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Hydrodynamics Modelling & Environmental Remediation Research Group

水动力过程模拟与环境修复研究团队

课题组在《Water Resources Research》发表论文评估非均质性对含水层储存与回采的影响
来源: | 作者:myan | 发布时间: 2022-06-17 | 81 次浏览 | 分享到:

      近日,本团队在含水层储存与回采研究领域取得重要研究进展,相关成果以论文“Impacts of heterogeneity on aquifer storage and recovery”发表在水资源领域顶级期刊《Water Resources Research》上。17级直博生李宏凯为论文第一作者,其导师鲁春辉教授为该论文的通讯作者。(论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021WR031306


      含水层储存与回采(Aquifer Storage and Recovery,简称ASR)是指在丰水季节通过注水井或渗水池将富余的淡水回灌入地下含水层中,在枯水季节用水需求超过水资源供给能力时将其回抽使用的水资源地下调蓄技术(见图1a)。评价ASR工程效果的重要指标之一是淡水回采率。该指标受到由水动力弥散主导的注入水与原位水间的混合(使混合带扩宽)以及注入水与原位水间密度差驱动的自由对流(使混合带倾斜)的影响。以往对ASR系统中含水层非均质性考虑多基于渗透系数的简单分层假设,忽略了天然含水层渗透系数的小尺度变异性对混合过程的影响(见图1b)。


图1. (a)均质含水层中的ASR过程; (b)非均质含水层中的ASR过程


      针对上述问题,本文采用随机水文地质学方法,考虑服从多元高斯分布的对数渗透系数场和渗透系数极值区域之间的连通特征(见图2a2-a5)。应用基于变密度地下水流和平流弥散溶质运移的蒙特卡洛数值模拟,探究在多周期和变密度条件下,具有不同方差、相关长度、各向异性和连通特征等的含水层非均质性对地下水流、咸淡水混合以及淡水回采率的影响机制

图2. 不同方差和连通特征条件下,首个ASR周期注入阶段结束时的水头、流场和盐浓度分布


      研究结果表明,含水层非均质性通过使淡水羽流发生空间变异增强了咸淡水混合,并在回采阶段使咸水羽流的多个前缘侵入两用井,从而降低淡水回采率。更高变异程度的非均质性或各向异性的存在会进一步降低回采率,而相关长度的放大可使回采率提高。高渗透系数区域连通特征在多个连续ASR周期内强化咸淡水混合,从而降低回采率,而低渗透系数区域连通特征的作用与之相反。非均质性和密度效应对ASR系统的影响具有相互抗衡的关系。研究成果为理解ASR系统中的水盐运移规律提供重要的理论基础和科学依据,对咸水环境中多周期ASR系统的工程效果评估具有重要的实践与指导意义。