当前位置:首页新闻动态新闻动态

环境学院匡星星课题组在地下水研究方面取得系列研究成果

2020-08-17

      南方科技大学环境科学与工程学院匡星星副教授课题组近期在国际水资源领域期刊Journal of Hydrology,Hydrogeology Journal,和European Journal of Soil Science 等上连续发表5篇论文,报道其在地下水动力学、包气带水文学以及青藏高原冻土研究中取得的最新进展。

      贮水率(specific storage)是非稳定地下水流与溶质运移数值模拟以及水资源管理中的核心参数之一。匡星星课题组对含水层的贮水率进行了一项系统的综述。该综述详细总结了野外获取贮水率的试验方法并收集了文献中的贮水率数据。基于收集的世界范围内185个场地的贮水率值,获得了各种岩性含水层贮水率的变化范围,并将贮水率与渗透系数、孔隙度以及含水层厚度等参数进行了相关分析。该论文还给出了不同野外估计贮水率的方法的比较以及未来的研究方向。基于该项研究成果,在没有野外实测数据的情况下,将可以对不同含水层岩性的贮水率值进行一个粗略的估计,并可对地下水流与溶质运移数值模型中贮水率参数值的合理选取提供参考。

图1. 不同岩性含水层贮水率值的变化范围

 

      在包气带中进行地下水流与溶质运移数值模拟时需要两个基本的水力参数:土壤水分特征曲线和相对渗透系数。相对渗透系数通常基于土壤水分特征曲线进行预测,文献中使用得最多的是VGM模型。但已有数据表明该模型倾向于低估土壤的相对渗透系数。匡星星课题组对VGM模型进行了修改,修改的VGM模型消除了低估相对渗透系数的现象,提高了模型与实测数据的吻合程度。修改后的模型简单实用,且修改后的土壤水分特征曲线和相对渗透系数仍都是连续光滑函数。修改的模型将有助于提高包气带地下水流与溶质运移数值模拟的精度,使数值模型能给出更加可靠的结果。

图2. 实测的与模型计算的土壤水分特征曲线与相对渗透系数的比较

 

      已有研究表明,地层的孔隙度随深度衰减。匡星星课题组提出了一个新的孔隙度随深度衰减的模型,并将该模型与实测数据进行了对比,发现新模型能够较好地拟合实测数据。该模型可以用于描述整个地壳厚度上的孔隙度随深度的变化,并能同时运用于描述陆壳、洋壳以及松散沉积物的孔隙度随深度的衰减。该模型可用于溶质运移数值模拟以及油藏数值模拟中。

图3. 模型与实测孔隙度的对比

 

      在全球气候变化的影响下,青藏高原的冻土正在发生退化。在青藏高原气候变暖的背景下,匡星星课题组模拟了青藏高原冻土的分布并计算了冻土的最大融化深度。基于模拟结果,将青藏高原的冻土分为季节性冻土区、变化区以及永久冻土区,发现青藏高原的冻土在1982-2012年间发生了显著的退化,大片的连续永久冻土退化为不连续的块状冻土。该项研究还分析了降雨、气温与最大融化深度对NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)的影响,发现降雨对青藏高原NDVI的影响最大,最大融化深度与气温对NDVI的变化影响较小。说明降雨可能是影响青藏高原植被变化的主要因素。

图4. 青藏高原冻土的变化。(a)-(e)冻土与季节性冻土在不同时期的变化;(f)冻土与季节性冻土在不同时期的面积变化。

 

      在地下水资源保护和含水层污染修复中,计算井中污染物的捕获时间(capture time)是非常重要的。虽然在应用中非完整井更加普遍,但是目前还没有计算非完整井中捕获时间的解析解。基于半无限含水层的假设,匡星星课题组与成都理工大学夏强博士合作推导了一个计算非完整井污染物捕获时间的解析解。

图5. 半无限含水层中非完整井井流示意图

 

      在上述5篇论文中,匡星星副教授均为第一作者、通讯作者或者共同通讯作者。第3和第4篇论文第一作者分别为南方科技大学环境科学与工程学院科研助理陈坚鑫和博士后冯雨晴。第5篇论文第一作者为成都理工大学夏强博士。

      以上研究得到了国家自然科学基金(91747204)、广东省土壤与地下水污染防控及修复重点实验室(2017B030301012)、国家环境保护流域地表水-地下水污染综合防治重点实验室、中科院战略性先导科技专项(XDA20060402)以及香港研究资助局(HKU17304815)等的支持。

 

相关文章链接:

1. Kuang, X., Jiao, J. J.*, Zheng, C., Cherry, J. A., & Li, H. (2020). A review of specific storage in aquifers. Journal of Hydrology, 581, 124383.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124383
2. Kuang, X. *, Jiao, J. J., Shan, J., & Yang, Z. (2020). A modification to the van Genuchten model for improved prediction of relative hydraulic conductivity of unsaturated soils. European Journal of Soil Science.
https://doi.org/10.1002/EJSS.13034
3. Chen, J., Kuang, X.*, Jiao, J. J., & Zheng, C. (2020). A new empirical porosity-depth model for Earth's crust. Hydrogeology Journal.
https://doi.org/10.1007/s10040-020-02214-x
4. Feng, Y., Liang, S.*, Kuang, X.*, Wang, G., Wang, X.-S., Wu, P., Wan, L., & Wu, Q. (2019). Effect of climate and thaw depth on alpine vegetation variations at different permafrost degrading stages in the Tibetan Plateau, China. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 51(1), 155–172.
https://doi.org/10.1080/15230430.2019.1605798
5. Xia, Q., Kuang, X.*, Zhan, H.*, Xu, M., Wang, S., & Fan, S. (2020). Analytical solution of capture time to a partially penetrating well in a semi-infinite aquifer. Journal of Hydrology, 580, 124233.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124233