3D GIS下地下水流有限元数值模拟方法与应用

目前缺乏针对较强空间特性水文地质计算参数的高效采集方法与管理机制,而且现有孔隙地下水流有限元数值模拟在三维可视化与空间分析等方面仍存在很多不足。因此,本文以有限元数值计算方法和三维地理信息平台为基础,结合GIS空间分析算法和计算机图形学理论,针对孔隙承压地下水有限元分析过程的关键步骤（概念模型构建、空间离散、水文地质参数提取与赋值等）,提出了孔隙地下水有限元数值模拟过程在3D GIS下的实现方法和技术框架。基于水文地质钻孔数据和GTP（Generalized Tri-Prism）空间数据模型,以盐城市滨海平原水文地质区为研究区域,实现了地下水系统空间结构特征的三维表达,同时与地下水流有限元数值模型相耦合,提出了3D GIS模型与地下水非稳定流有限元数值模型耦合的核心处理算法,并在此基础上开发了3D GIS地下水流数值模拟系统。应用实例表明,该技术框架可有效简化有限元分析流程、优化模型计算效率、实现地下水有限元数值模拟过程及计算结果的三维可视化。     

鲁西北平原深层地下水动力场时空演化

深层地下水是鲁西北平原区特有的含水系统,具有分布范围广、埋藏深和开采恢复能力差等水文地质特征。近30年来的人工开采使天然流场发生了较大改变,形成多个规模不一、形态各异的超采漏斗。利用多年来区域研究成果和实测资料,在研究区域地下水循环系统的基础上,分析开采初期和开采条件下特征年份深层地下水动力场特征,研究鲁西北平原深层地下水演化程度。研究发现,近30年来,区域水头整体下降,地下水动力场发生了显著变化。除黄河三角洲全咸水区、莘县阳谷、嘉祥凸起周围降幅较小外,其余地区均大于20m,其中德州一武城、滨州-博兴、菏泽城区降幅均在60m以上,德州、滨州漏斗中心降幅大于100m。目前已造成德州、滨州、东营、菏泽、济宁等城区不同程度的地面沉降。     

淄博开发区纸业公司搬迁改造对地下水环境的影响预测

地下水资源是人类赖以生存和发展的重要保证,但我国地下水环境的形势不容乐观,对新建项目进行地下水环境影响预测并提出科学有效的地下水污染防治措施十分重要。该文以淄博开发区纸业公司搬迁改造项目为例,概化建立了水文地质概念模型,利用地下水非稳定流数值模拟对模拟范围内地下水时空分布规律进行研究。在此基础上,建立地下水溶质运移数值模型,选取COD、氨氮为污染因子,重点预测了非正常工况和事故工况下新建项目影响地下水环境的范围及程度。结果表明,非正常工况下该新建项目对地下水环境的影响程度更大,但采取严格保护措施后可防止污水泄漏进而污染地下水。     

庄里水库建设对地下水水位的影响

庄里水库位于羊庄盆地水文地质单元内,水库建设将使地下水补径排条件和流场发生改变,根据羊庄盆地水文地质条件、地下水开发利用状况,采用Visual Madflow4.1软件,建立地下水水流模型,模拟庄里水库建成后对地下水水位和流场的影响,提出地下水水源保护措施。     

模型嵌套技术在济南趵突泉泉域数值模型中的应用

在地下水数值模型中,经常需要对某一重点区进行详细刻画,模型嵌套技术仅需对原有模型进行较小的修改,并不需要重新进行网格剖分,就可以达到网格加密的目的。该文在系统分析济南趵突泉泉域水文地质条件的基础上,采用地下水数值模拟软件GMS10.0,建立了覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型,利用更加灵活、高效的共享节点的嵌套技术,对济南西郊重点区域进行加密,并与未加密、全局加密的模拟结果进行对比。结果表明:LGR在提高加密区和非加密区模拟精度的同时,大大缩减了模型的运行时间,并减小了磁盘空间的占用。随着济南市地表水转化地下水工程的建设,LGR可以应用于对断裂、补源河流、回灌井等的精确刻画,更好的为社会、工程服务。     

澜沧江上游河谷卸荷松弛区地下水位分布成因

澜沧江上游两岸山体普遍存在强卸荷松弛和地下水位低缓现象,深入研究岸坡卸荷松弛区水文地质特性可为开展水电工程运行期渗流特征分析和渗控设计提供依据。澜沧江深切河谷区地下水位低缓成因复杂,选取上游某水电站坝址区为研究对象,从区域条件和局部条件综合分析地下水位低缓的原因,构建研究区考虑卸荷松弛分带的水文地质结构和地下水流模型,模拟与验证自然条件下地下水渗流规律。结果表明：研究区地下水位低缓既受控于区域地下水流与澜沧江的共同作用,又是河谷岸坡坡度、表层滑带、岩层结构、卸荷裂隙等局部水文地质条件阻碍降雨入渗补给地下水的内部表现;降雨径流受地形控制,主要经地表及强卸荷裂隙排泄至澜沧江,降雨入渗补给仅占地下水总补给量的5.50%。     

岩溶含水层饱和-非饱和流动与污染物运移数值模拟

岩溶含水层中的地下水是重要的可饮用水来源, 由于其复杂的水文地质特征, 采用数值模型分析和评价含水层中地下水环境极具挑战性。采用变饱和度流动方程描述含水层基质中的饱和-非饱和流动, 采用管道流方程描述岩溶管道中的层流及紊流流动, 基于流动解采用对流弥散方程分别描述基质与管道中的溶质迁移过程。根据相关实验数据以及MODFLOW-CFP程序的模拟结果对流动模拟的准确性进行验证, 并基于此开展了岩溶管道以及非饱和参数对地下水流动及污染物迁移影响的模拟。结果显示, 数值模型能很好地重现含水层中饱和区与非饱和区以及岩溶管道的地下水动态, 岩溶管道对含水层的渗流场产生了较大的影响。管道中快速流动的特性使得周围的水向其中汇集, 影响了局部流动场, 进而使得泄露的污染物质随水流进入管道, 快速向管道出口处(泉点)迁移, 突破曲线显示管道出口处的污染物浓度响应速度远快于基质中对应的位置, 非饱和参数对管道中污染物浓度的响应速率有着不同程度的影响。建立的模型完善了岩溶含水层中非饱和区地下水流动、污染物运移以及基质-管道流动与溶质运移耦合模拟等方面的工作, 加深了对岩溶含水层地下水动力学以及污染物迁移过程的认识, 对岩溶水文地质及地下水环境等方面具有重要意义。      

鲁中南水文地质区水源地防污性评价

地下水防污性能评价是研究和预防地下水污染的一种有效途径,为了评价山东省鲁中南水文地质区重点地下水水源地防污性能,本文采用DRASTIC评价模型对区内112个水源地地下水防污性能进行评价研究。研究表明,区内大部分岩溶水源地和孔隙水源地防污性能处于中等以上,且岩溶水源地整体防污性能要高于孔隙水源地。岩溶水水源地防污性能具有明显的区域性特点,不同水文地质亚区岩溶水源地防污性能差异较大,且岩溶水系统功能分区是影响岩溶水源地防污性能的重要因素。孔隙水源地受含水层岩性、水位埋深,包气带厚度等因素控制,防污性能相对较差。本研究将为鲁中南水文地质区地下水资源保护划分、地下水资源合理开发利用提供科学依据。     

青岛市黄岛区潮河水源地地下水数值模拟

在分析研究青岛市黄岛区潮河流域水文地质条件基础上,建立了水文地质概念模型和地下水流数值模拟模型,利用地下水水位动态监测资料对模型进行了识别,并预测了三枯一丰一平条件下地下水最大开采量以及水位、降深分布情况。结果表明,模型验证拟合结果较好,地下水最大开采量为2.4万m3/d,地下水开采不会引起地面沉降、海水入侵等问题。     

浅谈VisualModflow和FEFLOW

地下水数值模拟是各种数值方法在水文地质计算中的应用,是目前定量研究地下水水资源量的重要手段。VisualModflow和FEFLOW都是当前世界上十分流行的可用于模拟三维地下水流和溶质运移模拟评价专业软件系统,属商业软件。它们都具有直观的、强有力的图形交互界面,模型剖分、输人参数和模拟结果,都可以用图形显示,并支持三维可视化,做到了真正的人机对话,在许多行业和部门内得到了广泛的应用。但同时,它们之间却存在着许多差别,各有千秋：     

长清孝里铺水文地质单元岩溶地下水资源量计算及开采潜力分析

在收集利用前人研究成果的基础上,计算岩溶地下水补给资源量,通过调查统计获得岩溶地下水开采资源量,采用水均衡法和数值法计算岩溶地下水可增采资源量,并分析增采潜力。通过水文地质条件分析,将归德镇附近富水地段作为增采潜力开采区,最后提出岩溶地下水开发利用建议。     

鄂尔多斯盆地都思兔河流域白垩系含水层特征及供水前景分析

在鄂尔多斯盆地都思兔河流域供水水文地质详查的基础上,通过水文地质钻探、抽水试验、样品分析等手段,查明了流域含水层的结构、埋深以及含水层和隔水层在水平和垂直方向上的变化规律,探讨了各含水层之间的水力联系,并求取了含水层的水文地质参数;对比圈定了包乐浩晓、巴彦布拉格、好勒包勒吉3处富水区;采用地下水流数值模拟方法对上述3处富水区地下水开采量进行计算,提出了27种地下水开采方案,并经过对比得到地下水开采推荐方案。结果表明:包乐浩晓、巴彦布拉格、好勒包勒吉3处富水区主要补给为侧向径流及大气降水入渗补给,排泄方式以潜水面蒸发及向河流排泄为主;在地下水浅埋区,结合含水层单井涌水量的大小,确定采用管井开采方式、中段悬挂式非完整井结构,平均布井,井深300m,单一开采白垩系环河组的地下水,最大限度夺取潜水蒸发排泄量;根据推荐方案,上述3个富水区总开采量达到123 500m3/d,可为该地区地下水资源开发与利用提供技术保障。     

近50 a来新疆孔雀河灌区地下水流系统演变特征

新疆孔雀河灌区面临地下水超采问题，科学认识区域地下水流系统的发育条件和演变特征，是优化地下水资源开发利用方式的基础。通过构建第四系含水层三维地下水稳定流模型，利用流线追踪技术，模拟识别了孔雀河流域1970-2020年期间地下水流系统的变化特征。结果表明，不同补给区和排泄区通过流线进行组合，在孔雀河周边形成了交错分布的地下水流系统，其空间分布格局随灌区地下水开采规模而变化。在20世纪70年代的拟天然状态，灌区主要发育自北向南的地下水流系统，其空间分布格局取决于水文地质参数和排泄要素，并可能存在1~4个以孔雀河为排泄带的流动系统。在有强烈地下水开采的现状条件下，灌区地下水流系统转变为从四周流向漏斗中心，截断了从孔雀河上游渗漏到中下游河道排泄的水流系统。近50 a来，以潜水蒸发为排泄方式的地下水流系统投影面积萎缩了29%，而以地下水开采为排泄方式的地下水流系统投影面积从零增加到研究区面积的40%。潜水蒸发对自然生态系统具有重要的支撑作用，灌区地下水开采应有所控制以保障潜水蒸发型地下水流系统的发育条件。      

江苏沿江开发带地下水开采与地面沉降三维数值模拟

根据江苏沿江开发带地下水系统的水文地质机制以及地面沉降机理,在概化出江苏沿江开发带的地下水系统水文地质概念模型和地面沉降模型的基础上,建立了江苏沿江开发带地下水开采与地面沉降三维数值模型。并针对各种开采方案下地面累积沉降量最少的原则,给出了各含水层的最优开采方案。     

菏泽黄泛平原地区浅层地下水资源可持续开发利用潜力分析

对菏泽黄泛平原地区浅层地下水资源潜力进行了分析,采用地下水开采潜力指数法来分析开采程度的强弱,判定其开采潜力。全区浅层地下水尚处于正均衡状态,属有开采潜力区。为保持区内地下水资源的可持续利用,将全区按照科学合理的采、补、控、改等原则分为增源区、增采区、节水区和咸水改造利用区分区。     

济宁地区北部岩溶地下水资源计算与潜力评价

济宁地区北部赋存有较丰富的岩溶地下水,目前已纳入当地开发利用规划。为防止过量开采引发不良环境地质问题,对该岩溶系统的资源潜力进行了科学评价。在查明济宁地区北部水文地质条件的基础上,利用水量均衡法与数值模拟法对该区岩溶地下水资源量进行了计算,通过分析地下水资源潜力模数,该区岩溶地下水资源潜力较大。