南科大梁修雨课题组Water Resources Research：非饱和带对地下水动力过程影响机制方向系列研究成果

理解流域径流对降水的响应是水文科学研究的重要任务，不仅能反映降水模式，还能揭示流域的水文特性。然而，传统模型在研究这一关系时，往往忽略或简化了非饱和带的作用。作为连接地表与地下水流的重要过渡区域，非饱和带的储水能力和水分迁移特性对流域水文信号的传播具有显著影响。该研究通过构建考虑地表径流、非饱和带渗流及地下水流的耦合模型（图1），深入分析非饱和带对流域水文过程的影响。研究采用谱域分析方法，推导了降水与径流之间传递函数的解析解，并通过数值模拟与传统模型的对比得到了验证。

图1 （a）流域水文过程；（b）概念模型

图2 不同相对水力传导指数（αk）和非饱和带厚度的降水-径流和入渗-基流传递函数（黑色虚线表示没有考虑非饱和带的传统模型）

团队研究发现，非饱和带的水力特性对传递函数具有重要影响。传递函数的幅值显著受非饱和带水分特征曲线中的相对水力传导指数（αk）的影响（图2）。较大的 αk值会降低传递函数的幅值，表明非饱和区对水文信号的过滤作用更强。此外，较厚的非饱和带会在高频范围内进一步降低传递函数的幅值。这表明，传统忽略非饱和带影响的模型可能高估高频信号的传递能力，不能合理地描述径流对降水的响应。本研究开发的模型应用于美国爱荷华州四个流域。理论传递函数较好地拟合了实测数据（图3），并成功对流域的水力参数进行了合理估算。

图3 本研究开发的转换函数与爱荷华州四个流域实测数据的对比

研究团队通过考虑非饱和带的影响，提出了一种更为合理的模型来分析流域水文行为，并有助于流域水文参数的估算。该模型能够更好地描述径流对降水的响应，对于理解和预测流域水文循环、改进水资源管理和洪水预警系统具有实际意义。研究成果以“Spectral analysis of hydrological signals to estimate watershed properties considering impacts of unsaturated zone”为题发表在 Water Resources Research 期刊上。南方科技大学为本论文第一单位，环境科学与工程学院2023级博士生周韵秋为论文第一作者，梁修雨为通讯作者。合作单位包括美国爱荷华大学、中国海洋大学、南京大学及宁波东方理工大学。本研究得到了国家自然科学基金，深圳市高等院校稳定支持计划面上项目的支持。

固体潮是由于地球、月球和太阳之间的引力作用引起的周期性地壳形变，进而导致地下水位发生波动。这一现象不仅能反映含水层的动态特性，还为估算关键水文参数（如渗透系数）提供了科学依据。然而，传统模型在分析地下水对固体潮响应时，往往忽略了非饱和带的作用。研究团队发现，作为连接地表与地下的重要过渡区域，非饱和带的水分特性和毛细力显著影响地下水对固体潮的响应（Liang et al., 2022; Zhang et al., 2023）。此外，含水层非均质性是土壤及岩石的固有特性，尤其是在较厚的含水层中，孔隙率和渗透系数随深度的递减效应普遍存在。这一特性通常被传统模型忽略，导致传统模型的普适性受限制。

图4 固体潮驱动下的非饱和-饱和流以及含水层中随深度变化的渗透系数

针对这个问题，研究团队构建了一个考虑非饱和带和渗透系数随深度衰减的解析模型，系统探讨了它们对地下水固体潮响应的影响。模型通过将 Richards 方程应用于非饱和带，并结合饱和带的地下水流动方程（图4），推导出固体潮引起的水位振幅比和相位差的解析解。研究采用数值模拟验证了模型的准确性，并将其应用于实际观测数据。

图5 不同渗透系数衰减速率影响下水头潮汐响应的振幅比（a）和相位差（b）

研究结果表明，随着渗透系数随深度减小，含水层中固体潮响应的振幅比增加而相位差减少，非饱和带对潮汐响应的影响被限制于含水层中的浅层区域（图5）。由于忽略含水层中渗透系数的衰减，传统模型会过低估计振幅比，过高估计相位差。该模型应用于实际场地数据时可以有效解决此问题，准确估计含水层中渗透系数随深度衰减的情况（图6）。

图6 现场钻孔的基本信息：（a）位置；（b）岩性图；（c）井试验获得的不同深度的渗透系数与本模型估算的渗透系数对比

该研究拓展了传统固体潮模型的适用范围，强调了非饱和带在地下水动力过程中的关键作用，为更好地理解地下水在非饱和-饱和系统中的动态行为提供了理论基础。研究成果以“Impact of depth-dependent heterogeneity in aquifers on the response of unsaturated-saturated flow to Earth tides”为题发表在 Water Resources Research 期刊上。南方科技大学为本论文第一单位，环境科学与工程学院2024级博士生王国梁为论文第一作者，梁修雨为通讯作者。合作单位包括美国加州大学伯克利分校及核工业北京地质研究院。本研究得到了国家自然科学基金，深圳市高等院校稳定支持计划面上项目的支持。

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https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023WR036680