自然界中,由砂砾等颗粒材料构成的含水层渗透性好,蕴藏着丰富的地下水资源。随着经济的快速发展,人类对水资源的需求持续增加,地下水被大量开采,同时人类活动释放出的各种污染物进入地下水环境中,导致地下水补、径、排条件的改变,造成一系列严重的环境问题。如地下水超采,地下油罐泄漏出有毒烃类化合物,农业中大量施用氮肥等。更严重的是,由于地下水资源的开发利用缺乏统一有效的管理,进一步加剧了用水矛盾,危及社会经济的可持续发展。如何测定含水层介质的微观结构和性质?污染物在地下水中的迁移会受到哪些因素的影响?如何准确识别地下水污染源?可以采取哪些措施保护地下水环境?地下水超采会导致地下-地表水之间的联系发生哪些变化?如何挽救濒临枯竭的地下水资源,实现可持续利用?这些都是迫在眉睫的问题。本文首先对以颗粒介质为代表的多孔介质含水层的微观结构进行了研究,开发了一种新的高精度可见光微观成像技术(light transmission micro-tomography,LTM)来精确测定二维半透明多孔介质的性质,并通过相对梯度误差(relative gradient error,εig)来确定材料的典型单元体(representative elementary volume,REV)尺度。然后基于BC模型提出了一种新的相对渗透率模型(relative permeability-saturation model,RPM)来模拟重非水相液体(dense non-aqueo us phase liquids,DNAPLs)在二维多孔介质含水层中的长期复杂迁移过程。接着,对中尺度场地建立地下水中BTEX(Benzene,Toluene,Ethyl-Benzene,Xylene)的反应迁移模型,用遗传算法识别地下油罐泄漏的污染源。为了提高用于求解地下水优化问题(如污染源识别、地下水开采方案优化)的智能算法的效率,开发了一种新型的谐振子遗传算法(harmonic oscillator genetic algorithm,HOGA)。最后,尝试对大尺度复杂流域开展数值模拟应用研究:对新疆焉耆中东部盆地,建立地下水-地表水耦合模型来研究地下水超采对地下水-地表水之间水力联系的改变及由此带来的一系列资源和环境问题;对华北平原石家庄市建立了地下水中氮的反应迁移模型,并以水质约束条件建立了相应的地下水资源优化管理模型来提高华北平原地下水资源利用的可持续性。综合本文的研究内容,主要取得了以下创新性的研究成果:(1)首次用可见光实现了对半透明颗粒材料的性质的准确测定。开发的可见光微观成像技术(light transmission micro-tomography,LTM)可快捷、经济、高效地测定半透明材料的性质,在材料微观结构测定方面跨出了重要的一步。实验研究结果表明颗粒材料的非均质性是广泛存在的,即使同一种粒径的半透明石英砂内部也是非均质的,实验中半透明石英砂材料REV最小尺度为0～12.0mm,平均为10.0mm,接近高斯分布。(2)首次基于LTM对DNAPL在多孔介质含水层中的长期复杂迁移过程进行了准确模拟。研究中用LTM精确测定二维半透明石英砂的性质,并在BC模型的基础上提出了一种新的相对渗透率模型(relative permeability-saturation model,RPM)来模拟四氯乙烯(perchloroethylene,PCE)在二维半透明石英砂中的长期迁移过程。结果表明,PCE的迁移会受含水层介质非均质性和PCE的相对渗透率的影响,基于LTM和RPM技术的数值模型在整个校正期、检验期和验证期中都很好地刻画了 PCE迁移的长期行为。(3)用遗传算法对地下油罐泄漏区污染源进行了自动识别。对中尺度场地建立了BTEX在地下水中的反应迁移模型,并用遗传算法识别了污染源。为了提高对地下水优化问题的求解效率,开发了新的谐振子遗传算法,大大提高了搜索效率和最优解的质量。(4)对大尺度流域-焉耆中东部盆地的地下-地表水耦合模拟结果表明,研究区内人类活动如地下水超采和农业引水灌溉对开都河流入博斯腾湖的径流量影响最大,地下水超采和地下-地表水关系的变化使得博斯腾湖水环境日益恶化。因此,应当使用新的节水技术,改变作物类型并调整地表-地下水资源利用方案来解决研究区内水资源短缺和水环境恶化的问题。未来将基于研究区内地下水污染实际情况对地表水地下水资源管理进行优化研究。(5)大尺度流域-华北平原石家庄地区地下水中氮的迁移转化模拟及地下水资源优化的结果表明,研究区内铵态氮、亚硝态氮的浓度可以忽略不计,硝态氮污染主要分布于石家庄市区,其浓度达到了 109mg/L,而在周围郊区地下水中硝态氮浓度相对较低,不到10mg/L,市区内的工业废水和生活垃圾是整个研究区内地下水氮污染的重要来源。基于氮反应迁移的地下水资源优化管理模型可以有效缓解地下水环境的氮污染、防止未来氮污染范围的进一步扩大并提供更合理的地下水资源开采方案。