基于GMS的岩溶山区三维地下水流模式识别

以高岚河东部多条支沟切割形成的连排型河间地块为研究区,基于1∶5万岩溶水文地质调查成果,利用GIS技术和径流分割,量化岩溶含水系统顶底板高程、获取入渗补给系数及地下水径流量等数据,运用三维地下水流数值模拟及粒子追踪地下水流线的方法,得出了研究区的地下水流模式。其结果表明:研究区地下水流模式主要受区域尺度的势源和势汇控制,局部的地形起伏对地下水位的影响不明显;支沟切割较深的凉伞沟、滩淤河流域,水流驱动力大,有利于局部水流系统的发育;随着东部补给高程的增加,流程逐渐增长,多发育局部水流系统,至山脊附近多发育排泄至高岚河的中间水流系统。当研究区年降雨量由中等的1 021.1 mm降为多年最低的725.5 mm时,由东部补给区排泄至高岚河的中间水流系统增加;在此降雨强度区间,不具备发育越过河间地块的中间或区域地下水流系统。      

苏锡常地区主采层地下水流数值模拟

本次数值模拟是从苏锡常整个大区域考虑,建立统一的主采层地下水流模拟模型,通过对水文地质概念模型的重新认识及边界条件的合理概化,较大程度地减少了人为因素引起的误差.利用已校正过的模型对该地区禁采后地下水水位恢复情况进行了预测,结果显示该模型较适用于实际.     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

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0.8722.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.     

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。     

红碱淖—沟岔地区地下水流系统研究

本文根据对红碱淖－沟岔地区地下水形成的背景条件、水化学特征、环境同位素组成的分析和剖面地下水势的计算，把研究区划分为２个区域地下水流系统和３个局部地下水流系统，对不同等级地下水流系统的边界、系统的循环作了详细探讨，深刻揭示了这种复合地形区、均质含水介质中地下水流的循环模式。     

松嫩平原地下水流动模式的环境同位素标记

采用同位素水文学方法并结合传统水文地质方法,识别松嫩平原地下水流动模式。氢氧稳定同位素和地下水年龄分布表明该区地下水流动系统流动模式呈现出局部流、中间流和区域流系统。地下水中氚分布深度指示局部水流系统为现代水循环系统,以垂向运动为主要特征,循环深度一般小于50 m,山前区可达100m以下;区域流系统存在于深部承压含水层,以侧向水平径流为主要运动特征。松辽边界附近的环境同位素特征存在明显的差别,指示天然状态下可视为零通量边界。同位素示踪剂也反映出嫩江和地下水的相互作用关系,在齐齐哈尔以北,江水补给地下水;在齐齐哈尔以南,地下水向嫩江排泄。     

改变入渗强度的地下水流模式实验

自Tóth提出地下水流系统理论以来,大多学者基于定水头上边界的解析解或数值模拟研究地下水流系统发育特征,尤其是多级水流系统模式。认为复杂的盆地地形势就会发育多级地下水流系统,简单地形发育单一地下水流系统。利用自主研发的地下水流系统砂槽模型进行系列实验发现,实验条件下(模型尺寸、介质和多个河谷不变)水流系统的发育受控于降水入渗强度。得出随着降水入渗强度的增大,水流系统模式由单一的区域水流系统,到复杂的多级次水流系统,再到局部的水流系统的结论;盆地多个势汇中,只有实际成为地下水排泄点的汇势才能影响地下水流系统模式,而其他的势汇只是可能的潜在势汇。实验表明,用定流量上边界(降水入渗强度)能够更好地揭示盆地地下水流系统模式发育与变化机理。     

北京市平谷盆地地下水三维数值模拟及管理应用

为缓解北京城区的用水紧张问题,平谷区建立了王都庄和中桥两个应急水源地。持续过量的开采导致盆地内水位急剧下降。为研究大规模开采对平谷盆地地下水系统的影响,并分析不同地区的开采潜力,本文建立了合理刻画三维地下水流动特征的数值模型,对五种不同的开采方案进行模拟。模拟结果表明,丰水条件下地下水位回升明显,王都庄水源地补给条件优越,尤其是盆地上游地区,具有更大的开采潜力;而盆地中下部应适当限制开采,避免水位下降过快。高仿真的数值模型可作为强有力的管理辅助工具,为地下水资源分析及合理利用提供科学的技术支持。     

Hydrochemical evidence for mixing of river water and groundwater during high-flow conditions, lower Suwannee River basin, Florida, USA

 Karstic aquifers are highly susceptible to rapid infiltration of river water, particularly during periods of high flow. Following a period of sustained rainfall in the Suwannee River basin, Florida, USA, the stage of the Suwannee River rose from 3.0 to 5.88 m above mean sea level in April 1996 and discharge peaked at 360 m³/s. During these high-flow conditions, water from the Suwannee River migrated directly into the karstic Upper Floridan aquifer, the main source of water supply for the area. Changes in the chemical composition of groundwater were quantified using naturally occurring geochemical tracers and mass-balance modeling techniques. Mixing of river water with groundwater was indicated by a decrease in the concentrations of calcium, silica, and ²²²Rn; and by an increase in dissolved organic carbon (DOC), tannic acid, and chloride, compared to low-flow conditions in water from a nearby monitoring well, Wingate Sink, and Little River Springs. The proportion (fraction) of river water in groundwater ranged from 0.13 to 0.65 at Wingate Sink and from 0.5 to 0.99 at well W-17258, based on binary mixing models using various tracers. The effectiveness of a natural tracer in quantifying mixing of river water and groundwater was related to differences in tracer concentration of the two end members and how conservatively the tracer reacted in the mixed water. Solutes with similar concentrations in the two end-member waters (Na, Mg, K, Cl, SO₄, SiO₂) were not as effective tracers for quantifying mixing of river water and groundwater as those with larger differences in end-member concentrations (Ca, tannic acid, DOC, ²²²Rn, HCO₃). Received, March 1999 / Revised, July 1999 / Accepted, July 1999     

地下水流数值模型的分解与叠加

叠加原理在水文地质计算中的应用相当普遍,但一般局限于地下水流模型的解析解,本文扼要介绍了线性定解问题的叠加原理,在此基础上提出了线性离散模型的叠加原理,进而讨论了线性离散模型的叠加原理在地下水流数值模型中的应用一一地下水流数值模型的分解与叠加.模型分解与叠加既可用于解析分析也可用于数值计算;同时不仅可以简化复杂模型的求解问题,更有助于理解地下水变化过程.     

Determining concentration fields of tracer plumes for layered porous media in flow-tank experiments

 In the laboratory, computer-assisted image analysis provides an accurate and efficient way to monitor tracer experiments. This paper describes the determination of detailed temporal concentration distributions of tracers in a flow-tank experiment by analyzing photographs of plumes of Rhodamine dye through the glass wall of the tank. The methodology developed for this purpose consists of four steps: (1) digitally scanning black and white negatives obtained from photographs of the flow–tank experiment; (2) calibrating and normalizing each digitized image to a standard optical-density scale by determining the relation between the optical density and pixel value for each image; (3) constructing standard curves relating the concentration in an optical density from five experimental runs with predetermined concentrations (2–97 mg/L); and (4) converting the optical density to concentration. The spatial distribution of concentration for two photographs was determined by applying these calibration and conversion procedures to all pixels of the digitized images. This approach provides an efficient way to study patterns of plume evolution and transport mechanisms. Received, March 1998 Revised, September 1998 Accepted, October 1998     

区域地下水流数值模拟的方法和实践 ——以华北平原为例

平原(盆地)和流域尺度的地下水流数值模拟对于区域地下水资源合理开发利用具有重要意义。本文在总结分析国内外区域地下水资源数值模型特点的基础上,重点介绍了华北平原区域地下水流数值模型,并指出了区域地下水流数值模拟中存在的问题。     

含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响

地下水数值模拟是目前定量研究地下水水量和水质的重要手段。使用基于随机理论的MonteCarlo方法来进行地下水数值模拟。这种方法能较好地考虑水文地质参数的空间变异性。主要将MonteCarlo方法和确定性模型模拟方法的模拟结果在渗透系数场、水头场、速度场和浓度场等方面进行了比较。结果表明:在模拟三维非均质含水层中的溶质运移问题时,充分考虑了含水层渗透系数空间变异性的MonteCarlo法比确定性方法更为有效,模拟精度提高了很多,且对模拟误差及误差来源有合理的数学解释。     

美国Sand Hills地区地下水数值模拟及水量平衡分析

利用地下水数值模型MODFLOW和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区(Sand Hills)地下水位进行了模拟,并分析了含水层补排水量,河流与地下水补排关系,以及区域水平衡过程。揭示了独特沙丘地形和土壤特性对地下水补排量的影响。模拟结果表明,入渗率大、非饱和带厚的沙丘有利于降水入渗补给,减少了地下水蒸散发损失。加上下覆含水层具有良好的地下水储水空间,是该地区储存丰富的地下水量,以维持河流稳定流量,供给众多湖泊和湿地的原因。该研究对我国地下水资源评价和生态环境脆弱地区水资源保护具有指导意义。     

A numerical simulation of gas flow during coal/gas outbursts

Summary A model of the gas flow in airways during an instantaneous outburst of coal and gas is formulated and solved numerically using MacCormack's explicit finite-difference scheme. This model is based on the assumption that geological structures, in-situ stresses and high-gas-pressure gradients play important roles in initiating an outburst, with the gas content and gas-pressure gradients being the most dominant factors. The fluid-dynamic processes that occur after an outburst are computed by the numerical integration of the complete time-dependent Navier-Stokes equations. The mixture velocity, the density and the gas-concentration profiles in both time and space domains (immediately after an outburst) are presented. The global results are useful in gaining an improved understanding of gas-flow patterns during coal/gas outbursts and in determining the range of the disturbance so that effective methods of control can be developed.Nomenclature a speed of sound - C gas concentration (mass) - C _v specific heat at constant volume - C _p specific heat at constant pressure - CFL Courant-Friedrichs-Lewy number - E total energy of the mixture - F the vector defined in Equation 27 - G the vector defined in Equation 28 - h entropy - h _i entropy at inlet - J _xi diffusion flux in the i-direction - k thermal conductivity of a gas - M Mach number - P pressure of a mixture (the partial pressure of gas) - P gas pressure - P _a atmospheric pressure     

溃坝水流数值模拟研究进展

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。     

淄博市大武水源地地下水流场演变及其影响因素

大武水源地是我国北方罕见的特大型地下水源地,其地下水源流场的演变与补给来源,排泄方式有密切的关系,而上游水库的放水则使这种关系变得不明朗。加强补给边界的水位监测,进一步研究补给边界的非自然影响是提高该区地下水资源评价,预测和管理精度的有效手段。     

水—气二相流及污染物运移数值模拟研究

本文通过对近些年来水－气二相流数值模拟进展情况的分析,总结了在水－气二相流模拟过程中,各个主要参数或物理过程的数学概化方法,以及近年来在求解水气二相流方程和污染运移方程的方法上的改进情况。并在此基础上提出了需进一步研究解决的问题。     

生态输水条件下塔里木河下游断面尺度地下水流数值模拟

由于中国西北地区地表水资源有限,地下水则成为重要的备用水资源,而地表水和地下水转化过程及其耦合模拟是水资源开发利用和科学评价的基础,因此,为了准确反映塔里木河下游间歇性生态输水后地下水的动态变化,以塔里木河下游英苏断面为例,基于Boussinesq方程建立了改进的地下水动力学(GH-D2)模型,模拟了塔里木河下游绿色走廊典型断面地下水对全时段(2000-2015年)间歇性生态输水的响应过程。结果表明,尽管Boussinesq方程的GH解能较好地模拟地下水位的瞬态变化,但模拟地下水位多年变化的结果并不理想,而改进的GH-D2模型考虑了间歇性生态输水对地下水位变化的滞后效应,对长时间尺度地下水位变化的模拟具有较好的效果。与GH和GH-D1模型相比,GH-D2模型模拟的地下水位值更接近于观测值,这将对塔里木河下游实施科学合理的生态输水计划以及生态恢复和重建策略提供关键的技术支撑。