覆盖型岩溶区地下水地源热泵工程岩溶塌陷成因及对策研究

地下水地源热泵工程是抽取地下水,以地下水为换热介质,提取能量之后全部回灌于含水层中。因此地下水地源热泵是改变地下水局部水位高程,整体上不影响地下水流场的变化。覆盖型岩溶区地质环境承载力较差,地下水的开发利用过程,可能加强诱发岩溶塌陷的因素,发生岩溶塌陷。在地下水地源热泵的建设和运行中,控制水位降深、尽量避免水位波动和瞬间水位变化过大等措施,达到预防岩溶塌陷的目的。而岩溶塌陷预防措施的研究给覆盖型岩溶区地下水地源热泵的建设和运行提供技术支撑。     

大藤峡水库岩溶塌陷预防的安全调度研究

水库运行容易在库区诱发滑坡、岩溶塌陷等地质灾害。通过水库运行的安全调度,可有效减少库区地质灾害的发生。本文以在建的大藤峡水库武宣防护区为例,分析计算了岩溶塌陷预防的安全调度水位、排蓄水速度;并根据现场调查,查明了研究区岩溶塌陷发育的地质背景和发育现状,建立了岩溶塌陷发育机理模式。为了分析水库运行改变地下水动力条件对岩溶塌陷发育的影响,运用Modflow软件,建立研究区数值模拟模型,通过数值模拟运算,预测了大藤峡水库不同蓄水水位引起的地下水位变化,以及不同排蓄水速度引起的地下水流速变化;探讨了包气带、潜水层和承压水层区域岩溶塌陷发育的可能性。结果表明:研究区岩溶塌陷预防的水库安全水位高程为51～62 m,蓄水水位安全上升速度为0～1.0 m·d-1和排水水位安全下降速度为0~3.0 m·d-1。      

侧向有限越流承压含水层中非完整井非稳定流模型及解析解

工程建设中当距离抽水井r=rb处水位基本没有变化或不受抽水影响时,或当此处存在止水帷幕时,含水层系统视为侧向有限延伸,rb为有限半径。为此,构建更加符合工程实际的侧向有限延伸的典型弱透水层-承压水层系统中非完整井非稳定流计算模型,同时考虑井径和井储效应的影响,应用Laplace变换和分离变量法得到了水位降深在拉氏空间下的解析解,并应用拉氏数值逆变换Stehfest法得到真实空间下的水位降深。新建立的解析解可以进一步退化为诸多已有解,并进一步将其与已知解和有限元数值解进行对比,验证了所得解的正确性和可靠性。基于新建解重点分析了侧向边界和井的完整性对承压水层水位降深的影响。结果表明:含水层系统的侧向有限边界仅对抽水后期的水位降深影响明显,含水层系统侧向无限延伸情况下的水位降深要大于情形1(在r=rb处为定水头边界)且明显小于情形2(在r=rb处为不透水边界)下的水位降深,rb越小,两者之间的误差越大;抽水井的完整性对整个抽水期间不同情形下的水位降深均有明显的影响,承压含水层顶板处的水位降深随着抽水井滤管的长度和埋深的增加而减小。     

双重介质模型在岩溶地下水流动系统模拟中的应用

文章采用不稳定层状裂隙水流模型,应用有限元-卷积结合法,模拟了岩溶地下水流动系统。相对于等效多孔介质模型,双重介质模型模拟的水位下降速度更小,达到稳定的时间更长。距抽水井较近的观测孔处,双重介质模型模拟的水位变化过程阶段性较明显,水位变化过程类似于承压含水层-弱透水层的释水过程,裂隙和孔隙基质分别相当于承压含水层和弱透水层。然后讨论了影响裂隙和孔隙基质间水流交换项的因素,分析了孔组抽水后的渗流场特征。     

采煤对榆溪河流域地下水资源的影响研究

榆溪河位于榆阳区境内,全长98 km,流域面积近4 000 km2,根据地形地貌及支流分水岭等整个流域被划分为10个水源地。本文依据流域水文地质条件构建水文地质概念模型,在此基础上基于可视化数值模拟软件(Processing Modflow)建立流域三维地下水流数值模型,模型经识别与校验完成后,加载煤矿矿坑涌水工况,模拟煤矿开采对地下水资源的影响,预测未来30年末的地下水末流场、末埋深场、末降深场、潜水位降深曲线以及地下水补排均衡量,并进行分析评价,得出主要结论为:(1)在地下水及煤矿现状开采条件下,未来30年末水源地地下水处于负均衡状态,负均衡主要为消耗深层侏罗系地下水资源储存量。(2)煤矿开采涌水主要对矿井及其周围的潜水位产生一定的影响,金鸡滩镇附近由于煤矿矿坑疏干地下水会形成一个较大的降落漏斗区域,潜水位最大净降深约3m,影响半径约15 km。(3)流域地下水位呈缓慢平顺的发展态势,没有出现地下水位急剧变化的情况,未来30年地下水位下降一般0.5~2.3 m,煤矿附近最大地下水位下降约3 m。研究成果可为榆溪河流域煤矿开采和水资源利用规划提供依据。     

变异条件下内蒙古呼包平原地下水演化趋势

重点探讨气候变异对内蒙古呼包平原地下水资源、地下水流场和动态的影响。在介绍呼包平原水文地质条件的基础上,运用地下水模型软件PMWIN 5.1建立了研究区双层地下水流模型,并根据1998年地下水动态观测和统测资料对模型进行识别。通过对近51 a降水量的分析,确定将连续出现的2个特枯年作为地下水的变异条件,运用地下水模型对变异条件下地下水状态进行模拟,结果表明：2年间对地下水的严重超采,使地下水亏空量达75 296.34 万m³,潜水和承压含水层的地下水位大幅度下降,潜水位最大下降4 m左右,承压水位最大下降17 m左右;漏斗中心主要集中在开采量大的呼和浩特和包头市区。     

抽水过程中潜水位变化的自然电位响应特征砂槽试验

设计加工扇形渗流槽模型,开展定流量单孔完整井抽水试验,结合自然电位(SP)实时动态监测,研究了潜水含水层抽水过程中水位变化及SP响应特征。结果表明：抽水时,潜水位和SP均快速下降并逐渐稳定,但潜水位降低至稳定时间较短,SP降低至稳定所需时间较长,具有滞后性。抽水流量越大,潜水位和SP降低幅度越大;距离抽水井壁越远,SP稳定所需时间越长。自然电位差ΔSP与水位降深s_w之间满足线性函数关系,ΔSP和径向距离r之间满足指数函数关系,根据拟合公式计算得到模型中不同位置处水位降深值,与观测水位降深比较发现两者之间误差较小,表明利用该式可以对抽水过程中潜水位进行计算预测。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

江苏徐州地区岩溶塌陷致塌力学模型及水位控制红线

岩溶塌陷实际是覆盖层土体变形破坏的一种特殊类型。通过调查研究,将徐州地区岩溶塌陷概化为"单一透水型盖层"、"透—阻型盖层"以及"单一阻水型盖层"三种地质模式,破坏模式为渗透变形破坏和剪切变形破坏,致塌模式分别为"潜蚀渗透-超临界水力梯度致塌"、"潜蚀软化—吸蚀—渗透力致塌"以及"真空吸蚀致塌"。建立了内部塌陷阶段以及地表塌陷阶段的综合力学模型,经新生街塌陷和溶剂厂塌陷验证,计算结果与实际情况基本吻合。以徐州典型塌陷区为例,分别对不同覆盖层厚度(40 m、30 m、20 m、10 m)、不同溶洞直径(4 m、2 m、1 m、0. 2 m)、不同下伏黏性土厚度(5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m)的稳定性进行试算,得到稳定性系数随水位降深的变化关系曲线,结果表明:覆盖层厚度越大、下伏黏性土厚度越大、溶洞直径越小、水位降深越小,稳定系数越高,越不容易塌陷;当洞穴直径小于1 m时,自然条件下土体均处于稳定状态;以稳定系数等于1为变形破坏的极限平衡条件,确定了最大水位降深及其空间分布,并据此作为岩溶塌陷的水位控制红线,为研究区岩溶水安全合理开采提供指导意义。     

西安地下水位埋深变化分析及预测

基于对近年来西安地区各地貌单元潜水和西安市区承压水埋深的分析,采用不同的模型,对水位埋深的变化情况进行了预测检验。并依据降水量和水文地质的分析,提出降水量和水位埋深相互照应的关系,地下水补给量减少的状况,可能对水位埋深变化产生的影响。结果预测,到2010年,西安地区各地貌单．元潜水平均埋深将超过16．9m,2006年,2008年市区的承压水位埋深可能分别达到94．1,90．2。讨论认为持续的水位下降将可能导致严重的后果。解决水位埋深变化带来的问题需要长期的研究和努力。     

Environmental impact assessment using FORM and groundwater system reliability concept: case study Jining, China

In this paper, fist-order reliability method (FORM) is used to evaluate the impacts of uncertainties posed by traditional deterministic models on the environment in Jining, China. Because of groundwater contamination in shallow aquifer, and an increase in water demand, the new wells target the confined aquifer with constant pumping rate of 5,000 m³/d. Using Theis equation, the groundwater drawdown is analyzed to determine whether the confined aquifer will be contaminated. Although the piezometric level is higher than the phreatic level by 11.0 m, the risk of drawdown is still 19.49% when the pumping rate of 5,000 m³/d is maintained for 2 years. The deterministic model indicates a drawdown of 8.94 m which is lower than the maximum tolerance drawdown of 11.0 m. The sensitivity and uncertainty analysis reveal that the model result is more sensitive to transmissivity than specific yield, while the reliability analysis offers significant information for the decision makers. This approach exposes and minimizes the risk of undesirable consequences such as groundwater contamination.     

Poroelastic analysis of cover-collapse sinkhole formation by piezometric surface drawdown

Where the water table is above the soil-rock contact in karst regions, cover-collapse sinkholes in the soil and soft sediment above the rock commonly occur as a result of drawdown of the piezometric surface in the karst aquifer. Transient stresses and pore pressures around soil voids at the soil-rock contact can cause hydraulic fracturing of the soil near the wall of the void. After the first such fracture, successive sloughing of soil propagates the soil void rapidly to the surface, resulting in a cover-collapse sinkhole. Sinkhole formation by this mechanism should be strongly a function of rate and magnitude of piezometric surface drawdown, permeability and tensile strength of the soil, and the size, depth, and geometry of the initial soil void. Large soil voids and those with walls that are partly planar or of low curvature are most susceptible to hydraulic fracture and the resulting progression to sinkhole formation.     

渗流井合理竖井降深确定

通过采用单位面积河流在单位水头差作用下的渗漏量来表征河流渗漏能力,建立渗流井取水理想模型,分别计算了在不同河流渗漏能力和含水层渗透性能条件下,竖井降深对渗流井出水量的影响。建立渗流井取水非稳定流模型,计算了在前期稳定竖井降深不同条件下,河流断流后渗流井出水量衰减过程及竖井降深发展过程。提出渗流井合理竖井降深应根据河流与地下水是否脱节以及含水层渗透性能,在岸边渗流井中部及一侧各布设一个观测孔,根据观测孔水位进行确定。对于含水层渗透性能较强地区,渗流井竖井降深应使得渗流井范围内地下水位与河流脱节,但高于辐射孔顶面;对于含水层渗透性能较差地区,渗流井竖井降深应使得侧部观测孔水位接近河床底面或刚出现脱节。     

西南某岩溶区地下水系统示踪试验与解析

以西南某典型岩溶区为例,解析示踪试验在岩溶管道连通性以及获取水文地质参数中的应用。选择落水洞为投放点,分别从落水洞西侧和东侧寻找地下水出露点作为接收点,判别落水洞地下径流的实际去向以及落水洞与接收点之间的水力联系。结合Qtracer2软件对示踪试验成果进行定量解析,确定示踪剂回收率、地下水平均流速、最快流速,估算出岩溶管道结构特征和水文地质参数。结果表明:落水洞与接收点JS01、JS03之间不存在直接水力联系;落水洞与接收点JS02存在水力联系且岩溶管道极为发育,含水介质不均匀,地下水运移路径较为通畅,为典型的紊流流态;落水洞地下径流的主要方向是由西向东,但在丰水期雨量较大期间,接收点JS04能够接收到荧光素钠,说明丰水期水位上涨后两者间会有水力联系,导致部分水量向落水洞西侧排泄。     

Hydrochemistry and isotope geochemistry as tools for groundwater hydrodynamic investigation in multilayer aquifers: a case study from Lomellina, Po plain, South-Western Lombardy, Italy

A multicriteria approach in studying hydrodynamics of a multilayer aquifer system has been used in the Lomellina region (Northern Italy). It involves the reconstruction of the hydrogeological framework coupled to the definition of the hydrochemical and isotopic features of the aquifers. A shallow phreatic aquifer, reaching depths of about 60–80 m from the surface, and deeper aquifers containing confined groundwater, were distinguished. Groundwater generally shows mineralisation decreasing with depth; dissolved ions depict calcium-bicarbonate hydrochemical facies and stable isotopes define the recharge mechanisms, the origin of groundwater, and the hydraulic confinement of deep aquifers. The phreatic aquifer is fed by local infiltration and by streams and irrigation channels. Tritium and Carbon-14 groundwater dating indicate long residence times (on the order of thousands of years) for confined aquifers. The confined aquifers show essentially passive hydrodynamic conditions and maintain a higher piezometric level than the phreatic aquifer. This inhibits the possibility of recent water penetrating far below the surface. The hydrogeological setting of the Lomellina region displays features which are common to other sectors of the Po plain. As a consequence, the results of this study, although conducted on a restricted area, are highly illustrative of groundwater hydrodynamics in large sedimentary aquifers.     

Specific yield of phreatic variation zone in karst aquifer with the method of water level analysis

Regime of groundwater level is a comprehensive reflection of the hydrogeological environment from the perspective of groundwater. Based on the analysis of the water-level change of 65 groundwater monitoring points from 1987 to 1990, it is found that intermittent cones of depression came into being due to groundwater exploitation in Guilin during the observation period. The buried depth of groundwater in the drawdown cones, the annual variation of water level and specific yield have higher values. Improvement has been made to the formula of infiltration coefficient of precipitation. By using the precipitation response data recorded at every 15 minutes for water level of No. 9 borehole which is near Zengpiyan Cave, the specific yield of phreatic variation zone is indirectly calculated by using the modified formula. The results are range from 0.012 to 0.462 and the spatial distribution of specific yield is ascertained. These make up the deficiency that empirical values cannot be categorized based on the actual conditions. What’s more, the widely used Aviriyanover’s empirical formula is poorly applicable to karst area. This is due to its strict requirement for outside conditions, such as shallow buried depth, homogeneous aquifer medium and small hydraulic gradient.     

岩溶场地地表水体对抗浮水位影响及取值研究

文章针对贵州山区岩溶场地中,近湖泊或水库分布场地、靠河流岸边场地、河湾场地、河流三角地场地等4种不同地表水体场地的抗浮水位取值进行了研究,得到如下结论:①抗浮水位取值可通过:勘察期间场区地下水最高水位（H_kmax）、可能的意外补给造成该层地下水位的变幅值（ΔH₀）、该层地下水相对勘察时的最大变幅值（ΔH_e）三者之和求得;②近湖泊或水库分布场地抗浮水位取值可以利用反推法或经验法获得。通过场地与湖（库）水水力比降反推在洪水期场地的最高地下水位;靠河流岸边场抗浮水位取值应以历史最高洪水位为基础,根据场区岩溶发育程度、建筑物与河流距离及水力比降综合分析确定,抗浮水位应在历史最高洪水位基础上增加0.5~1.0 m为宜;河湾地段场地抗浮水位取值应查明历史最高洪水位、水力坡降和场地岩体完整性、岩溶发育程度及规模,在岩体透水性、岩溶贯通好的场地增加0.5~1.0 m应较为宜;河流三角地段抗浮水位取值应确定地下径流方向、与河流间的水力比降及工程位置的最高水位,在岩体透水性、岩溶贯通好的场地增加0.5~1.0 m应较为适宜。      

岩溶塌陷发育机理模式研究

岩溶塌陷是我国岩溶区常见的地质灾害。目前,关于岩溶塌陷发育机理模式主要以力学分析为主。文章以岩溶塌陷过程为基础,探讨分析岩溶塌陷发育机理模式。依据地下水埋藏条件,土体分为包气带非饱和土体、潜水层饱和土体及承压水层承压性土体。根据“水-+土”相互作用,在包气带、潜水层和承压水层分别建立崩解作用、潜蚀作用和水力裂隙作用三种岩溶塌陷发育机理模式。      

库水位下降过程中土坡稳定强度折减有限元分析

采用强度折减有限元法,考虑边坡土体的非饱和-非稳定渗流过程,从坡体内浸润线位置、土体的渗透系数、水位下降速率、下降比及基质吸力等5个方面研究了水位下降过程中岸坡的整体稳定性。结果表明,水位下降速率对高渗透性土坡内孔压的影响显著,对低渗透性土坡内孔压影响较小,对边坡安全系数的影响程度可达15%。     

水位变化条件下粘性土渗流特征试验研究

开采孔隙承压含水系统，引起含水层水头下降。通常认为相邻含水层一经出现水头差，便会有通过粘性土层的越流渗透。但在粘性土两侧含水层出现水头差初期，粘性土内部水头降低缓慢，并伴随有释水压密过程。本文采用多用途饱水粘性土固结和渗透试验装置，对不同岩性的粘性土原状样进行了释水、吸水与越流发展过程之间关系的试验。试验表明，含水层水位升、降变化，首先引起相邻粘性土吸水回弹或释水压密，而后出现粘性土吸水或与释水越流并存阶段。越流的出现。明显滞后于含水层水头变化，当吸水或释水过程结束后，越流渗透达到稳定。越流滞后时间与土的固结程度有关，笔者采用一维固结理论提出了计算越流滞后时间的方法。