淮北市地下水流数值模拟及水文地质参数不确定性分析

淮北市用水主要取自地下水,开采量大,开采布局不合理已引发一系列环境问题。建立可靠的地下水流数值模拟模型,对于定量评价淮北市地下水资源、优化开采布局具有重要的现实意义,而目前针对淮北市进行的地下水数值模拟研究尚不多见。在分析安徽淮北市水文地质条件的基础上,建立了研究区水文地质概念模型和地下水流数学模型。并应用灵敏度分析法及蒙特卡罗法对模拟层的水文地质参数进行不确定性分析。灵敏度分析结果表明,含水层的给水度或单位释水系数及弱透水层的垂向渗透系数对模拟结果的影响最大,获得了各层灵敏度最大的参数分区,可为今后野外勘察试验提供参考。蒙特卡罗法结果直观地反映出各层敏感性分布,进一步证明了确定性模型的合理性。     

潜水摄动有限元的随机数值模拟

潜水水流的动态随机模拟是一个复杂而难解决的问题.通过建立二维潜水非稳定流模拟的摄动随机有限元模型, 把控制方程的主要参数渗透系数和给水度随机变量、及源汇项和边界条件看作随机变量.在充分考虑4种随机因素的条件下, 推导出求解潜水二维非稳定流均值和方差的9个方程; 重点介绍了不同方程数值离散的特殊处理方法.通过设定理想例子对模拟结果进行了分析, 表明随机变量中边界条件值方差、渗透系数方差变化对水头方差变化的影响很小, 给水度方差的变化对水头方差的变化影响很大.本模型考虑因素全面, 对一般的潜水非稳定流随机模拟都可应用.本研究给出了边界、渗透系数、给水度的随机因素对潜水动态模拟的影响, 丰富和补充了地下水运动的随机理论.      

管道流对非均质岩溶含水系统水动力过程影响的模拟

为深入研究管道流对岩溶含水系统水动力过程的影响,运用排水沟模块和管道流程序分别模拟实验室条件下的管道设置方式,并对模型结构以及模型参数的不确定性进行分析。岩溶地区的高度非均质性和观测资料的匮乏严重影响模型的精度,根据实际实验设置情况,建立3个不同的岩溶含水介质水文地质概念模型,并对渗透系数、给水度进行全局灵敏度分析。研究结果表明:出流总量对给水度的灵敏度高于对渗透系数的灵敏度,而出流过程对渗透系数和给水度的灵敏度大小随着时间变化;通过增加上覆孔隙含水层来改进模型结构的等效连续介质模型(排水沟模块)和准确刻画管道流紊流特征的双重孔隙模型(管道流模块)精度相差不大,模型结果的决定性系数分别为0.89和0.91。     

用数值法求芹河水源地的水文地质参数

通过对芹河水源地地区水文地质条件的分析,结合群孔抽水试验资料,建立基于有限差分法的水平面二维流理想数值模型,采用最优化方法,进行模拟计算。根据计算结果对地下水水位降深、流场分别进行拟合分析,得出所建立的的数学模型能够较为真实地刻画地下水流的特征,模型合理可靠,用于计算水文地质参数是可行的。最终得出该计算区的水文地质参数水平渗透系数K为6．588m／d,给水度μ为0．191。     

陕北能源化工基地资源开发引起的植被生态风险

地下水和煤炭资源开发是否会破环生态环境,以及会给生态环境安全带来多大的风险,是陕北能源化工基地资源开发和生态环境保护中不可逾越的课题。以陕北能源化工基地生态环境最为脆弱的风沙滩地区为研究区,在研究地下水位埋深与植被生态关系的基础上,建立了不同地貌类型、不同潜水水位埋深对应的植被群落类型和植被指数的分布关系,利用Modflow软件建立了风沙滩地区地下水流数值模拟模型,采用蒙特卡洛方法建立了植被生态随机模型,根据地下水水位埋深与植被生态的关系实现了地下水流模型和植被生态模型的耦合求解,对地下水资源和煤炭资源开发可能引起的植被生态变化进行预测和风险评估。     

济南市历城区地下水数值模拟与预测

为充分利用地下水资源,在调查研究济南市历城区地下水补径排条件和水文地质的基础上通过GMS中MODFLOW模块建立历城区浅层孔隙水地下水数值模型,并采用PEST模块进行渗透系数调整以达到全局最优。利用识别检验后的模型预报不同地下水增采方案下5年后的地下水流场及典型长观孔水位动态变化。结果表明:在现状浅层地下水开采量的基础上增采50%以内,即3.195万m~3/d,可以在不造成地下水位持续下降的情况下最大程度地开发利用当地浅层地下水资源,实现经济快速发展。     

地下水数值模拟中入渗补给滞后的处理方法

地面水入渗补给地下水具有滞后性。文章介绍了地下水数值模拟中入渗滞后补给的权系数方法,该方法仅有一个参数需要确定。基于均质介质和底面为自由液面的一维土柱的理想模型数值试验,利用不同滞后因子的饱和地下水流模型同饱和-非饱和地下水模型求解的入渗补给量进行对比分析,认为待定参数与地下水位埋深成反比,与介质的饱和渗透系数成正比,通过40组设定的模型试验得到地下水埋深和饱和渗透系数对应的待定系数取值的统计关系式。这些成果为饱和地下水流模型中入渗滞后性的描述提供了参考,将提高地下水流模拟的仿真性。     

石家庄市地下水资源管理模型

本文把迭加原理应用于地下水流中,建立了地下水位响应函数,形成含水系统的响应矩阵,从而把有限元水流模拟模型和最优化模型藕合起来,并在微机上实现了两者的有机结合。用两种方法对单位脉冲值进行模拟,提高了水位响应系数的计算精度。最后根据石家庄市地下水管理现状,制定了地下水资源的现状管理方案和人工补给方案,并作出了综合决策方案,为石家庄市地下水资源科学管理提供了依据。     

渗流场反分析及其在多孔介质中的应用

本文讨论了复杂地质环境中渗流场的反分析问题，利用地下水流数值模拟结合最优化技术，通过对地下渗流场的模拟和寻优，求得描述地下含水介质非稳定渗流场的重要参位──渗透系数和给水度的模型解，并应用于各向同性的多孔介质渗流场反分析实例中。     

靖安水源地地下水流模拟与预测

地下水数值模拟是地下水资源评价的重要方法之一。应用GMS软件建立靖安水源地的地下水流数值模型,利用该模型对设计的不同开采方案进行模拟,预测降水保证率95%条件下各方案开采20年后的地下水流场变化及水位变化情况。结果表明,当水源地总开采量为10万m3/d时,地下水流场能够达到稳定状态,中心水位降深较小,不会对生态环境造成明显影响。     

地下水渗流与地面沉降耦合模拟

为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应.      

枣庄岩溶地面塌陷的影响因素及其发展趋势

从枣庄市岩溶地面塌陷的基本条件入手,分析了枣庄地区塌陷的影响因素,认为降水量的大小直接影响水力梯度的大小,而且其导致的地表积水使得上部荷载增加,抗塌力降低;水位降深越大,水力梯度也将增加,潜水与地下水之间的水头差变大,补给造成的渗流场较强,使地下水动力条件增强,塌陷数量也相应增加。该文根据区内塌陷的成因分析了枣庄岩溶地面塌陷的发展趋势,认为目前情况下不会发生塌陷,但若持续过量开采地下水或遇到强干旱年份,塌陷是极易发生的。     

淄博市大武水源地地下水水位总体预测

本文采用水均衡法对淄博市大武水源地地下水位变动进行研究，并对降水量与人渗补给量的关系以及平均给水度随地下水位的变化关系进行了分析。通过历史资料的验证，表明本文所建立的水均衡模型对于地下水位变动的预测是可靠的，而且简单可行，随后根据不同的地下水开采量等对未来地下水位的变动趋势进行了预测。     

基于LHS方法的地下水随机模拟及开采量风险性 评价

地下水流数值模拟过程中,水文地质参数的不确定性对模拟结果影响很大。以内蒙古鄂尔多斯市某水源地为例,利用拉丁超立方抽样(LHS)方法获得了含水层渗透参数的随机组合,进行地下水流随机模拟。通过对观测资料与计算水位的绝对值平均(MAE)误差和误差均方根(RMSE)的统计分析,获得了模型较为稳定的随机模拟次数是243次。利用该随机模型对水源地设计开采量进行水位预测,并给出允许降深的风险性分布图。结果表明,预测水位和标准差分布符合实际情况,水位降深大于35 m的风险性最大达到75%。     

黑龙洞泉域地下水流数值模拟与预测

为了对黑龙洞泉域水资源进行评价, 通过对地质条件、水位观测资料的深入研究, 以水均衡原理、地下水渗流理论为基础, 建立了黑龙洞泉域地下水渗流数值模型.以灰色序列预测模型为辅助手段, 结合历年的降水规律, 对未来现状开采条件下的年均降水量、地下水流场、水位及泉流量进行了不同保证率条件下的预测, 若2010年为丰水年(保证率20%)、平水年(保证率50%)、枯水年(保证率75%), 黑龙洞泉汛期地下水位标高分别为超过130m、达到130m、低于130m, 汛期泉流量分别为超过10m3/s、7m3/s、5m3/s.计算结果有利于指导黑龙洞泉域地下水资源的管理和开发利用.      

库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析

堆积层滑坡的岩土体渗透系数具有一定的不确定性,且渗透系数是饱和-非饱和渗流分析的重要参数,开展考虑其空间变异性的库岸堆积层滑坡渗流变形分析具有重要意义。以三峡库区中的白水河滑坡为研究对象,基于地面核磁共振技术获取的岩土体渗透系数,分析滑坡体渗透系数的空间变异特征,采用半变异函数方法求得滑坡体渗透系数的竖直波动范围,在此基础上建立渗透系数的非平稳随机场模型。以非侵入式随机有限元的方式开展库水升降两种工况下不确定模型与确定模型的流固耦合模拟,分析两种模型的渗流场、位移变形特征及其差异。结果表明：相比于确定模型,不确定模型孔压改变的滞后性更为明显,且库水下降工况下整体的变形更大,若忽略滑体渗透系数的非平稳空间变异特征将会低估滑坡的实际变形。     

渗流井取水方式在大会坪水源地的应用

渗流井是一种结构较为复杂且有别于水平井及其他井孔的取水建筑物,利用河床砂砾石层的净化作用,将河水转化为地下水以获得水资源,该工程在干旱半干旱地区作用尤为显著。通过引入“等效渗透系数”,建立研究区的地下水流三维数值模型,分别模拟计算了平水期和枯水期渗流井的出水量,最终确定大会坪研究区的建议开采量为30600 m3/d。     

矿山采掘岩体渗透变形灾变机理及防控Ⅱ:底板突水

矿山地下工程渗透变形破坏造成的典型灾害类型包括顶板突水溃砂、底板突水、防水闸墙与围岩界面渗透破坏等。本文从刘国昌先生对我国矿山水文地质工程地质学发展的奠基作用谈起,综述了矿山底板岩体渗透变形破坏突水灾害机理和防控技术进展。回顾了煤矿底板突水系数提出、改进和应用的历史,从底板渗透变形破坏产生的渗透力学机理重新阐释了突水系数的物理含义。基于底板岩体结构临界抗渗水力坡度建立了抗渗安全系数突水判别方法,其底板临界抗渗水力坡度可由半经验方法估算。在对底板突水评价方法演进分析的基础上,提出了底板危险源辨识和突水危险性动态评价方法。对底板突水灾变的主动防控措施的防控原理及效果评估方法进行了分析。最后,讨论了矿山底板渗透稳定性方面需要进一步深入研究的科学问题。     

Performance assessment and optimization of seepage control system: A numerical case study for Kala underground powerhouse

The Kala Hydropower Station, planned in the middle reach of Yalong River in China, consists of a large-scale cavern system for water conveyance and power generation. The construction site is characteristic of difficult geological conditions and is rich in groundwater, and the control of groundwater flow in the surrounding rocks of the underground caverns becomes one of the key technological issues. This case study presents a systematic performance assessment of the seepage control system designed for the underground caverns by finite element numerical modeling, with particular concerns on geological characterization of the site and quantitative determination of the excavation-induced variation in hydraulic conductivity of the surrounding rock masses. The significant influence of the excavation-induced permeability variation on the seepage field in the surrounding rocks and the overall behaviors of the seepage control system are comprehensively illustrated by the numerical results, and the optimized design parameters are suggested for the drainage system. The methodology presented in this study is useful for understanding the performance of the seepage control system widely deployed in underground powerhouse engineering.     

地下水位变化对透—阻型岩溶塌陷影响的分析

文章从一维地下水运动和渗透力学的角度,分析比较潜水位上升与承压水位下降对岩溶地区透—阻型盖层中阻水层渗透稳定性的影响,重点讨论了承压水位下降速度(降速)与下降深度（降深）对阻水层中渗透坡降的影响,结果表明:地下水位变化（潜水位上升或承压水位下降）产生的非稳定渗流不利于岩溶洞穴开口上方阻水层的稳定,承压水位的下降对岩溶开口附近处阻水层中渗透力的影响远大于潜水位的变化;在承压层水位最大降深确定的条件下,承压水位下降速度愈快,岩溶开口附近处阻水层中向下渗透力愈大。因此,在覆盖型岩溶地区抽取地下水时,为了减缓或避免覆盖型塌陷的发生,应同时控制好最大降深和最大开采速度。