地表水與地下水相互作用下雙層包氣帶水分運移機制研究

本課題以半乾旱地區水資源保障功能重要的北京市郊為研究區。針對該區域包氣帶土壤水分高度時空變化特性和存在的灌溉農業節水問題，採用傳統野外觀測、室內實驗和3S高新技術手段，獲取多尺度水文土壤參量信息,構建雙層包氣帶水流模型，進行地表水-雙層包氣帶水-地下水耦合數值模擬分析，系統深入研究包氣帶水分運移機制。通過基於機制認識的定量研究，揭示在地表水和地下水相互作用下包氣帶土壤水分運移規律及其動態特徵，以及揭示與此密切關聯的灌溉水補給地下水、蒸散發和徑流等重要水文過程的響應特性及變化規律。預期通過對包氣帶的分層刻畫建立一種對包氣帶水分運移規律系統研究的新方法，為提高該區域農業灌溉用水的有效利用率提供科學理論依據，並對評價區域水資源系統、科學制定合理灌溉制度具有現實應用價值，有助於解決地下水補給機制、徑流分析、土壤改良等一系列理論和實際問題，同時對實現該區域農業節水有一定的理論指導作用。

重要進展:建立了雙層包氣帶土壤水分運移模型，揭示了地表水和地下水相互作用下包氣帶土壤水分運移規律及其動態特徵。建立了基於雙層包氣帶水分運移機制的地表水-地下水耦合模型。本人提出的Two Layer Vadose Zone創新理論，使得該集成模型考慮包氣帶土壤水分運移規律時，物理機制更趨完善，從而更好地描述地表水-地下水相互作用過程。通過基於機制認識的定量研究，揭示了在地表水和地下水相互作用下包氣帶土壤水分運移規律及其動態特徵，以及揭示了與此密切關聯的灌溉水補給地下水、蒸散發和徑流等重要水文過程的響應特性及變化規律。通過對包氣帶的分層刻畫建立一種對包氣帶水分運移規律系統研究的新方法，並對評價區域水資源系統具有現實應用價值，有助於解決地下水補給機制、徑流分析、土壤改良等一系列理論和實際問題。通過地表水-地下水耦合模型量化近30年來人類活動對媯水河流域產生的直接與間接影響。結果顯示：人類活動的間接影響使徑流量增加，汛期（6月—8月）增加顯著，增幅達34.67%。另外，漲水與退水過程明顯加快，徑流分配趨於不均勻。人類活動的直接影響使徑流量大幅度降低，平均徑流係數下降了87%以上。漲水和退水過程基本消失，徑流量分配趨於均勻。因此，在媯水河流域，人類活動的間接影響使流域涵養水源能力下降，易發生洪澇和乾旱。人類活動的直接影響增加了降水的利用率，減少了洪澇和乾旱。 學術成果：(1)本項目已在國內外核心期刊發表署名本課題資助的高水平學術論文共23篇，其中SCI論文8篇（含SCI收錄期刊文摘3篇），EI論文13篇；(2)出版專著一部；(3)國際和國內學術會議專題報告或講座9人次；(4)培養碩士生7名;(5)在本項目研究成果的基礎上，本課題組組長張靜研究員中標國家自然基金青年-面上連續項目1項，並得到國家自然科學基金委國際（地區）合作與交流項目2項支持（均已結題）；並得到北京市科技新星項目資助。 ^[1]