同含水介质的合理调控水 位和最低调控水位的阈值。建立典型区地下水流 地面沉降耦合模型，探讨不同开采条件下，地下水危机地面形变的响应，确定深层地下水位阈值。建立淡 海（咸）水两相界面运移模型，确定防止海水侵入的地下水位的临界阈值。地下水位的上边界阈值为防止地下水位埋深过浅而造成土壤盐渍化，通过包气带土壤水分和盐分观测实验、野外土壤盐渍化程度与地下水位埋深调查等手段，确定其阈值。对于维持河道正常基流量、保护湿地的地下水位阈值，通过水均衡方法、地下水动力学方法等来确定。以地下水临界水位阈值为原则，综合考虑地下水开采引起地质环境、生态环境 的变化程度和影响，结合气候变异、地下水调蓄和恢复能力，运用地下水模型确定各地区地下水调控指标，摸索出一套确定地下水调控指标的方法。 7 最终，建立相应的地下水模型，通过不同情境地下水数值模拟，开展地下水调控研究。模拟多年地下水流场和水位动态，结合粘性土压缩试验和典型区地下水流 地面沉降模拟结果，确定华北平原地下水资源组成；预测一定条件下（气候异常等变异条件、突发事件、南水北调实施后地下水限采）多年地下水位动态和流场的变化趋势，评价地下水的可开采量、调蓄和更新能力以及环境影响；在地下水流模型的基础上，利用多年地面 沉降监测数据和室内土力学实验数据，建立典型区三维地下水流 地面沉降耦合模型，揭示地下水水位变化与水土应力互馈之间的内在联系及地面沉降的机理，确定深层水资源组成；运用华北平原水化学监测数据，建立地下水两相界面流（咸、淡水）模型，分析咸水下移的机理，探讨咸水利用的可行性；建立精细地下水模型（北京平原区和衡水地下水大面积开发区），用于研究地下水供水安全、应急供水、调蓄与恢复等问题。应用数据库和地理信息系统技术，用于构建华北平原地下水资源基础数据库及其合理利用调控平台。 综上所述，本项目将采用多学科综合和跨学科交叉 的研究方法，立足调查、试验、观测、实验与室内模拟等相结合， “ 3S” 与数学模拟方法相结合，实现微观机理分析与宏观规律相结合，揭示地下水系统和相关环境演变机制，进而探索地下水系统危机临界标识，定量确定环境约束下地下水调控阈值，实现良好生态环境下地下水可持续利用，详细技术路线见图 2。 2关键技术 遥感技术： 根据卫星遥感观测资料，评价土壤湿度和温度、灌溉面积或农作物类型的空间变化等，评价蒸发蒸腾量。利用干涉测量合成孔径雷达（ 测地面形变，从而在大尺度空间和长时间序列上详细测量含水层系统结构变化造成的地 面沉降。将遥感监测与水头变化的地面观测技术相结合，确定含水层物理参数变化，综合多种遥感数据，改进地下水流动和含水层压实模型，加深对含水层结构变化过程的认识。 综合物探技术： 把常规电法与核磁共振、频域电磁测深法（ 4 电导率成像系统）、震电 先进方法相结合，查明地下水系统结构以及咸水体水平与垂直方向上的分布与变化情况，分析地下咸水体的演变与地下咸水 淡水界面的移动情况。 环境同位素及示踪剂技术： 联合使用多种同位素 (2H、 18O、 3H、 14C、 3637环境示踪剂 (性气体 )，结合传统水化学方法，追踪地下水在包气带和含水层中的流动与演化过程，查清地下水化学演化、补给过程和机制、水岩相互作用、咸水起源等，识别和估算现代补给以及地下水的年龄，刻画地下水系统特征以及人类活动的影响，检验和完善已有的水文地质概念模型，了解含水层对地下水开采和补给变化响应，评价含水层对开采和水位下降的响应以及相关8 的水质恶化。分析研究深层承压地下水的可更新性变化。 术： 以 平台，对原有的地下水资源与环境数据库进行充实、扩展，利用 统计、分析、融合、覆盖等功能计算所需要的各种参数， 并为地下水模拟模型提供所需的数据，使地下水模拟模型更具有实用性和可操作性，大大提高模拟的精度，为准确评价可利用地下水资源提供关键技术方法。 9 华北平原地下水资源与环境数据库【已建成】社会经济统计数据【收集】地下水调控技术方法与理论体系 华北 平原 地下水可持续开发利用模式 地下水资源调控 基础 平台 目 标 响 应 综合集成、 G I S 技术、模型嵌套技术、高仿真模拟 系统 模拟 预测 历史过程模拟与重建 多情景模拟 G I S 技术 、 模型嵌套技术、情景生成、 数值模拟 地下水系 统 状 况 环境经济效应评估调查、 典型区试验、 地理信息空间分析、统计分析、数值模拟 地下水与地质 - 生态 - 环境效应 地下水与社会经济发展关系 地下水 - 环境 - 社会经济系统耦合 评价指标体系地下水危机与地下水资源承载能力评价 规律 认知 地下水系统响应特征与演变规律 调查、 自动 监测、遥感 、 物探 、 同位素、 G I S 技术、超微量化学分析 含水层结构变化与 水动力 场特征 地下水 相关 地质 环境变化特征 地下水资源数量与质量 变化特征 成因机理分析 山前 - 渤海剖面 调查、 监测， 典 型区试验 、 室内 实验、物理模拟 、数值模拟 生态水文与地下水相互作用机理 补给 、流动、更新 变化机 理 含水层系统结构变化 机理 溶质迁移富集与水文地球化学作用机理 水 - 土复 合 作用、地面沉降等灾害发生机理 图 2 研究技术路线图 多级分层自动监测技术： 采用多级自动监测技术采集不同层位地下水位、水10 温、 导率、水化学等数据，实现数据自动采集、自动存储、自动传输。 高压渗透固结仪与高倍扫描电镜技术： 采用高压渗透固结仪进行弱透水层压缩释水试验，采用高倍扫描电镜技术，研究含水层和弱透水层压缩前后微结构变化，分析释水数量和质量与变形量之间的相互关系，揭示地面沉降、粘性土压 缩释水机理以及释水引起的盐分运移规律。 超微量液体化学分析技术： 采用 测试技术分析常规方法难以测试的微量土壤水和弱透水层压出液，提高数据的获取精度。 高性能数值模拟技术： 将高性能地下水三维数值模型技术、环境同位素方法与地理信息系统相结合，建立区域水文地质概念模型及高仿真的数值模型，模拟人类活动对地下水系统影响的各种作用过程，预测未来条件下地下水系统演变趋势，探索地下水调控的理论方法。 3具体研究方法 围绕拟解决的关键科学问题，针对以往研究的薄弱环节，除采用上述关键技术和常规的研究方法外，特设计下列有 针对性的研究方法： 野外原位长观试验方法： 通过华北平原多年水位、水质、水温、沉降标和开采量等的长期观测数据的统计分析，探讨大规模开采条件下地下水循环变化规律，研讨浅层和深层地下水资源组成和补给强度的变化，论证地下水补给量、开采量、地下水位、环境变化之间的内在联系，揭示地下水演变的动力机制，研讨大规模开采条件下地下水的更新能力的变化。 综合分析方法： 依据地下水演化机制的研究，通过近 50 年来地下水变化与驱动因子之间的量化关系的统计分析，定量确定地下水系统环境约束阈值，结合即将实施的重大水利工程，综合考虑地下水开 采引起的地质环境、生态环境的变化程度和影响，结合气候变异、地下水调蓄和恢复能力，运用地下水模型确定各地区地下水调控指标，摸索出一套确定地下水调控指标的方法。 地下水模拟方法： 在地下水与环境信息空间数据库的基础上，以 模拟工具，与并行算法相结合，在并行服务器系统上建立整个华北平原统一的地下水流模型。模拟多年地下水流场和水位动态，预测不同情境下多年地下水位动态和流场的变化趋势，评价地下水开采、调蓄和更新能力以及环境影响；建立典型区（天津或沧州）三维地下水流 地面沉降耦合模型，揭示地下水水位变化与水土应力 之间的内在联系及地面沉降的机理，确定深层水来源；建立地下水两相界面流（咸、淡水）模型，分析咸水下移的机理，探讨咸水利用的可行性，研究地下水临界水位阈值和开采量调控指标；并在此基础上建立地下水调控模拟系统，模拟与预测应急供水、调蓄与恢复等情景下的地下水流场变化和供水安全问题。 运筹学方法： 运用非线性响应函数技术或替代模型（人工神经网络等）的方法，将地下水模型、地下水 环境耦合模型与最优化模型相耦合，采用先进的人11 工智能算法（遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索法、蚂蚁算法等）求解这类高度非线性、不连续、多目标管理模 型，求解地下水合理利用调控优化方案。 综合评价方法： 综合考虑供水安全、供水效益和费用、环境影响等因素，运用各种综合评价方法（如层次分析法、模糊综合评价方法等）对多种水资源配臵方案、地下水调控方案进行评价，作为实施方案选取的参考。 （ 三 ）可行性分析 1明确的科学问题和清晰的研究思路 基于多年的研究积累和较长时间的深入思考，本研究团队对拟解决的 2 个关键科学问题已经有了准确的凝练和把握，对研究目标的设定基本符合实际，开展研究的总体思路比较清晰，也富有特色和创新。 2先进的技术路线和可行的研究方案 地下水演变与 调控的关键在于阐明人类活动对地下水可利用资源的影响机制和地下水资源开发 环境变化 经济发展协调机制，进而探索地下水系统危机临界标识，定量确定环境约束下地下水调控阈值，实现良好生态环境下地下水可持续利用。本项目从总体思路和课题设 置 到研究内容和人员配备，始终围绕解决这两个问题设计研究路线。本项目所采用的关键技术已经成熟，其它主要技术途径，都有成功的研究实例可供借鉴，可以完成既定的研究任务。 3长期的研究基础和丰厚的研究积累 本项目推荐的首席科学家一直从事地下水科学领域的研究，曾主持全国地下水资源及环境问题调查 评价项目，有较为丰厚的研究积累。项目组多数成员也在该区开展过长期的研究工作，已积累了大量的研究资料。华北平原地下水研究程度很高，问题明确。近年来中国地质科学院水文地质环境地质研究所连续对该区地下水及其环境问题开展大量的研究工作，已经建成“华北平原地下水资源与环境问题数据库”，此外，项目组成员对该区的工作程度、研究现状、存在问题、突破方向等均有较明确的认识和较准确的把握，理论创新的时机已经成熟。 4完备的实验测试支撑体系 项目申请单位和承担单位拥有 5 个国家重点实验室、 6 个部门重点实验室、3 个省部级研究示范中 心和 4 个野外试验基地及观测台站（网络），具备完成本项目所必需的探测、分析和实验设施，组成了优势互补、强强联合的技术支撑体系，可以确保本项目高质量实施并取得重大突破。 （ 四）创新点 本项目的主要创新在于：系统揭示“人类活动下地下水演变机理与调控机12 制”，预期取得以下几方面重要创新和突破： （ 1）地下水可利用资源与更新能力变化机理； （ 2）地下水结构变化及其伴生的生态环境演变机理； （ 3）地下水与生态环境、社会经济发展的耦合模型与地下水承载力； （ 4）地下水危机临界识别指标体系与安全调控技术方法和理论体系。 13 （ 五）课题设置 课题 1： 人类活动条件下区域地下水系统响应 研究目标： 分析区域水循环变化条件下地下水系统的演变过程；揭示人类活动加剧条件下地下水资源量变化规律；建立人类活动条件下与区域水循环变化相联系的地下水系统演变模式，分析历史上地下水资源开发条件下区域地下水流场变化过程，为地下水演变机理研究和地下水调控研究提供理论依据。 研究内容： 本课题针对第一个关键科学问题，围绕区域地下水系统补给、径流、排泄对人类活动及区域水循环背景条件变化的响应方面开展研究，掌握区域内地下水资源的演变历史和现状，回答人类活 动对区域地下水循环的影响。主要研究内容如下： 1区域水循环要素变化规律 研究近 50 年来区域水循环要素变化，重点研究降水、蒸发、土地利用、山区水库等水利工程、地下水复合开采、地表径流变化，掌握区域水循环要素变化对华北平原区域地下水流动系统的影响，了解区域上地下水质量的分布规律，为研究人类活动对地下水数量减少与质量演变提供科学依据。 2地下水动力场特征与演变过程 研究近 50 年来区域地下水补给、径流、排泄的时空变化特征，突出这些变化与区域水循环要素变化的关系，揭示地下水补给演变规律。研究地下水动力场演变过程， 包括地表水及山前侧向补给对区域地下水流场的影响研究，突出浅层与深层地下水动力场变化和相互关系的研究等。 3区域地下水环境变化规律 依据近 50 年来华北平原地下水的开发历史与统计资料，通过水均衡计算分析浅层及深层地下水资源补 给量与开采量关系，结合区域地下水流场的变化来分析地下水质量的演变与分布规律，揭示咸水体移动规律， 定量研究人类活动对区域地下水质量的影响。 4区域地下水循环模式与模拟 对浅层和深层地下水循环结构进行研究，突出地下水动力过程中补给模式、径流模式和排泄模式的时空变异特征与机制研究，包括山区与平 原之间、河流与土壤水 浅层水之间、水库等水利工程与地下水之间、补给区浅层水与中下游深层水之间以及深层水之间的水文过程模式等，建立华北平原区域地下水流动的数值模型，利用高性能数值计算技术模拟区域地下水循环的演变过程。 经费比例： 15% 承担单位： 中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院研究生院 课题负责人： 李国敏 14 学术骨干： 侯彦林、戴福初、秦大军、黎明、张娜、王志民 15 课题 2 ： 浅层含水层结构变化与地下水补给变化机理 研究目标： 通过对人类活动影响下浅层含水层补给关键环节与影响因素的研究，确 定浅层含水层结构变化规律，分析浅层地下水补给方式、过程和强度的变化，揭示浅层地下水补给质与量的变异及其形成机理和时空演变特征，建立适于浅层含水层结构变化的地下水补给非线性模型，为区域地下水资源的演变提供理论依据。 研究内容： 本课题主要围绕第一个科学问题设立。地下水补给是决定地下水资源特征、可持续开采量以及导致地下水质量发生变化的先决或重要条件，人类活动使地下水补给模式与强度都发生了变化，因此，重点从地下水系统补给时空演变方面开展研究。主要研究内容如下： 1浅层含水层结构变化规律 研究不同开采强度下区域 地下水降落漏斗区包气带岩性、结构和厚度等的变化规律和变异特征，确定平原区不同土地利用方式与水利工程等人类活动作用下区域地下水位的时空演变模式，揭示浅层地下水流场的变化规律和变异特征，识别浅层含水层结构变化的主控因子。 2浅层地下水补排的非线性过程 研究平原区包气带厚度增厚条件下浅层地下水入渗补给与潜水蒸发的变化过程、深厚包气带非均质土层土壤水分运动机理及空间变异特征；查明不同自然条件如降水、包气带土壤岩性、浅层地层结构等变化以及不同人类活动如地下水开采、土地利用方式、水利工程与南水北调供水工程等影响下导致 的浅层地下水补排变化过程及其变异机理；确定浅层地下水补排的主要水量交换界面过程及其主控因子，建立适于包气带变厚条件下浅层含水层结构变化的地下水补给非线性模型。 3包气带溶质运移与浅层地下水水质演变 探究含水层结构变化与包气带非均质性对包气带溶质运移转化过程的影响，确定浅层地下水补给过程中包气带的污染阻滞机理及其时空变异规律，研究不同人类活动作用下包气带溶质运移时空演化特征及其对污染物运移转化的影响机制与主控因子，揭示蒸发对包气带溶质运移与浅层地下水质量演变的控制机理，确定浅层地下水补给的主要水质交换界面过 程及其主控因子，耦合浅层地下水质量演变控制过程，建立典型条件下浅层地下水水质变化模式及水质预测模型。 4区域浅层地下水补给演变机制 研究降水、不同开采条件、包气带土壤岩性、浅层地层结构、土地利用方式、水利工程与南水北调供水工程等不同变异尺度影响因素耦合作用下大尺度浅层地下水补给机理、尺度效应与转换、主控因子及其时空演化特征，揭示地表水资源、土壤水资源与地下水资源的转化机理及其时空演化规律，建立基于影响因素时空变异和多尺度耦合的大尺度浅层地下水补给计算模型。 经费比例： 17% 承担单位： 中国地质 大学（武汉）、中国地质科学院水文地质环境地质研究所 16 课题负责人： 梁杏 学术骨干： 靳孟贵、王贵玲、成建梅、杨会峰、马腾 17 课题 3 ： 深层含水层系统变异与地下水可更新能力演变机理 研究目标： 通过研究深层含水层系统结构与地下水流动系统各要素对高强度开采的响应，分析地下水位变化与水土应力重新分配的关联性，揭示越流因素变异与弱透水层压缩（地面沉降）释水的机理，探明地下水动力场和水化学场演化机制及其对地下水循环的影响，阐明深层地下水可更新能力的变化过程与趋势，为地下水合理调控的研究奠定基础。 研究内容： 本课题是围绕第一个关键科学问题设立，目的是揭示导致深层地下水可利用资源演变的含水层系统结构和地下水系统场（渗流场、应力场、化学场）的变异特征与机理。主要研究内容如下： 1水 土复合作用、地面沉降等灾害发生机理 研究水 土的物理、化学作用，以及地下水位下降后含水层结构和有关特性的变化，系统分析典型地区越流系统结构特征，研究地下水水位变化引起水动力与土应力的互馈机制；建立流固耦合模型（地下水渗流场和应力场耦合模拟）；探讨弱透水层释水与含水系统结构变化 地面沉降 渗流场之间的关联性，揭示地面沉降、 地裂缝、岩溶塌陷等地质灾害发生机理，确立引起地质灾害的应力点与地下水位的关系；提出控制地面沉降等地质灾害的地下水位临界标识，为地下水合理开发调控奠定基础。 2弱透水层越流和压缩释水机理 研究不同埋藏深度的弱透水层水理性质、含水介质结构特征及其对地下水开采的响应；分析不同结构与深度的越流系统发生越流的临界条件及越流因素的变异特征；探讨弱透水层发生压缩释水的临界压力、变形量及释水量之间的关系；研究不同含水结构的粘性 土持续压缩变形与固结释水机理，揭示开采条件下弱透水层释水与越流相互关系， 阐明浅层地下水与深层地下 水相互作用机制， 确定越流与压缩释水引起的水盐运移规律及其对含水层地下水资源组成的贡献。 3地下淡水 咸水界面（咸水体）移动与驱动机制 查明淡 咸水界面移动地区的水动力场及其相应的含水层系统结构特征；探讨淡 咸水两相流界面运移的动力学机制； 揭示弱透水层对咸水体下移的影响机理， 研究高强度开采条件下地下水两相界面流的水动力场、水化学场的演化特征及趋势；分析垂向上咸水体向下迁移规律和 平面上全淡水区与咸水区过渡区界线的演变特征；寻找控制咸淡水界面的水动力平衡点，确定淡水资源开发的最佳水位。 4复合地下水漏斗演变及 地下水可更新能力 研究高强度开采条件下，地下水均衡要素的转换机理及其对地下水流场演变和地下水降落漏斗形成的影响；分析区域地下水流系统解体向以开采为主导的新局部水流系统的演替；探讨深层地下水复合漏斗形成演变过程、特征与机制；分析流场变异引起的深层地下水侧向传输速度和传输时间的变化；探讨深层地下水可更新能力变化与趋势，为地下水资源数量与质量演变研究提供依据。 18 经费比例： 19% 承担单位： 中国地质科学院水文地质环境地质研究所、南京大学 课题负责人： 陈宗宇 学术骨干： 吴剑峰、叶淑君、韩占涛、施小清、 聂振龙、张发旺 19 课题 4 ： 人类活动条件下地下水数量和质量演变机理与趋势 研究目标： 在华北平原地下水系统演化过程与模式建立的基础上，通过识别不同人类活动方式（重点地表拦蓄、复合开采、土地利用和南水北调工程）和强度对典型区域地下水流动和水岩相互作用的影响过程；揭示地下水系统中水质水量的协同变化机理；建立地下水循环数值模型，预测人类活动干预下地下水资源量的组成、资源属性和可利用量的变化趋势，为区域地下水资源的可持续利用和有效调控提供科学依据。 研究内容： 本课题围绕第一个科学问题而设立，研究地下水资源 可利用量的组成、变化机理和趋势，重点研究不同人类活动方式与强度对区域地下水均衡和水岩相互作用的影响过程，建立地下水循环模型，进行人类活动条件干预下的地下水质与量的演变趋势预测，为组织有序人类活动进行地下水资源调控措施提供科学依据。主要研究内容如下： 1地下水资源组成变化与水均衡模式 在区域地下水循环研究的基础上，分析不同时间尺度上地下水资源组成；围绕影响水资源属性变化的重要因素 高强度持续开采、土地利用变化、地表截流、南水北调、城市扩张、全球气候变化等，确定区域地下水系统均衡模式；通过地下水资源质与量动态 特征和空间分布规律的研究，揭示地下水开采资源属性、变化与更新机制。 2地下水溶质迁移富集与水文地球化学作用机理 研究影响地下水化学成分形成作用的各种因素；分析人类活动下地下水化学成分迁移富集的时空变化规律，揭示区域地下水水质演变机理；研究人类活动过程中地下水化学成分、矿化度和类型、特殊水化学指标的空间分布规律，建立人类活动条件下地下水动力场与水化学场的耦合演变模式，分析地下水质量的演变过程与趋势。 3地下水系统数值模拟与预测 分析人类活动对地下水系统的影响，阐明区域地下水循环规律，构建地下水系统的水文地 质概念模型，结合含水层系统结构的空间分布特征，建立地下水流动与水质运移的高仿真数值模型，分析人类活动对地下水循环的影响，模拟预测区域或典型区地下水流动与水质运移的变化规律。 4华北平原地下水可利用资源量分布与变化趋势 研究 剧烈人类活动条件下 水动力场、化学场演变及咸水体移动引起的 地下水资源质与量时空变异机理；分析 地下水资源属性与人类活动及水系统参量之间的耦合关系；在（ 1） -（ 3）的研究基础上，综合研究地下水资源组成变化对地下水可利用资源量的影响，模拟分析区域地下水可利用资源量分布与变化趋势。 经费比例： 15% 承担单位： 中国地质大学（北京）、中国科学院研究生院 课题负责人： 邵景力 学术骨干： 王明玉、郭华明、胡伏生、宋小宁、王广才、芮小平、崔亚莉 20 课题 5 ： 地下水 社会经济耦合机制与评价体系 研究目标： 以华北平原农业区为重点研究对象，在充分认识变化环境下的地下水循环及水资源变化机理的基础上，研究经济、生活、生态需水变化规律，建立研究区地下水资源承载力的评价体系和评价模式，通过多情景、多目标分析，提出地下水资源承载力；通过水资源高效利用模式研究和水资源配臵理论的建立，提出实现人与地 下水和谐的地下水资源优化配臵模式，建立地下水系统、经济社会系统、生态环境系统在其运动发展过程中的相互依存与相互制约的定量关系，为地下水修复和调控方法研究提供理论基础。 研究内容： 本课题针对第二个科学问题而设，重点通过“人 地 水”互动关系的认识，研究“供 用 耗 排”参与下的地下水资源形成和转化规律。进行区域地下水与社会、地下水与经济的关系的分析。研究社会经济高速发展期地下水资源制约下的“适水”发展模式，为地下水危机识别和合理调控的研究奠定基础。主要研究内容包括： 1生态水文与地下水相互作用机理 在分 析地下水开发利用诱发的一系列地质、生态环境问题的基础上，研究不同尺度地下水系统的补给、径流、排泄条件对植被生态格局的控制及其相互影响，尤其要研究在人为作用干扰下，地下水水文过程发生变化对植被生态系统的影响。阐明水文地质条件及其变化与植被生态格局的关系。 研究地下水水文过程发生变化对植被生态系统的影响；研究包气带多重界面水分水质转换机制及其生态效应和潜水含水层物理化学过程变化的生态效应，包括土壤性质、植被生长条件土壤盐碱化程度等变化；研究不同生态系统对地下水的涵养作用以及地下水开发对生态类型变化的影响，建立地 下水 生态系统安全的指标体系，揭示生态系统与地下水系统之间的相互作用及反馈机理。 2地下水开发与经济发展相互关系 在分析现状情况的地下水系统和社会经济条件下，研究华北平原地下水系统和社会经济之间的互动关系特征，建立具有相对独立性的地下水和社会经济评价指标体系，包括社会经济系统指标和地下水系统指标。研究经济、生活、生态需水变化规律，通过建立地下水和社会经济协调发展模型 ,探讨研究地下水和社会经济系统的作用机制。 3地下水 环境 社会经济系统耦合机制 分析华北平原地下水资源社会经济生态环境互动关系；以水 量平衡为约束，模拟水资源分配、利用、消耗、转化、回归等过程，构建地下水资源循环转化关系；以可利用地下水资源和社会经济发展需求为纽带，建立地下水资源与人口工业农业系统相互制约关系；以社会经济（主要是农业开发）作为驱动因子，预测地下水资源和生态与环境系统的变化；以经济发展规模特别是灌溉农业发展规模、生态系统恢复状况为目标，重点研究人与地下水和谐的产业选择、产业布局和城市化模式。 21 4地下水资源承载力评价指标体系与模式 从华北平原的地下水资源特征、农业发展和生态与环境保护的实际出发，遵循科学性、完备性、独立性 和动态性等原则，构建具有区域特色的多层次地下水资源承载能力指标评价体系。重点考虑未来地下水资源变化、区域其他水资源变化、水资源高效利用等多情景分析与评价研究区地下水资源承载能力；在区域地下水资源承载能力计算的基础上，定量分析地下水资源承载能力影响因素的影响量级，将影响量大的因素作为区域重点调配对象，提出研究区地下水资源承载能力的调控模式和提高对策。 经费比例： 15% 承担单位： 中国科学院地理科学与资源研究所、中国地质科学院水文地质环境地质研究所 课题负责人： 宋献方 学术骨干： 张兆吉、韩冬梅 、宁有丰、张应华、张亮、严明疆 22 课题 6 ： 地下水危机临界标识与地下水资源调控 研究目标： 在以上研究内容的基础上，分析地下水位、水质和地下水开采量的环境阈值，建立地下水危机临界标识指标体系。综合考虑社会经济、气候变化、突发事件、地下水环境效应和南水北调实施等，预测和评价未来年份地下水危机状况，论证地下水对华北地区供水安全的保证程度，提出“地下水复合漏斗”修复与控制方法，构建地下水资源调控的技术方法与理论体系。搭建地下水资源调控平台，并运用该平台实时提供保证该地区供水安全的地下水可持续开发利用模 式和方案。 研究内容： 本课题主要针对第二个科学问题设立，在上述 5 个课题研究基础上，重点通过地下水系统危机临界识别与地下水调控技术方法和理论体系的研究，通过地下水仿真模拟和预测，构建地下水资源调控平台，达到地下水资源合理调控和可持续开发利用的目的。主要研究内容包括： 1地下水系统危机临界识别指标体系 在研究地下水系统危机形成机制及其与地下水位、水质定量关系的基础上，建立该地区地面沉降、岩溶塌陷、海水入侵、湿地退化、土壤盐渍化等地质和生态环境问题出现的临界点识别评价理论与临界值，确定含水层涵养与安全调控的地下水位阈值。 2极端气候条件下地下水危机状态预测 运用气候学模型预测华北地区中长期气候变化趋势，并分析识别其中的极端气候条件及其对地下水均衡要素的影响。另外，通过近百年大气降水观测资料的分析，确定极端和连续干旱以及丰水出现的频率和极端值。运用场景分析法，将不同极端气候条件及降水场景带入到华北平原三维地下水流模型，模拟和预测各种场景下的地下水流场和动态中长期变化趋势，评价不同时期和场景下地下水危机状态，为该地区供水安全提供科学决策依据。 3地下水资源调控技术方法与理论体系 在地下水系统危机临界识别指标 体系和危机状态预测评价研究的基础上，综合评价地下水的资源、环境功能，结合华北平原气候变异、突发事件以及典型城市和典型地下水利用区的需水特点，运用三维地下水流模型及相关的地下水 环境模型，深入论证地下水可持续利用的保障能力、地下水应急供水能力、地下水系统危机的预警预报、地下水调蓄和恢复能力，研究深、浅层地下水安全保障的战略、模式和对策。在此基础上，以地下水资源可持续开发与环境保护、经济发展相协调为原则，以地下水安全阈值为约束，充分考虑地表水 南水北调水 地下水的联合调度、地下水调蓄和恢复等措施，将地下水流模型 、地下水 环境模型与优化模型耦合，建立以保证华北地区供水安全为总目标的地下水优化配臵多目标管理模型。运用层次分析法等综合评价方法，从供水安全保障、地下水的经23 济效益和环境影响、地下水的储蓄和恢复等多方面，对多个给定条件下的地下水控采方案进行综合评价。通过该研究，试图建立我国缺水地区地下水资源调控技术方法与理论体系。 4地下水资源调控平台构建与可持续开发利用模式 运用数据库和地理信息系统技术，建立“华北平原地下水资源基础数据库及其合理利用调控平台构建”，实现项目基础数据的规范和共享、地下水开采方案的实时调控和 评价以及成果的可视化表达。该平台主要由地下水及其环境数据库、地下水系统仿真模型库、交互式管理模型库和专家系统、地下水及其环境现状及优化决策方案成果的三维可视化表达等组成，除具有一般数据库的功能外，主要将本项目的各种地下水模拟模型、管理模型、地下水 环境模型、综合评价模型等整合到平台之中，并实现地下水系统及其环境状态的实时预报预警、综合评价和管理。以水资源 环境 社会经济协调发展为原则，综合考虑南水北调、极端气候、经济发展等因素，通过运行该平台，给出保证地区供水安全、地下水养蓄与恢复的地下水可持续开发利用模式 ，为华北地区地下水的合理开发利用和区域发展规划提供参考依据。 经费比例： 19% 承担单位： 中国地质科学院水文地质环境地质研究所、中国地质环境监测院 课题负责人： 石建省 学术骨干： 李文鹏、张永波、郑跃军、殷秀兰、孙继朝、高存荣、吴爱民 24 （六） 各课题间相互关系 根据关键科学问题和研究内容，本项目共设置 6 个课题（图 3）。 设置 思路是以地下水演变为主线，以地下水调控为目的，紧密围绕两个关键科学问题，构成互相依托的整体，并具有多学科综合和交叉的特点。其中：课题 1 至课题 4主要针对“地下水系统结构 变异与地下水资源演变机制”这一科学问题而设，通过该 4 个课题的研究，实现发展和完善人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论这一科学目标；课题 5 和课题 6 针对“地下水资源开发 环境变化 经济发展协调机制”这一科学问题而设，科学目标是建立地下水调控与修复理论体系。课题 设置 与关键科学问题、主要研究内容、科学目标的关系及各课题间的有机联系见图 4。 地下水系统结构变异与地下水资源演变机制人类活动条件下区域地下水系统响应含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理课题 1: 人类活动条件下区域地下水系统响应经济发展环境友好工程安全国家目标地下水调控与修复理论体系课题 2 ： 浅层含水层结构变化与地下水补给变化机理课题 3 ： 深层含水层系统变异与地下水可更新能力演变机理课题 4 ： 人类活动条件下地下水数量和质量演变机理与趋势地下水资源开发 - 环境变化 - 经济发展协调机制环境、经济约束下的地下水调控课题 6 ： 地下水危机临界标识与地下水资源调控地下水 - 环境 - 社会经济耦合机制与评价体系课题 5 ： 地下水 - 环境 - 社会经济耦合机制与评价体系人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论科学问题 研究内容 课题设置 科学目标地下水系统结构变异与地下水资源演变机制人类活动条件下区域地下水系统响应含水层系统结构变异与地下水可利用资源变化机理人类活动条件下区域地下水系统响应经济发展环境友好工程安全国家目标经济发展环境友好工程安全国家目标地下水调控与修复理论体系： 浅层含水层结构变化与地下水补给变化机理： 深层含水层系统变异与地下水可更新能力演变机理： 人类活动条件下地下水数量和质量演变机理与趋势地下水资环经济发展协调机制环境、经济约束下的地下水调控： 地下水危机临界标识与地下水资源调控社会经济耦合机制与评价体系： 地下水 环境 社会经济耦合机制与评价体系人类活动影响下地下水系统演变及相关环境变化的基础理论科学问题 研究内容 课题设置 科学目标图 3 各课题间的联系以及与项目研究内容和预期目标的关系 25 四、年度计划 第一年度（ 2010 年）： 研究内容： 1、 梳理项目组已有研究资料，针对项目各研究内容制定 资料准备计划并进行收集； 2、 对重点典型地区开展野外调查。 开展室内大厚度非饱和带实验设备研制和安装调试、大田试验选点和仪器设备安装调试； 3、 典型研究区非饱和带土壤 放人工示踪剂，开展典型地区降水、灌溉水、地下水和土壤水监测。 4、 针对咸水面分布、深层弱透水层压缩等问题进行深层地下水和土体样品采集。 5、 开展地下水模拟平台的建设，编制和修改适于小型机并行计算的高精度地下水流模拟程序。 6、 分析华北平原过去 50 年来的地下水与相关环境演变过程、华北平原不同区域地下水、地质环境和社会经济空间分布特征、历史 时期华北平原极端气候条件。 研究目标： 1、建立华北平原地下水及其环境问题数据库和查询、统计、共享平台