降雨对裂隙型岩溶含水系统演化影响的数值模拟研究

本文在构建有降雨入渗及河流补给的裂隙型岩溶含水系统的概念模型基础上,采用有限差分数值方法,利用裂隙渗流立方定律及Dreybort（1996）经过实验总结出的碳酸钙溶蚀经验公式,定量地计算了裂隙型岩溶含水系统经过10 000年溶蚀的演化形态及岩溶泉的变化。模拟发现,岩溶含水系统的溶蚀主要发生在降雨入渗面处、河流补给处和岩溶泉的出露点附近。随着溶蚀的进行,岩溶含水系统的潜水位不断下降部分岩溶泉被疏干,通过计算岩溶泉汇流管道的隙宽变化,发现岩溶含水系统会出现明显的差异性溶蚀。在模拟过程中调节降雨量的大小发现降雨入渗对有河流补给的岩溶含水系统的演化影响并不显著。      

层流—紊流共存流场中岩溶裂隙网络演化过程的数值模拟方法

研究岩溶水系统的演化过程对许多资源与环境问题有着重要意义。岩溶地区水资源、油气资源的预测与开发、水土流失成因及防治等课题都与此密切相关。岩溶管道是地下水对裂隙的逐渐溶蚀扩展形成的,岩溶演化初期,所有裂隙宽度不大,流场整体成层流状态。随着溶蚀的进行,一部分裂隙优先扩大使其中的水流进入紊流状态,而另一部分裂隙中水流仍呈层流状态。文章提出一种数值方法,能够模拟层流-紊流共存流场的岩溶演化过程。利用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法模拟初始裂隙网络,通过非连续介质方法模拟裂隙网络中的渗流。裂隙扩展的速度通过岩石表面溶蚀速度经验公式计算,使用迭代方法求解层流-紊流共存条件下的水头非线性方程。构建了能够利用解析法求解的模型,把数值解和解析解的结果进行对比,验证了本研究的数值法及软件的可行性。      

岩溶水系统演化中河间地块分水岭消失过程的数值模拟分析

本文通过数值模拟的方法研究了岩溶系统发展演化过程,并对其中分水岭消失现象进行了探讨。岩溶系统发育模拟中,假设裂隙段为光滑平板裂隙,裂隙中的水流处于平流状态,可以应用立方率描述水流在裂隙中的流动规律;碳酸盐岩裂隙的溶蚀过程可以通过溶蚀动力学的经验公式表示,即每个时间步长内,水流都处于稳定流状态。研究结果表明,岩溶系统溶蚀具有差异性,岩溶最为发育的部位位于潜水面附近,而且垂向的裂隙段比水平向的裂隙段发育更为强烈,深部岩溶系统发育缓慢,其裂隙张开度扩展率与潜水面附近的相差8200多倍。差异性溶蚀还造成潜水面附近形成优先水流通道,至分水岭从系统消失时,其强烈的汇水作用使几乎90%的流出量从此优先水流通道排出。分水岭消失时间受河间地块的范围和降雨量的影响,当河间地块的宽度增大至原来的5倍时,分水岭的存在时间几乎延长至原来的10倍,河间地块的范围愈大,分水岭越难以消失;降雨量增加对分水岭消失时间的影响表现出先增加后减小的趋势。     

中国北方岩溶区含水岩溶裂隙介质的序列指示模拟研究

针对当前岩溶学研究领域中空隙位置定量预测和数学描述的难题，选择研究程度高、资料丰富、具有典型代表性的山东济南泉域的含水岩裂隙介质，运用序列指示条件模拟方法研究空隙间的连通性能，预测岩溶裂隙密集带和强径流带的位置。研究表明，它既可给出其模拟数值的波动区间，朋不同分位数值模拟图均能明显一致地指示出岩溶裂隙密集带和强径流带位置，尤其是当样本点较少时，也可获得几乎与样本点较多时的一致成果，从而为该方法的推广应用提供了广阔的领域。     

岩溶洼地形成演化过程的FLAC数值模拟初探

以典型喀斯特洼地——贵州省平塘县高务洼地为地质原型，在查清其发育特征的基础上，用FLAC^3D数值模拟方法，对其发展演化过程进行了三维动态仿真，从而从地质力学的角度得出岩溶洼地形成的动力演化机制。     

河间隐伏型岩溶裂隙含水系统演化的数值模拟

为揭示隐伏型岩溶含水系统在不同边界条件与介质特征下的发育状况,基于地下水渗流和碳酸盐岩溶蚀理论构建耦合裂隙网络渗流与碳酸盐岩溶蚀的岩溶裂隙网络溶蚀扩展模型,模拟再现了河间隐伏型岩溶含水系统平面上发育演化过程。结果显示:岩溶系统发育过程中流量变化呈现三个阶段:第Ⅰ阶段为缓慢层流阶段,流量增速为2.2×10 -6 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈对数关系;第Ⅱ阶段为极快速紊流阶段,流量增速为5.5×10 2 mL·(s·a) -1,持续时间与初始水头差呈线性关系;第Ⅲ阶段为快速紊流阶段,流量增速为26 mL·(s·a) -1。优势裂隙的存在使得岩溶裂隙网络溶蚀演化加快,非均质系统进入极快速紊流阶段所用时间较均质系统缩短了53%,裂隙溶蚀扩展的速度加快了12.5%。      

岩溶管道结构影响泉流量变化的数值模拟研究

采用MODFLOW-CFP建立管道流数值模型,模拟岩溶含水系统在暴雨期的响应过程,以泉口流量峰值作为因变量,分别对控制管道结构的4个参数以及落水洞集中补给比例进行调整,研究管道结构如何控制泉流量变化过程。结果表明:管道直径、管壁渗透系数和落水洞补给比例对泉口流量峰值均表现为正相关,其中管壁渗透系数影响最大;管道弯曲度值较小时其增大促进出口流量峰值变大,当径流途径变长引起的流量减小幅度超过管壁面积变大引起的流量增大幅度时,流量峰值逐渐变小;管壁粗糙度在达到两个相对应的雷诺数临界值时水流状态发生突变,导致流量峰值也表现为两次突变。      

溶蚀作用下古岩溶盆地系统中介质场演化模拟

为了研究古岩溶盆地在溶蚀作用下碳酸盐岩油气储层介质场的演化规律,基于地下水渗流理论和碳酸盐溶蚀动力理论,用数值模型模拟了均质盆地和非均质盆地2种岩溶盆地含水系统发育过程。岩溶盆地含水系统演化过程中总伴随着裂隙差异溶蚀,不管均质盆地还是非均质盆地,都越来越非均质化,强溶蚀带集中在潜水位及优势裂隙附近,在侵蚀基准面和构造裂隙及层理等大裂隙处会形成高孔隙率、渗透率的良好储层。受介质场非均质化反作用,岩溶高地区潜水位随系统演化不断下降,潜水面处的强烈溶蚀随水位不断下切而使高地区改造成竖直裂隙发育的厚储层;坡地区水平径流活跃,易于形成水平裂隙发育的储层;平原区水位相对稳定,溶蚀作用主要发生大裂隙和侵蚀基准面处,但在大裂隙网内经溶蚀可形成局部高孔隙率储层。对比两子模型发现,在岩溶盆地含水系统中,主导渗流场都要经历由局部流场向二级流场、二级流场向全局流场的转变,前者发生在坡地区内部,后者发生在坡地区与平原区之间;流畅的渗流场转换更有利于介质场发育,受大裂隙网导水作用,非均质盆地比均质盆地更快捷、更顺利地实现主导流场升级,溶蚀作用更强烈,3 ka后非均质盆地比均质盆地的孔隙率增幅大34%。     

岩溶洼地形成演化过程的FLAC数值模拟初探

以典型喀斯特洼地棗贵州省平塘县高务洼地为地质原型,在查清其发育特征的基础上,用FLAC3D数值模拟方法,对其发展演化过程进行了三维动态仿真,从而从地质力学的角度得出岩溶洼地形成的动力演化机制.     

层状介质中含水岩溶的数值模拟

针对用均匀高阻介质中的低阻体来模拟含水岩溶构造的缺陷,用积分方程法对两层介质中的岩溶构造进行了数值模拟,并分析了计算曲线的特征,以及表层、岩溶与围岩的电阻率差异对探测结果的影响。计算结果对野外施工和资料解释具有指导意义。     

我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟研究进展

简要回顾了近几十年来我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟方面的研究成果,评述了裂隙岩溶水资源评价和污染物运移模拟的计算方法和模拟技术,其中对一些与数值模拟相关的重要问题、近年来研究的热点问题,如模型参数识别及其尺度效应问题、数值弥散和数值振荡问题、Non-Darcy流和Non-Fickian运移问题以及随机方法研究等进行了重点评述,对已有的解决办法进行了比较和对照,并探讨了今后的研究趋势.     

徐州市张集水源地裂隙岩溶水群孔抽水试验研究

基于徐州市张集水源地详勘阶段任务要求以及张集水源地具体的水文地质条件,提出了张集水源地裂隙岩溶水群孔干扰抽水试验的技术要求和工作方法。试验结果表明,根据该技术要求和工作方法所进行的抽水试验既满足了为水源地地下水资源评价而进行的数值计算要求,又适合农村电网及水井实际,并且节约了经费。结论对裂隙岩溶水大型水源地地下水资源评价与科学管理具有重要的参考价值。     

无越流补给含水层对煤层气排采影响的数值模拟

沁水盆地南部煤层气井具有“高产水、低产气”的特征,然而也有部分井存在“高产水、高产气”的现象。一般来说,煤层气井高产水,多与沟通含水层相关。针对这种情况,基于沁水盆地柿庄南区块煤储层地质条件,结合煤层气直井排采的实际情况,利用数值模拟方法,采用气水两相多组分的三维煤储层模拟软件(SIMEDWin)模拟煤层气井排采中,沟通无越流补给含水层对储层压力变化及煤层气水产出规律的影响。结果表明：与无含水层影响的煤层气井对比,沟通无越流补给含水层的煤层气井远井地带压降幅度显著,高产气时间久,累积产气量多,排水量大,但见气时间较晚;含水层渗透率越大,气井日产气峰值越高;气井日排水量越大,产气速度也会越快,但产气速度在排水量达到一定值时不再增大。综合考虑,沟通无越流补给高渗透率含水层,增大日排水量到一定值更有利于柿庄南区块煤层气的增产。     

哈密盆地多层含水系统地下水流数值模拟

对具有多层含水结构的哈密盆地地下水系统, 提出了一类考虑弱透水层弹性释水作用的地下水流耦合数学模型。利用实际资料的数值模拟结果表明, 与忽略弱透水层弹性释水作用的数学模型相比, 其精度提高、更符合实际的水文地质条件, 为定量评价多层越流系统地下水资源提供了一种实用可靠的数值方法。     

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.     

泉域地下水数值模拟及泉流量动态变化预测

本文对位于岩溶地区的小南海泉泉域地下水进行了数值模拟和水平衡分析,全面分析了降雨、河、渠、库地表水系入渗对地下水动态变化的影响,模拟了泉流量动态变化与区域地下水关系.在此基础上,分析了不同气候条件和开采方案对泉流量的影响.模型计算结果表明,小南海泉流量多年平均相对变化率与降雨量多年平均变化率基本一致,减少泉域地下水开采量,特别是矿坑排水可有效地增加枯期泉流量.     

煤炭开采条件下三姑泉域岩溶含水层保护评价

三姑泉域是我国典型的北方岩溶区,同时位于国家规划的晋东大型煤炭基地,煤炭开采与水资源保护之间的问题较为突出。多年来区内煤炭资源的大规模开采造成了区域地下水位下降、水质恶化等现象。因此开展北方岩溶区煤炭基地含水层保护评价对水资源保护及经济可持续发展具有十分重要的意义。本文从含水层脆弱性、含水层功能和煤炭开采影响力三方面建立综合评价指标体系,采用APH法进行三姑泉域岩溶含水层综合保护评价。针对煤炭基地特征,采用增加了煤炭采空区指标的COP修正模型评价了含水层的脆弱性。含水层功能评价分别从供水能力与生态、大泉维持能力开展;煤炭开采影响力评价从开采活动及煤炭地质结构两方面开展。综合评价结果显示需要重点保护的区段为岩溶大泉、水源地及地表渗漏段,其次为岩溶强径流带及煤炭剧烈开采区,与实际情况相符。      

边坡岩体系统演化的非线性动力学模拟研究

达坡岩体系统演化是一个复杂的非线性过程,目前对该问题的研究多为理论上的探讨,文章从数值模拟的角度出发,以水厂铁矿境界边坡为例,用非线性动力学分析软件UDEC3．0对边坡岩体系统的演化过程进行了模拟研究。研究表明,达坡岩体系统演化过程中会出现焦点、结点及鞍点三种奇点类型,这与K．T．Chau的岩体系统分岔模型较好地吻合了,对达坡变形破坏过程中边坡局部出现由稳定到不稳定再到稳定的现象也是一种较好的解释。因此,分岔是边坡岩体系统演化的本质特性。     

深井灌注废液在深部含水层中运移的数值模拟

根据山东东营某地的地质、水文地质资料,模拟了在该地区建设灌注井时灌注废液在深部含水层中的运移。数学模型考虑了流体密度、粘滞性以及灌注层孔隙度随压力或浓度的变化。模拟计算采用美国深井灌注项目中广泛应用的SWIFT数值模拟软件,讨论了模型中主要水文地质参数变化对计算结果的影响。模拟结果对灌注井位置的选择、调查区域的确定以及监测井的布置都有着很好的指导意义。