地处华北平原的京津冀地区是我国经济高质量发展的重要引擎，也是我国水资源供需矛盾最为严重的地区之一，水资源总量仅占全国的1.7%，人均水资源占有量不足300立方米/年，不到全国的1/6，却维持了该区域过去几十年经济社会的高速发展。这些成就主要靠长期超量开采地下水实现，其超采量和超采程度在全国都是最突出的，特别是作为战略和应急备用水源的深层承压水超采更为严重，致使地下水补排严重失衡，引发了大面积地下水降落漏斗、咸淡水界面下移、水质恶化等环境地质问题，地下水资源的枯竭严重影响了经济社会的可持续发展。

近年来，为加快构建国家水网，国家先后实施南水北调和引黄入冀补淀等一批跨流域调水工程，极大缓解了华北平原日益突出的水问题。与此同时，为有效遏制地下水水位持续下降的趋势，2014年河北省在全国率先开展地下水超采综合治理，通过采取关井压采、替代水源、节水灌溉、中水利用等措施，逐步削减地下水超采量，以期实现采补平衡，从而修复和涵养地下水资源。在外调补充水源和地下水超采治理等多重利好影响下，京津冀地区地下水超采总体呈现缓解态势，地下水位的止跌回升带来了区域水生态环境研究的新挑战。

郝永红教授聚合国内外学者组成的地下水研究团队，以我校特聘教授亚利桑那大学的叶天齐教授和他的博士后刘飞博士为骨干成员综合运用水文观测、水力层析、数值模拟等多学科方法，围绕新形势下华北平原典型超采治理区的水资源演化关键科学问题开展了多学科交叉研究，在大尺度盆地水力参数反演、边界条件识别、水循环演变规律等方面取得了一系列高水平原创性研究成果，并在国际顶级学术期刊上发表。

（1）提出基于水力层析技术的大尺度地下水盆地水力参数反演方法

大尺度盆地地下水水流和溶质运移模拟的精度，很大程度上依赖于区域水文地质参数反演的准确性。如何高效刻画大尺度地下水盆地水力性质的空间异质性，是长期困扰国内外地下水专家和学者的科学问题。基于水力层析技术，创新提出了一种盆地尺度水力层析扫描的方法。该方法将华北平原地下水大规模减采产生的不同地点含水层响应信息视为盆地尺度上的水力层析扫描，其能够有效识别区域导水系数和储水系数的非均质性特征（图1）。与传统抽水试验方法相比，这种新颖的盆地尺度含水层特征化方法，基于水力层析理念，只需要收集华北平原地下水压采背景下现有井的地下水开采量和观测数据，省去了额外的打井和时间人力成本，可以准确反演盆地尺度水文地质参数的空间分布，具有显著的经济和社会效益。

具体来说，伴随着华北平原不同位置地下水开采井的轮换/间歇性开采/停采/恢复开采的现象，不同地方的地下水观测井收集到的含水层信号必然表现为时间变化的特征，其携带有不同开采井和观测井之间非冗余的非均质性信息。华北平原地下水监测网络相对成熟，可以为大尺度含水层非均质性表征提供大量的地下水观测成果数据。2014年河北省启动地下水超采综合治理行动后，不同地区的地下水压采会对区域含水层施加不同的刺激，产生的海量地下水监测数据为表征盆地尺度含水层非均质性提供了可行且难逢的机会。此外，准确的地质分区信息作为先验知识可以明显改善水文地质参数的估计效果。总之，将地下水减采引起的含水层响应数据引入到水力层析扫描研究，会成为盆地尺度含水层非均质性成像的新范例。此项重要研究成果已经发表于水资源领域国际顶级期刊Journal of Hydrology，见参考文献[1] 

（2）提出准确识别大尺度地下水盆地边界条件的新方法

边界条件概化与处理的好坏直接关系到地下水水流及溶质运移模型是否合理和结果的精确度。团队成员提出一种准确识别地下水盆地边界条件的创新方法。通过利用水力层析（Hydraulic Tomography，简称HT）技术反演识别比真实地下水盆地更大尺度区域上异常高渗透性和低渗透性地层的空间分布，可以准确识别地下水盆地的水头边界和隔水边界。结果表明，在大尺度地下水盆地边界条件识别和非均质性刻画方面，HT扫描比传统的多个同时井群抽水试验拥有明显的优势。此外，稳定状态下的HT反演比非稳定HT调查更能准确捕获真实的边界条件。得益于边界条件识别的准确性，稳态HT比非稳态HT参数反演效果更好（图2）。该方法解决了大尺度地下水盆地边界条件识别的科学问题，高效反演了盆地尺度水文地质参数的空间分布，显著提高了地下水水流和溶质运移的预测精度。此项重要创新成果已经在水资源领域顶级期刊Water Resources Research上发表，见参考文献[2]。

图2 稳态HT捕获到的边界条件（a 白线为水头边界，黑线为隔水边界），以及三个应力期的地下水观测流场（b-d）

（3）提出水力层析扫描研究中监测数据时间采样的有效方法

面对大尺度盆地含水层水力参数反演计算成本高的问题，迫切需要查明如何提取海量观测数据中的有效信息以用于含水层非均质性刻画。基于水力层析技术，结合华北平原地下水大规模减采所产生的含水层响应信息，提出HT扫描中海量监测数据优化选取方法，并明确了流量数据在参数反演中的有效性问题。通过对比不同时间采样方法下的参数反演结果，发现只需要选择抽水试验早期、中间过渡期和末期的代表性水位观测数据用于参数反演，就可以保证HT参数估计的精度，并且大幅度减少了计算成本。对于传统抽水试验来说，水位和流量数据共同反演的参数效果明显优于水位数据单独反演的参数。然而，流量监测对HT参数反演的贡献很小。结果表明，与传统抽水试验相比，HT方法更能准确地估计水文地质参数的空间分布（图3）。该研究成果可以优化野外水力层析扫描研究方案的设计，更加智慧有效地去收集野外监测数据，节省大量时间和人力成本。此重要成果发表于水资源领域国际权威期刊Hydrological Processes，见参考文献[3]。

图3 传统抽水试验与HT方法水位数据单独反演（a，c），以及水位和流量数据共同反演（b，d）得到的导水系数T估计值的不确定性分布

研究团队取得的这些成果填补了“华北平原压采条件下地下水动力场与化学场演化过程”的知识空白，将对本学科领域的发展产生重要的推动作用，对于指导华北平原地下水可持续开发利用及环境保护具有重要意义，为京津冀地下水资源、经济、社会的高质量可持续发展提供了强有力的支撑。

基于郝永红教授团队的高质量成果，他们与中国地质调查局水文地质环境地质研究所，以及中国地质环境监测院共同申请并获批国家自然科学基金的地质联合基金重点项目：“京津冀平原区水循环关键通量时空变异与水平衡响应机制”，研究期限2023年1月-2026年12月，项目批准号U2244214，总经费244万元。本次获批的项目针对京津冀经济与社会发展过程中产生的水资源问题进一步深入研究，项目的实施势必会带动我校在该领域研究水平的提高，为京津冀经济与社会发展中产生的水资源问题提供解决方案。

参考文献

[1]         Fei Liu（刘飞）, Tian-Chyi Jim Yeh（叶天齐）, Yu-Li Wang, Yonghong Hao（郝永红）, Jet-Chau Wen, Wenke Wang. 2020. Characterization of basin-scale aquifer heterogeneity using transient hydraulic tomography with aquifer responses induced by groundwater exploitation reduction. Journal of Hydrology 588 (2020) 125137.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125137.

[2]         Fei Liu（刘飞）, Tian-Chyi Jim Yeh（叶天齐）, Yu-Li Wang, Xianfang Song, Xiaohui Lei, Jet‐Chau Wen, Wenke Wang, Yonghong Hao（郝永红）. 2020. Potential of Hydraulic Tomography in Identifying Boundary Conditions of Groundwater Basins. Water Resources Research, 56, e2020WR028331. https://doi.org/10.1029/2020WR028331.

[3]         Fei Liu（刘飞）, Tian-Chyi Jim Yeh（叶天齐）, Xianfang Song, Yu-Li Wang, Jet-Chau Wen, Yonghong Hao（郝永红）, Wenke Wang. 2021.Temporal sampling and role of flux measurements for subsurface heterogeneous characterization in groundwater. Hydrological Processes 35:e14299. https://doi.org/10.1002/hyp.14299.