娘子关泉水流量的系统理论分析

娘子关泉水是一个岩溶裂隙泉水,位于山西省娘子关附近。它的多年平均流量12.6立方米/秒,泉域面积3,560平方公里。娘子关泉水是中国最大的泉水之一。 泉水的数学模型可以写作: Q_t=sum from i=k to n P_(t-i)W_(i+a) 式中,Q代表泉水流量(立方米/秒);P代表降水量(毫米);W代表权系数;a代表流量误差(立方米/秒),t代表时间(年)。 利用泉水流量和降水量的观测资料,运用电子计算机,我们得到权系数:W_0=0.00364;W_1=0.00781;W_2=0.00646;W_3=0.00476;W_4=0.00522;W_5=0.00524;W_6=0.00423;W_7=0.00238;a=-0.002立方米/秒。 考虑到娘子关泉水流量与7年内的降水量关系最密切,参考区域性水文地质参数,我们计算地下水流速为10公里/年,地下水库调节库容为14立方米亿,含水层的给水度为0.0023,含水层的渗透系数为10.5米/昼夜。 另外,我们可以利用下式予报娘子关泉水流量: Q_t=0.00364P_t+0.00781P_(t-1)+0.00646P_(t-2)+0.00476P_(t-3...      

山西省岩溶泉水

山西省处于山西台背斜范围之内,出露有寒武奥陶系石灰岩3.5万平方公里。在石灰岩断块隆起山地的深切河谷和断陷盆地的山前地带,出露有流量大于0.1立方米/秒的岩溶泉水89处,其中流量大于1立方米/秒的岩溶泉水25处。总流量达100—125立方米/秒。 这些岩溶泉水的流量稳定、水质良好、流量很大,最大的几个泉水枯季流量高达8—15立方米/秒,可以与世界上最大的泉水相媲美。其中不少泉水已经作为农业灌溉和城市供水的重要水源(据《水经注》记载,晋祠泉水于公元前453年战国时代即开始大规模引泉灌溉,是我国最早修建的灌渠。兰村泉水附近,用虹吸方式每昼夜采取岩溶地     

娘子关泉水流量的GM(1,2)时滞预测模型

娘子关泉位于山西省阳泉市平定娘子关附近,多年平均流量10. 93m3 /s,是我国北方最大的岩溶泉群。泉域西高东低,西部多为古生界二叠系、中生界三叠系砂页岩覆盖,大气降水入渗在这里形成浅层地下水,这些浅层水是深层岩溶含水层的间接补给水源; 泉域东部为岩溶裸露区,大气降水直接入渗补给深层岩溶水。由于岩溶泉域地质结构的复杂性和含水介质的多重性,泉域降水对泉水补给具有明显的灰色动态特征和时滞效应。本文应用灰色系统理论方法,建立了GM( 1, 2) 时滞模型,运用该模型对娘子关泉水流量进行了预测,结果与实际相接近。      

基于地下水压力波传播过程的泉水流量灰色系统模型

根据岩溶地下水的运动特征,提出了岩溶地下水压力波形成与传播的概念模型,运用灰色系统理论建立了岩溶地下水的水文模型,包括泉水流量对降水量水力响应时间的求解方法及泉水流量对降水量的响应模型,并以山西柳林泉为研究对象,建立了泉水流量对泉域内不同区域降水量的水力响应时间求解模型。结果表明,泉域南部岩溶裸露区的水力响应时间为1年;泉域北部岩溶覆盖区的水力响应时间为7年,所得结论与泉域地质构造一致。基于南、北二区的水力响应时间,建立了带有时滞的描述泉水流量与降水量关系的GM(1,3)模型,模型回代检验的平均误差为6.05%;模型预测检验的平均误差为12.19%。研究证明,岩溶地下水的运动过程是压力波的形成与传播过程,泉水流量是地下水系统对大气降水的响应;水力响应时间是反映岩溶地下水压力波特性的主要参数,通过它可以实现对岩溶地下水过程的定量化描述和含水层的非均质性识别,基于岩溶地下水压力波传播原理建立的泉水流量对泉域内降水的响应模型可以比较准确地模拟泉水流量,为岩溶地下水资源的开发利用和保护提供了基础资料。     

GM(1,1)分解模型与ARIMA模型在岩溶地下水模拟中的对比研究——以柳林泉流量模拟为例

本文运用GM(1,1)分解模型和ARIMA模型分别模拟柳林泉流量。根据影响特征将泉水流量变化分为两个时段研究:1957—1973年泉水流量处于自然状态;1974—2009年泉水流量受气候变化和人类活动双重影响。运用第1时段的数据建模获得自然状态下泉水流量的模型,将模型外推,获得第2阶段自然状态下泉水流量,然后根据水量平衡原理,减去同期实测流量,获得人类活动对泉水流量衰减的贡献。GM(1,1)分解模型的结果显示,从20世纪70年代到21世纪初柳林泉衰减量为2.26m3/s;ARIMA模型的结果为2.32m3/s;与同期实际衰减量2.27m3/s比,相对误差分别为0.44%和2.20%,表明两种模型都适用于泉水流量的模拟。对比人类活动和气候变化对柳林泉流量衰减的贡献,两个模型得到同样结果,即人类活动的贡献是气候变化的8～9倍。实证研究显示,GM(1,1)模型适用于指数序列的模拟,对具有周期波动的泉水流量,可通过周期修正提高精度;而ARIMA模型能够较好地反映泉水流量相对于降水量的时间滞后效应,能比较准确地模拟泉水流量与降水量的量化关系。      

利用自然水动态方法计算岩溶含水体贮水系数S数学糢型

数学模型的建立根据泉水流量Q和其有水力联系的钻孔水位h的同步水动态观测系列数据,推导出下列计算贮水系数S的解析式:或 (1)式中;V_e——大气降水有效渗入量米~3 [L~3]H_0~n——水位上升平均繁积量毫米 [L]F——补给面积公里~2 [L~2]I_e——大气降水有效渗入系数 [无量纲]ΣP_1——降水总量毫米 [L] 依据流量动态法数学模型计算出V_e或J_e即V_e=V_s-V_r (2)或 (3) 式中:V_s——泉水排泄总容积(米~3),通过Q～t     

吐鲁番大草湖矿泉水水源地允许开采量评价研究

以新疆吐鲁番市大草湖水源为研究对象,在对研究区地下水含水层特征、补径排条件以及水文地球化学特征进行分析的基础上,对研究区矿泉水的水质进行评价,并通过泉水流量衰减方程计算大草湖水源地允许开采量,结果可知:研究区内含水层主要为单一结构的孔隙潜水含水层,区内东北部小范围含水层富水性为丰富,单井涌水量在1 000～5 000 m~3/d,其余区域含水层富水性为中等,单井涌水量在100～1 000 m~3/d;矿泉水中锶的含量在0.41～0.44 mg/L之间,含量较稳定,水温在12℃～14℃,符合饮用天然矿泉水水质要求,可定名为锶型饮用天然矿泉水。计算出的大草湖水源地保证程度大于95%的流量为2 710×10~4 m~3/a,而矿泉水厂年取水量10×10~4 m~3/a(273.97 m~3/d)只占剩余水量的1.19%,不会对现状用水户造成影响,保证程度高,可作为矿泉水开发的允许开采量。研究结果为区域后期矿泉水的开发利用提供了水文地质依据。     

气候变化及人类活动对中国北方岩溶泉的影响——以山西柳林泉为例

中国是岩溶最发育的国家之一,全球岩溶面积的1/4分布在中国.由于岩溶含水层对环境变化非常敏感,岩溶泉已经成为人们研究气候变化与人类活动对环境影响的重要信息载体.本文以中国北方具有代表性的柳林泉为研究对象,经过分析认为1957～1973年泉水流量基本上处于自然状态,因此,我们利用1973年前的泉水流量,建立了气候变化条件下泉水流量的灰色系统模型,将该模型外推,获得了1974～2005年气候变化条件下的泉水流量,与同期实测流量相比较,得到了人类活动对泉水流量衰减的贡献.结果表明,1974～2005年,气候变化对泉水流量衰减的贡献仅为人类活动对泉水流量衰减贡献量的8.1%～8.6%,人类活动对泉水流量的衰减起着主要作用.在人类活动对泉水流量的影响中,地下水开采量仅占到其中的20%～35%;其他因素包括水库的修建、跨区域地下水袭夺、矿坑排水、泉域内森林植被的破坏等等,他们对泉水流量衰减的贡献占到65%～80%.因此,传统的单纯以地下水开采量作为人类活动对泉水的影响是不合理的.     

论东门河岩溶病害水库的渗漏原因及途径

<正> 东门河水库位于黔西北的仁怀县城郊,系位于下游的盐津河水电站调节水库。库容1250万立方米,设计坝高63.5米,当坝高建至16米时,库内发生严重渗漏,水位一直不能抬升,成一停工待处的岩溶病害水库。库区属中低山地形,地势东北高,西南低,切割剧烈、山脉、河流与主体地质构造均作北北东向展布,河流基流量0.2立方米/秒,两岸有大量的溶洞、漏斗、洼地,呈裸露型层状岩溶地貌景观(图1)。      

论"单位涌水量就是导水系数"

单位涌水量是井抽水水位降深换算为1 m时的单井出水量;导水系数是含水层宽度为1 m时,地下水水力坡度为1时的单宽流量.二者之间从定义上看毫无关系,但它们的单位(m3/d·m)(m2/d)是相同的.笔者经过多年探讨和初步试验后发现,单位涌水量就是管井抽水所利用含水层的导水系数.     

极端降水对娘子关泉流量的补给研究

采用广义极值Pareto分布模型（GPD）研究娘子关泉域的月最大降水,并在剔除人类活动造成的泉水流量下降趋势（亦即平稳化）后,研究不同重现期的极大月降水量与平稳化后的泉水年平均流量的关系,以获得极端降水与泉水流量的相关关系。结果表明,娘子关泉域的极大月降水与之后第2 年的泉水年均流量关系最为密切。此外,文中还给出了相应的量化关系表达式,并据此估算娘子关泉域重现期为20、30、50、100年的月降水量分别为280 mm、295 mm、315 mm、338 mm,其对之后的第2年的年均泉流量补给分别为1.58m3/s、1.83m3/s、2.16m3/s和2.55m3/s。      

山西娘子关泉群及其水的来源

娘子关泉域群泉是中国北方最大的岩溶泉,泉域汇水面积达7 436 km2,前人认为:泉域内岩溶水由北、西、南3面向娘子关一带径流汇集,由于娘子关一带下奥陶系燧石团块或条带白云岩相对隔水层隆起,并被桃河侵蚀出露,使岩溶地下水溢出地表成泉群,其主要含水层为中奥陶系含石膏碳酸盐岩。但各泉的水化学、同位素特征有差异,娘子关泉群并不是出自统一源。文章通过水化学、同位素、水文地质剖面等方法研究得出: 娘子关泉域存在两个含水层、三个子系统:中奥陶系灰岩含水层和中上寒武系白云岩含水层;西部奥陶系岩溶水系统、东部奥陶系岩溶水系统和东部中上寒武系岩溶水系统。泉域内城西泉与程家泉出露于中奥陶系下马家沟组泥灰岩之上,含水层为中奥陶系灰岩裂隙、溶隙水,由于区域下马家沟组泥灰岩隆起隔水出露地表成泉,属于东部奥陶系岩溶水系统;坡底泉、五龙泉、河北泉、水帘洞泉、苇泽关泉其补给主要来源于中上寒武系含水岩组,为承压上升泉,属于东部中上寒武系岩溶水系统。      

娘子关泉流量衰减原因的初步定量化分析

以娘子关泉为例,从水资源系统观点出发,通过系统水资源要素间转换关系的分析,对引起娘子关泉流量的衰减原因进行了初步量化计算。结果表明,在娘子关泉1956- 1979年和1980- 2000年前后两个系列平均流量所减少的4. 07m3 /s中,由于降雨减少、气温升高引起的泉流量减少量为1. 28m3 /s; 泉域西部采煤等导致的水环境变化引起的泉流量减少量为0. 84m3 /s;岩溶地下水直接开采引起的泉流量减少量为1. 48m3 /s。      

山西娘子关泉水及污染成因再分析

山西娘子关泉水是我国北方最大的岩溶泉水之一,也是世界著名大泉,上世纪80年代前多年平均天然流量12.6 m3/s。文章利用1∶5万娘子关泉域岩溶水文地质环境地质调查项目勘探调查成果,对以下2个问题开展再分析:（1）娘子关泉水的成因,勘探等资料表明绵河南岸五龙泉、苇泽关等泉组主要接收下部中、上寒武统含水岩组岩溶水的补给,而非前人研究来源于上部中奥陶至下奥陶含水岩组补给;（2）结合水文地质条件,采用同位素等方法分析,认为部分地区煤矿老窑水的出流是导致娘子关泉水近年来加速污染的主要原因。      

Karst groundwater management by defining protection zones based on regional geological structures and groundwater flow fields

In a semiarid region, the karst aquifer generally forms a large groundwater reservoir that can play an important role in regional water supply. But because of the specific physical properties of karst aquifers, they are vulnerable to pollution and anthropogenic impacts. Karst groundwater management strategies are vital. As representative of karst springs in a semiarid area, Niangziguan Springs is located in the east of Shanxi Province, China with an annual average rate of discharge of 10.34 m³/s (1956–2003) (Y. Liang, unpublished data). The Niangziguan Spring Basin covers an area of 7,394 km² with an annual average precipitation of 535 mm (1958–2003) (Hao et al. in Carsologica Sinica 23(1):43–47, 2004). Over the past three decades, accelerated groundwater exploitation has caused water-table decline in the aquifer, reduction of the spring discharge, and deterioration of water quality. In this study, three protection zones were defined to ensure the quality and capacity of this resource. The confluence of the 11 spring systems and the discharge areas were defined as I protection zone, the recharge basin was II protection zone, and the slack water area where there is little surface recharge was the III protection zone. Management strategies for each zone were suggested and evaluated to provide a scientific foundation for sustainable utilization.     

娘子关泉域岩溶水SO42-、δ34S特征及其环境意义

在分析区域地质、水文地质条件及水化学同位素的基础上,研究了山西娘子关泉域岩溶水的SO42-、硫同位素分布特征。研究表明:（1）泉域西北、西南地区岩溶水的SO42-主要来源于石膏的溶解;（2）泉域中部汇流区岩溶水的SO42-含量高而δ34S值低,其中的SO42-主要来源于煤系矿坑水,这是因为温河、桃河及南川河沿岸的岩溶水接受了被矿坑水污染的河水的渗漏补给以及部分地区受到钻孔串层污染;（3）娘子关泉群中城西泉水中的SO42-主要来源于煤系矿坑水,而五龙泉和集泉站水中的SO42-主要来源于石膏的溶解;（4）泉域东北部及东部河流沿岸以外的地区,岩溶水中的SO42-主要来源于大气降水、石膏溶解,并受到所处地层岩性的影响。      

娘子关泉域岩溶地下水位变化特征及成因

利用多年观测资料,结合地下水补、径、排条件,分析娘子关岩溶地下水动态变化特征及成因。结果表明:（1）娘子关泉群流量在1980-2004年前总体表现为下降状态,2004年之后趋于稳定并略有回升;（2）岩溶地下水位动态空间上表现为地下水补给区比径流区变化大,时间上则分为两个不同时间段:1980-2004年表现为持续下降状态,2005-2014年表现为波动缓慢下降,部分地区水位小幅回升;龙庄岩溶地下水1998年1月到2004年1月水位下降22.9 m,平均年变幅3.82 m,2005年5月到2014年5月水位升高1.5 m,年均变化-0.17 m。      

基于多元线性回归的表层岩溶泉流量预测

利用贵州省安顺市普定县陈旗小流域泉流量动态变化及降雨观测资料,根据泉流量系列自相关和偏自相关以及降雨-泉流量系列互相关分析,确定泉流量系列以及降雨-泉流量响应滞时,建立泉流量与降雨及前期泉流量的多元线性回归模型。率定期(模型参数率定的时段)模型的输出结果与实测流量过程线较为吻合,效率系数为0.996,均方误差为3.0×10-7m3/s,平均相对误差为2.12%。验证期效率系数为0.985,均方误差为3.96×10-7m3/s,平均相对误差为5.36%。研究也同时表明,随着预测时段的增长,泉流量消退阶段的预测误差增大,因此文中所建模型用于10小时之内泉流量预测较为可靠,六场降雨后泉流量退水过程预测的泉流量相对误差平均值小于5%。      

优化技术在娘子关泉域岩溶地下水开采资源量评价与管理中的应用

我国北方岩溶地下水，多数是以泉域水资源系统为单元进行循环的，各岩溶地下水系统以规模大、系统结构复杂为典型特征。在岩溶地下水开发利用过程中，如何兼顾各开采水源地的开采量、井采与泉水流量问等关系，以避免出现水文地质环境问题，是多年来水文地质界一直关注的问题。本文将水资源系统与供水系统相结合，采用优化技术建立了娘子关泉域岩溶地下水评价管理模型，以此为基础提出了多种开发方案，为类似地区的地下水评价与开发管理提供范例。