岩溶管道—裂隙—孔隙三重空隙介质地下水流模型及模拟方法…

岩溶含水介质由管道、裂隙与孔隙３类空隙介质组成，它们对地下水流动具有不同的贡献，简述了当前岩溶水的几种主要定理评价方法，提出折算渗透系数ＫＬ概念，建立了岩溶三重空隙介质地下水流统一的控制方程，引出管道与裂隙在达西流与非达西流状态下的渗透系数与折算渗透系数的表达式，从而将达西流与非达西流耦合在一个模型中。本文提出岩溶三重介质地下水流的模拟方法，并给出理想模型的模拟结果。     

广西北山岩溶管道—裂隙—孔隙地下水流数值模拟初探

本文从水动力学角度分析各种岩溶含水介质中的水流特征,将其归纳为储水介质、导水介质和控水介质,并根据折算渗透系数ＫＬ的概念和建立耦合达西流和百达西流于一体的岩溶管道－裂隙－孔隙三重介质地下水模型,对广西环江北山矿区岩溶含水系统进行了初步探讨。北山实例的模拟结果表明,三重介质模型较全面地刻画了岩溶水动态的特征,反映了相对均匀裂隙流与控制性管道流并存、线性流与非线性流相互转变的运动特点,不仅理论上比较合     

岩溶区多重介质水流模型研究进展

数值模拟技术广泛应用于地下水资源评价工作中,为水资源合理开发利用提供科学依据。本文针对岩溶区的数值模拟技术展开研究,综述了岩溶区地下水流建模技术的主要方法和研究进展,介绍了SWMM模型、UGRFLOW模型、CAVE模型、CFP模型等多重介质模型的建模方式和运行原理。岩溶区地下水赋存介质复杂,管道、裂隙和空隙多重介质并存,水流特征多样,等效连续介质模型不能很好地刻画岩溶区复杂的地下水流特征。随着对岩溶水流系统研究的深入,二重和三重介质模型逐渐应用于岩溶区地下水流模拟工作中,取得较好成果,但仍存在如忽略中宽裂隙的导水作用、岩溶管道设置单一、模型适用性不强等问题。今后应从解析岩溶含水介质的结构特征入手,关注中宽裂隙在地下水流系统中的导水作用和水流特征,改进管道流模块以更好地刻画复杂的地下河管道,改进不同介质间水流交换量算法,提高模型精确性和适用性。      

渗流-管流耦合模型及其应用综述

含水层-井孔水流问题是水文地质学中最重要的基础性研究课题之一。长期以来水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用"热传导"中的"线汇"理论,需要人工预先给定线汇的流量或水头分配,其普适性至今没有得到证明。针对地下水混合井流模拟提出的"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"的概念、方法,不仅解决了混合抽水试验求取分层水文地质参数、预测分层地下水降落漏斗等问题,更重要的是提出的模型和方法具有一定的通用性,已被用于模拟水平井、自流井、观测孔等,并发展为岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型。"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"方法不仅得到现场试验的应用性验证,也通过物理模拟得到了检验。     

基于CFP的岩溶管道流数值模拟研究——以桂林寨底地下河子系统为例

为了描述岩溶多重含水介质存在非达西流问题,研究管道流CFP模型在岩溶区数值模拟中的应用。在分析管道流CFP基本原理的基础上,通过建立概念模型算例(5个管道,上下临界雷诺数分别为2 000和4 000),探讨不同管道水文地质参数对出口流量及水流状态的影响,并对参数敏感性进行分析,最后将CFPM1模型应用于广西寨底岩溶地下河系统,探讨在实际应用中的管道流模型适用性。概念模型结果表明,参数敏感度从大到小依次为:管道直径、水力梯度、管道渗透系数、弯曲度及粗糙度,流量与雷诺数随管道参数增大而增大,水流状态从层流变为紊流。寨底岩溶管道流模型中3个观测井及地下河出口实测流量表明CFPM1能较好地模拟出岩溶地下水水位变化趋势。得出结论:CFPM1管道流模型允许岩溶管道与基岩含水层进行水流交换,能够较好地刻画岩溶区管道介质非达西流特征,但管道参数获取较为困难,且不能刻画岩溶管道形态变化。该方法具有一定通用性,可为实际应用提供指导。     

基于物理试验的岩溶区PSSK转化关系研究

为深入了解岩溶地区不同水源转化机理,文章以Basic Hydrology System为平台设计了4组小尺度物理试验。分别对裸露型岩溶区裂隙管道地下径流衰减规律,覆盖型岩溶区土壤达西流、裂隙管道水流转化规律,地表径流、土壤达西流、裂隙管道地下径流三者在覆盖型岩溶区和不同覆盖厚度条件下的转化关系进行了物理模拟。通过试验数据并结合指数衰减方程,得到了裸露型岩溶区流量衰减系数与降雨强度的关系;覆盖型岩溶区以及不同覆盖厚度条件下PSSK(precipitation-surface water-soil water-karst water,降水-地表水-土壤水-岩溶水)转化规律。     

基于CFP的岩溶管道流溶质运移数值模拟研究

多重岩溶含水介质的复杂性导致岩溶地下水流动及溶质运移的数学模拟成为地下水研究难点之一。为了探讨岩溶多重含水介质中地下水流溶质运移特征,文章构建了管道流CFP水流模型和MT3DMS溶质运移三维耦合数值模型。在阐述管道流CFP和MT3DMS基本原理的基础上,通过建立水文地质概念模型算例（1个落水洞、4个直管道）,探讨岩溶管道水流及溶质运移规律,分析讨论不同水文地质参数对浓度穿透曲线的影响。研究结果表明:管道流CFP模型能够刻画岩溶管道与基岩裂隙水流交换特征,MT3DMS模型能够模拟穿透曲线的拖尾现象,符合实际岩溶区特征。随着水力梯度、管道直径及管道渗透系数增大,孔隙度减小,浓度曲线峰值越大,峰值到达时间越快,浓度穿透曲线越对称。得出结论:耦合CFP水流模型和MT3DMS溶质运移模型能够刻画岩溶管道流溶质运移规律,为研究岩溶复杂介质污染物运移特征提供一种思路和途径。     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

岩溶地下水系统单元网络数学模拟方法研究

本文提出的单元网络数学模拟方法,即用大单元块段及管道网络分别代表岩溶区相对均匀的裂隙化区域及非均匀分市的岩溶管道,地下水流动特征按渗流运动规津及管流运动规律分别表达,耦合求解。拟对难以用常规数学方法解决的复杂多重岩溶含水介质及其裂隙流与管道流并存、快速流与慢速流并存、线性流与非线性流并存以及非连续流等特殊水流规律的水文地质特性作定量评价。文中以北山矿迳流排泄区裂隙管道水系统为例,介绍了该方法的基本原理及处理线性流与非线性流并存水流运动规律的方法。      

岩溶管道水流的等效管束组合模拟

本文给出６种类型的管道切换模式,并应用切换模式,对岩溶导水介质水流进行了模拟,从技术上解决了岩溶地下河水流的物理模拟问题,对岩溶地下水的研究及在水利工程应用等方面有重要价值      

An integrated linear/non-linear flow model for the conduit-fissure-pore media in the karst triple void aquifer system

Most karstic aquifer media may be characterized as the triple-void media with highly-varied hydraulic properties, including matrix pore, fissure and conduit, in which liner flow may co-exist with non-linear flow. In this paper, an attempt is made to couple linear flow with non-linear flow in a single unified flow governing equations by introducing the concept of equivalent hydraulic conductivity (EHC) and deriving a general Darcys law for various flow. The expression of EHC in the karst conduit and fissure are also derived. The procedures of numerical implementation are demonstrated via an ideal model and a case study of karst aquifer system in the Beishan Ore Formation area, Guangxi Autonomous Region, China.     

Three-dimensional finite element modelling for consolidation due to groundwater withdrawal in a desaturating anisotropic aquifer system

A poroelastic numerical model is presented to evaluate three-dimensional consolidation due to groundwater withdrawal from desaturating anisotropic porous media. This numerical model is developed based on the fully coupled governing equations for groundwater flow in deforming variably saturated porous media and the Galerkin finite element method. Two different cases of unsaturated aquifers are simulated for the purpose of comparison: a cross-anisotropic soil aquifer, and a corresponding isotropic soil aquifer composed of a geometrically averaged equivalent material. The numerical simulation results show that the anisotropy has a significant effect on the shapes of three-dimensional hydraulic head distribution and displacement vector fields. Such an effect of anisotropy is caused by the uneven partitioning of the hydraulic pumping stress between the vertical and horizontal directions in both groundwater flow field and solid skeleton deformation field. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于地下水流数值模型的改进DRASTIC方法

地下水脆弱性评价作为地下水资源保护和地下水开发利用规划的一个重要工具,被广泛的应用于实际工作中。尝试利用地下水数值模型为改进的DRASTIC方法提供数据支持,并以北京市平原区为例探讨地下水脆弱性评价方法。评价结果与传统方法在高值区和低值区具有很好的对应性,而基于模型的方法在地下水水位计算、含水层介质和水力传导系数确定上较传统方法更具优势,如地下水位的计算上较传统方法更为客观地体现含水介质对地下水运动的影响,且能够方便地获得模拟期内任意时间的流场数据;经由模型调试后的含水层参数数据,较传统方法更为准确。评价结果分区之间的变化较传统方法更为平滑,更符合水文地质条件渐变的特性。     

三维地下水流中常规观测孔水位的形成机理及确定方法

对地下水三维流中常规观测孔中水位的传统计算方法提出质疑, 认为计算观测孔中水位的Hantush Бочевер方程是缺乏物理基础的纯数学方法.分析了形成观测孔中水位的机理, 提出三维地下水流中常规观测孔中只是孔口的流量为零, 而孔内却存在"抽水"和"注水"的井孔; 多层井(multilayerwell) 不一定要求"多层"的条件, 在均质单一含水层中的井孔可以具有多层井的基本特征; 混合井孔的水位并不"混合", 混合观测孔中存在符合机理的水头分布和流量分布规律等观点.普遍而言, 三维流中的观测孔不能用通常所说的线汇/线源刻画, 也不能用近几年提出的孔内为层流(线性流) 的假定来研究该问题, 然而可用笔者于1993年提出的"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"方便、有效地模拟.就说明性算例而言, Hantush Бочевер方程只能近似用于孔径大于0.2m且径距大于10~20m的条件.      

利用微波侦测地下水位与河川变化

论文探讨藉由电磁波照射地表,从反射讯号中去判断地下水水位与土石流移动观测之可行性,期能提供一新的土石流预警方法.电磁波在土壤中的行为受土壤的介电系数所控制.我们首先以地下水模式仿真出地层中的含水量分布状况,同时搜集过去关于土壤介电系数的实验资料和模型,将其运用于层状介质法来仿真电磁波照射在不同含水量剖面下之反射波,以建立含水量分布与反射讯号间的对比模块.最后则是以砂箱实验,量测含水量剖面后,藉由天线与网络分析仪来发射电磁波与记录反射波.由理论计算与实验测量结果之比较可知所选择的土壤介电系数模型可以仿真简单潮湿土壤的电磁行为;而由实验量测可知电磁波至少可以打进50cm的微湿砂子.若以雷达扫瞄河道,可对土石流或洪水前锋的速度作准确之估计.     

The calculation of mine water yield using the non-continuous flow theory

Large amounts of groundwater are discharged during underground mining operations. As a result, the drawdown of groundwater, known as aquifer dewatering, is common in mining areas. Because of variability in permeability between different media in mines, mine drainage occurs primarily as non-continuous flow. However, calculations of mine water yield are usually made based on the continuous flow theory, and therefore often produce erroneous results. This study predicts the water yield of a mine using the module MODFLOW and incorporating the non-continuous flow theory into the calculation. Using this method, the predicted water yield of a mine was approximately 50 % lower than that predicted using the continuous flow theory. The model also demonstrates that the rate of mine drainage varies over time; there is initially a decrease in the rate of drainage which gradually approaches a constant value. Double level flow occurs when there is non-continuous flow in continuous media, which can effectively minimize the influence of mine drainage on upper aquifers and relieve the conflict between groundwater supply and drainage in the mining area.     

高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法研究进展

地下水流数值模型不仅是认识深部水动力场形成演化机制的有效工具,也是建立核素迁移数值模型的基础,因而是高放废物处置场选址和安全评价中重要的技术手段。高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法较多,如何选择适当的方法也是值得关注的问题。针对高放废物深地质处置地下水流数值模拟技术展开研究,通过阅读大量国内外文献,文章系统阐述了目前常用的4 类地下水流数值模拟方法的研究进展、适用条件和实例应用;综述了深地质处置中常用的模型不确定性分析方法及研究成果,列表给出了适用于放射性废物地质处置的地下水流数值模拟软件及其在废物处置选择和安全评价中的应用。研究结果表明:等效连续介质模型适用于大区域、长序列、裂隙发育程度较高或较均匀的地区,该类模型方法成熟、所需的数据和参数易于获得,但是不能精确刻画裂隙介质中地下水的流动特征。离散裂隙网络模型适合解决处置场地、储罐尺度等需要精细刻画的地下水流问题,但由于需要大量裂隙及其连通性数据、相关参数等,该方法存在着工作量大、耗时多的缺点。双重介质模型主要用于解决区域尺度裂隙水流问题,但并不能表现出裂隙介质的各向异性、不连续性等特征,因而适用范围存在一定的限制。等效-离散耦合模型可以通过区域分解法对裂隙密度大的区域采用等效连续介质模型,对于裂隙密度较小的地区采用离散裂隙网络模型,从而更符合一般地质条件下裂隙渗流的特征,但也存在交换量难以确定、模型耦合技术问题。通过灵敏度分析,将不同敏感因子对模型敏感指标的影响程度进行排序,提高模型精度、减少参数不确定性分析的工作量。蒙特卡罗法是目前常用的一种模型不确定性方法,原理简单、易于实现。文章展望了数值模型在仿真性、不确定性分析、预测和多介质耦合等方面的研究前景。     

A pore-scale numerical model for flow through porous media

A pore-scale numerical model based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is described for modelling fluid flow phenomena in porous media. Originally developed for astrophysics applications, SPH is extended to model incompressible flows of low Reynolds number as encountered in groundwater flow systems. In this paper, an overview of SPH is provided and the required modifications for modelling flow through porous media are described, including treatment of viscosity, equation of state, and no-slip boundary conditions. The performance of the model is demonstrated for two-dimensional flow through idealized porous media composed of spatially periodic square and hexagonal arrays of cylinders. The results are in close agreement with solutions obtained using the finite element method and published solutions in the literature. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

岩溶缝洞系统地下水系研究

通过现场调查,获得了研究区岩溶裂隙与溶洞的发育特征;根据此特征,提出了变流量连通试验方法,并与示踪连通试验方法结合,进行了岩溶缝洞系统连通试验,分别测试了观测点流量与水样电导率随时间的变化。结果表明：研究区的岩溶裂隙与溶洞较发育;变流量连通试验方法和示踪连通试验方法相结合,可以确定岩溶缝洞系统地下水系与流体流动途径,为合理开发岩溶区地下水资源与确保水利水电等工程安全提供科学依据。     

新疆渭干河流域地下水三维流数值模拟

采用任意多边形网格有限差分法求解模型,根据地下水水头长观资料识别模型的水文地质参数,建立了含混合井孔的6层模拟系统的地下水三维不稳定流模型来刻画渭干河流域地下水流动的基本规律.运用识别后的模型进行了地下水资源评价,预测了未来10 a不同开采条件下的地下水动态变化,探讨了地下水资源的合理开发模式,提出在以蒸发排泄为主的条件下,应在保证生态用水的前提下最大限度地夺取无效蒸发.