大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题

在分析大区域地下水流数值模型构建缘起的前提下,系统论述了近年来地下水流数值模拟在大区域地下水资源评价、水文地质参数确定、地面沉降、溶质运移、海水入侵、盐渍化、风险评估、地下水管理及地表水与地下水的联合开发利用等方面的国内外研究应用现状;归纳、总结了目前大区域地下水流数值模型在灵敏度分析、裂隙和岩溶介质中模型建立、基于地下水流数值模拟的溶质运移模型建立、地下水流数值模型构建所需工作量等理论和方法研究及实际建模过程中存在的一些问题;展望了今后大区域地下水流数值拟在研究范围、模拟技术与方法以及与其它模型耦合等方面的发展趋势。      

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用领域的研究等。     

区域地下水流理论的发展历程与教材演变

Tóth提出的区域地下水流理论为盆地尺度地下水循环研究提供了定量分析方法.从4个方面总结区域地下水流理论发展历程,对比国外多本水文地质学教科书对区域地下水流理论的描述情况,系统梳理我国《水文地质学基础》教科书自1986到2018年的4个版本对区域地下水理论描述的演变情况.分析认为,我国《水文地质学基础》教科书对我国学者开展区域地下水流研究发挥了重要的推动作用,最后提出了区域地下水流理论有待解决的科学问题和引导更多青年学生从事该领域研究的建议.     

《地下水流计算方法》简介

由美国普林斯顿大学土木工程系George F·Pinder等人编著的《地下水流计算方法》(Com-putational Methods in Subsurface Flow)一书已经出版。这本书着重讨论在模拟各种地下水现象的过程中,应用数值分析的数学理论基础。此书可作为地质科学有关专业的高年级学生、研究生以及水文地质、环境水文地质工作者的参考书。也是一切关心和从事地下水流模型、水质模型研究的人们不可忽视的重要文献。     

区域地下水流模拟

人类活动对地下水流系统及其周围环境已经产生区域性影响,对区域性影响的预测需求促进了区域地下水流模型的重大发展。功能强大的计算机的普及、用户界面友好的模拟系统及GIS软件的广泛应用使得区域地下水流模拟呈指数增长。大尺度的地下水非稳定流模型已经用于分析区域水流系统、模拟水均衡各要素随时间的变化及优化地下水管理方案。本文简述了区域地下水流模拟的发展历史,介绍了美国死谷和澳大利亚大自流盆地两个大区域地下水流模型实例。此外,文中亦介绍了区域地下水流模拟的方法,讨论了区域地下水流模拟中遇到的特殊议题。 更多还原     

地下水流系统研究中的方法论探讨:以CUG-武汉地下水流系统研究为例

地球系统科学和地下水流系统理论的出现,标志着水文地质学进入新的发展时期.地下水流系统理论已成为水文地质学的新范式,其产生和发展,从方法论上为地下水问题的研究提供了新的启示.自20世纪80年代初以来,中国地质大学(武汉)地下水流系统组持续开展了地下水流系统理论与应用研究.试图从方法论的角度回顾与总结这些研究成果.地下水问题受多因素影响,研究应以"目标与问题导向相结合",靶向准确,才能在信息浩渺中不失方向,向着目标前行;研究时应采用"假设演绎法",先依据已有认识和资料演绎出应有的现象,再有目的 地观察和寻求证据,或修改假设继续求证,直到假设被证实或证伪;演绎寻证过程,可以采用"控制性实验""信息提取与组织""多学科方法与手段融合"等技术方法.实例分析证实,控制性模拟实验使我们得出了地下水流模式的新认识;采用多通道的信息提取、加工和组织,构建地下水流系统模式,能够有效解决各类工程中的应用问题;多学科与手段融合、各种信息相互验证,提高了结果的可信度.以实例研究为基础,从研究方法上的总结能为正确认识和理解地下水流系统理论、推进新理论和新思路在水文地质研究中的应用提供参考.     

从局部到区域尺度认识地下水流--第33届国际水文地质大会综述

1　会议概况国际水文地质学家协会IAH主办的第33届国际水文地质大会于2004年10月10～15日在墨西哥Zacatecas市举行,且是与拉丁美洲水文协会第7届会议联合召开的。出席该次学术会议的代表来自36个国家,约400人。本次会议的主题为:认识地下水流动—从局部到区域尺度。学术交流共分9个专题进行,分别为:(1)地下水流的环境作用;(2)水化学和同位素数据用于确定局部和区域流动;(3)坚硬岩介质中标定地下水流;(4)水流系统在污染运移中的作用;(5)局部和区域地下水系统中的补给;(6)湿地与地下水流;(7)滨海地区不同的地下水流;(8)地下水流系统模型;(9)…     

基岩岛屿地下水流场数值模拟研究

岛屿是我国领土的重要组成部分,对国家安全和国防军事意义非凡。岛屿的地下水资源尤为珍贵,地下水流场模拟是研究地下水分布规律的重要手段。水文地质条件复杂、可利用的观测井较少等原因,造成了基岩岛屿水文地质模型概化精度不高、初始条件难以获取等问题。为克服基岩岛屿地下水流场模拟的诸多困难,将珠海外伶仃岛作为研究区,利用数字高程模型数据开展地质地貌建模; 利用探地雷达法、直流电法与地质分析对岛屿进行探测,获取了地层数据; 采用地下水遥感评估法,利用实测井位数据,确定了地下水的初始水位,进而对基岩岛屿地下水流场进行建模; 最终,通过对外伶仃岛地下水流场的数值模拟得出地下水模拟流场图。岛上多个测点的探测水位值与模拟水位相关性较好,其拟合优度R²为0.872 2。由此可见,综合遥感、物探、水文地质手段等技术方法获取的数据,采用地下水模拟软件或程序实现基岩岛屿地下水流场的数值模拟,是基岩岛屿地下水资源研究的一个有效方法。     

北京平原区域地下水流模拟

为深入研究北京平原地下水资源的现状及未来的变化趋势,探讨地下水资源可持续开发方案,文章建立了北京平原三维地下水流非稳定流模型。在充分分析北京平原区水文地质条件的基础上,建立了三维数字水文地质概念模型。从区域上将北京平原含水层系统划分为5个含水层和4个弱透水层互层的多层系统。在此基础上利用GMS模型软件建立了三维地下水稳定流模拟模型和非稳定流模拟模型。首先利用1995年丰水年的地下水均衡量建立和校正了稳定流模型。之后在稳定流模型的基础上建立和校正了非稳定流模型,非稳定流模型的模拟期为1995～2005年。最后用模型分析了北京平原区地下水流场的变化趋势。与20世纪60年代天然流场相比,北京市平原区区域地下水流场发生了巨大变化。除了区域地下水位整体下降外,在不同深度的含水层形成了规模不等的地下水位降落漏斗。自1999年以来的连续干旱,导致河流基本干枯,地下水补给量减少,加之应急水源地的投入运行,使地下水贮存量被持续地大量消耗,地下水位快速下降。长期以往,必将造成含水层地下水疏干。控制和减少地下水开采势在必行。     

湛江市地下水流场演变特征

文章研究了湛江市50年来的地下水流场变化特征，得出以下结论：市区中、深层承压水经过近50年的集中开采．已形成了以人工开采区为中心的区域水位降落漏斗；浅层水一直未作为集中供水水源，未形成区域水位降落漏斗。影响地下水流场变化的因素主要为开采量，其次为地下水的开采方式及水文地质条件。     

试论地下水系统区域环境影响评价

本文将探讨采用环境系统分析方法，从保护地下水环境出发，把极其复杂的环境系统的结构、功能、影响和效益结合起来作为一个整体，通过由于城市发展、农业开发、以及自然环境的变迁等，对地下水环境系统的影响效应及其发展趋势，进行系统分析和评价，从而提出最有效、最经济、最优化的环境对策。对区域性地下水系统环境影响评价理论和实践方法进行了探讨。     

苏州城区地下水源热泵系统开发利用适宜性分区

以苏州城区为研究背景,阐述了浅层地温能资源赋存的水文地质条件,分析了地下水源热泵系统应用可能对地下水环境产生的影响,研究得出第Ⅱ承压含水层是该地区地下水源热泵开发利用的理想含水层.在此基础上,采用层次分析法和综合指数法建立适宜性分区标准,将苏州城区地下水源热泵系统应用划分为适宜区、一般适宜区和不适宜区,并进行了分区评价.为苏州城区地下水源热泵系统的合理开发利用和制定地下水环境保护措施等提供了重要依据.     

地下水系统理论研究综述

地下水系统理论是目前水文地质研究的重要指导思想和分析工具,地下水系统的研究已成为正确评价和合理开发、利用和保护区域地下水资源的基础。从一般系统的概念入手探讨了系统思想的基本观点,简要讨论和分析了地下水系统的概念,综述了地下水系统理论的发展历程和应用实例,指出地下水系统理论的应用尚未形成统一明确和易于操作的规范方法,建立一套便于掌握与操作的地下水系统理论应用规范或方法框架,应该是今后地下水系统理论和方法研究的主要任务之一。     

西北某干旱区多级储水洼地地下水数值模拟

西北某放射性废物处置场预选区,区域地下水系统包含多级独立第四系储水洼地,洼地出口以泉水排泄地下水,继而回渗补给下级洼地。根据含水层底板起伏特征,利用GMS模拟软件中的排水沟模块与溪流模块概化了泉水,通过泉流量校准与监测孔水位拟合,校正了研究区渗透系数、给水度、和储水率等水文地质参数,计算了地下水流速、流向以及地下水资源量。结果显示,研究区地下水由南向北东径流,东北部为最终排泄洼地,地下水流速缓慢,水资源相对匮乏,有利于放射性废物处置的安全。     

地下水渗流力学的发展进程与动向

回顾Darcy定律建立150周年来,地下水渗流力学的发展进程。关于经典理论,根据渗流问题的基本方程与计算方法,从地下水资源评价、地下水流系统中的传质与传热、非饱和土渗流、计算渗流力学4个方面,概述其应用研究的发展历程;从参数的尺度效应、非饱和土渗流、非连续介质渗流、带自由面渗流4个方面,概述其发展的研究现状。结合经典理论的缺陷,讨论了现代渗流理论的发展动向;在回顾Biot耦合渗流理论的发展进程的基础上,探讨存在于耦合渗流理论中的可能缺陷,提出结合Biot波动理论的可能解决方向。     

基于数值模拟的区域性地下水补给过程实例研究

研究主要目的是以数值模拟的方法,再现选定的研究区域20世纪70~90年代地下水位处于较低水平的过程并推求地下水的补给过程。研究区为某流域入海口前10×12km2的矩形区域,基于研究区土层纵断面的物理条件,在平面二维的基础上,考虑含水层垂向水收支成分,利用地下水计算的基本方程式开发地下水准三维数值计算模型,以数值模拟的方法验证模型效率。对地下水位数值模拟的结果表明,模型效率可以达到80%以上。基于1966~2005年的数值计算结果,推求了研究区各含水层的补给过程。研究结果可为区域性地下水数值模拟技术及地下水资源量的评估等研究提供方法上的借鉴。     

非均质含水层中地下水年龄数值模拟

地下水年龄数值模拟是近年来国际地下水领域的一个全新研究方向。在简单介绍地下水年龄数值模拟相关理论和方法基础上,通过一个简单算例模拟对比了稳定流条件下不同非均质含水层中的水流运动和年龄分布,探讨了夹层透水性的强弱对地下水年龄分布的影响。结果表明,在地下水系统保持补径排通量不变的前提下,弱透水夹层的存在对于特定区域地下水的深部循环和更新具有积极作用。同时,在模拟区域深部含水层的年龄分布时,不能忽略其弥散作用。地下水年龄模拟为研究区域尺度上的地下水循环和地下水资源可持续利用提供了一种新的途径。     

基于地面沉降控制的区域性松散沉积层地下水可采资源规划评价

为了满足区域性松散沉积层地区地面沉降的防控要求,规划评价地下水的可采资源量,根据渗流理论和土力学理论,建立了地下水三维非稳定渗流与地面沉降耦合数学模型,并考虑了含水层孔隙度、渗透系数、储水率随含水层发生固结沉降的变化特征。采用三维有限元数值分析方法,以江苏省南通市地下水开采为例,基于地面沉降的控制要求,规划评价出了各乡镇各含水层的地下水可采资源量。结果表明：地下水开采布局科学规划后,总的可采资源量为17 870.56×10⁴ m³/a,较现状开采量10 902.32×10⁴ m³/a有较大幅度的增加。地下水三维变参数非稳定流与地面沉降耦合模型可以更加精确地刻画三维水文地质体的特征,更加符合实际情况。     

用环境同位素论区域地下水资源属性

从可持续角度提出了区域地下水资源属性的概念; 分析了含水层系统中地下水质点的时间效应; 利用大量同位素资料分析了不同区域含水层系统中的地下水资源属性和人类活动对地下水资源属性的影响.指出利用环境同位素是研究区域地下水资源属性最直接、有效的方法; 正确认识评价区域地下水资源属性对实现地下水资源可持续性具有重要意义.