自流井是一种常见的水文地质现象,通常认为成因是承压含水层的水头高出地表,即受“地质控制”。近几十年的研究表明,在潜水盆地中,受随地形起伏的潜水面控制,排泄区的深层地下水水头也可以高出地表,从而发育自流井,即自流井受“地形控制”[Freeze and Cherry,]。在野外调查中还发现,自流区的分布范围及自流井的水头存在明显的季节性变化。然而,人们对潜水盆地自流区分布规律的认识还一直处于定性阶段,一直缺少自流区分布范围与地形起伏、潜水面起伏及潜水含水层渗透结构之间关系的定量认识。
针对该问题,中国地质大学(北京)博士生王俊智在导师万力教授、蒋小伟副教授的指导下引入潜水面“相对起伏”因子(潜水面高程与地面高程的比值),建立了盆地地形起伏与潜水面分布的定量关系,并定义了自流水头的概念,推导得到了渗透性随深度衰减及各向异性条件下盆地自流水头空间分布的解析表达式,定量研究了盆地自流状况与盆地深宽比,潜水面“相对起伏”因子和渗透系数的各向异性比和随深度衰减系数的关系。
研究表明,河谷附近自流水头大于0,为自流区,而分水岭附近自流水头小于0,为非自流区,自流水头等于0的等值线为自流区和非自流区的分界线。在潜水面“相对起伏”因子等于1,即潜水面与地形完全重合的理想情况下,自流区与非自流区各占一半,分别对应排泄区和补给区;在潜水面“相对起伏”因子小于1的普遍情况下,自流区范围小于排泄区,存在排泄区浅层为非自流区而深层为自流区的现象,离河谷越远,自流区的临界深度越大;随着潜水面“相对起伏”因子的减小,自流水头及自流区范围都显著减小。此外,随着渗透性随深度衰减系数的增大,补给区不同深度的自流水头减小,补给区不同深度的自流水头增大,自流区的临界深度增大;随着各向异性的增大,补给区不同深度的自流水头增大,补给区不同深度的自流水头减小,自流区的临界深度减小。
上述成果发表于国际著名水资源期刊《Water Resources Research》上:Wang, JZ., Jiang, XW., Wan, L., Wörman, A., Wang, H., Wang, X.-S., Li, H., 2015. An analytical study on artesian flow conditions in unconfined-aquifer drainage basins. Water Resour Res, 51(10): 8658-8667. [IF=3.549]