MODFLOW-CFP软件在岩溶水系统数值模拟应用中的若干关键问题

MODFLOW-CFP软件很好地解决了管道流与含水层连续介质地下水渗流的耦合问题以及管道中水流运动的层流−紊流转换问题,为岩溶管道型地下水系统的定量研究提供了一个适用的数值模拟平台,近年来也在工程实际中得到了较多的应用。为了更好地利用和推广该软件在岩溶地下水系统定量平价和研究中的应用,避免新方法在实际应用中的盲目性,文章结合MODFLOW-CFP软件自身的特点、岩溶水系统常见的水循环特征及其在实际应用中存在的一些关键问题,从地下水数值模拟的基本要求出发,探讨如何通过一些有针对性且相对比较容易开展的野外岩溶水文地质调查、降雨−流量（水位）高分辨率监测、地下水示踪试验和综合分析研究等工作,提取MODFLOW-CFP模型所需的关键结构要素、水文地质参数以及模型识别的目标函数,进而提高复杂岩溶水系统地下水数值模型的仿真度和预测精度,推动岩溶地下水定量研究的发展。     

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。      

基于MODFLOW-CFP的岩溶水模型降雨非线性入渗补给研究——以湖南省香花岭地区为例

利用MODFLOW-CFP建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什系数提高至0.91。结果表明:降雨量系数法可使该模型更好地模拟地下河流量变化,此方法也适用于一些岩溶小流域的数值模拟工作。      

岩溶水数值模拟研究进展

本文从岩溶水赋存介质及特性出发,介绍了岩溶地下水数值模拟模型研究的国内外研究发展状况,几种常用软件特点及其应用情况,提出了岩溶水模拟研究存在的不足,并就开展进一步研究提出了相应的建议。     

济南泉域岩溶地下水三维等参有限元数值模拟

基于济南泉群研究区域岩溶水贮存和运动特征,建立了三维有限元数学模型,并利用等参有限元方法求解,再根据2001年、2002年的水文资料,识别模型参数,进一步对济南泉域内岩溶地下水的开采方案进行评价,探讨了济南市“保泉”与“供水”的可行性,为科学管理济南市泉群区域内地下水资源提供依据。     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

基于CFP的岩溶管道流溶质运移数值模拟研究

多重岩溶含水介质的复杂性导致岩溶地下水流动及溶质运移的数学模拟成为地下水研究难点之一。为了探讨岩溶多重含水介质中地下水流溶质运移特征,文章构建了管道流CFP水流模型和MT3DMS溶质运移三维耦合数值模型。在阐述管道流CFP和MT3DMS基本原理的基础上,通过建立水文地质概念模型算例（1个落水洞、4个直管道）,探讨岩溶管道水流及溶质运移规律,分析讨论不同水文地质参数对浓度穿透曲线的影响。研究结果表明:管道流CFP模型能够刻画岩溶管道与基岩裂隙水流交换特征,MT3DMS模型能够模拟穿透曲线的拖尾现象,符合实际岩溶区特征。随着水力梯度、管道直径及管道渗透系数增大,孔隙度减小,浓度曲线峰值越大,峰值到达时间越快,浓度穿透曲线越对称。得出结论:耦合CFP水流模型和MT3DMS溶质运移模型能够刻画岩溶管道流溶质运移规律,为研究岩溶复杂介质污染物运移特征提供一种思路和途径。     

宁南深层岩溶地下水系统三维数值模拟

宁南“南北古脊梁”岩溶裂隙水系统的储水空间以岩溶裂隙为主,岩溶水的空间分布明显受南北向大型断裂构造控制。根据水动力场和水化学场特征,划分了3个相对独立的岩溶水子系统。通过三维数值模拟计算,确定了马渠—洪河岩溶水子系统天然资源量和可开采资源量,为本区的地下水合理开发利用提供了科学依据。     

贵州典型岩溶区岩溶地下水污染评价

本文选取贵州三个岩溶典型类型,即地下水集中排泄类型,地下水集中开采区类型和城镇区岩溶地下水类型,根据各类型岩溶区的岩溶发育特征,水文地质条件,地下水污染类型和方式,分别用集中参数模型和分布参数模型,对地下水污染进行了评价,所得结果均拟合良好。     

潘二矿奥陶系岩溶地下水数值模拟及疏放性分析

奥灰岩溶水是淮南煤田目前A组煤层开采水害威胁主要突水水源,预测和超前防治对于A组煤层安全开采具有十分重要现实意义。采用地下水系统分析、统计分析及数值模拟方法,对潘二矿“5.25”奥灰突水前后岩溶地下水动态进行系统分析,建立了数值模型,对比了防治方案,结果表明：奥灰水与太灰水之间水力联系程度存在较大差异性,其中与C₃III组含水层间水力联系密切,而与上部C₃I、C₃II组联系较弱;模拟结果间接反映了奥灰浅部裂隙、溶隙、岩溶塌陷较为发育,而深部岩溶发育相对较差;在防治方案上,将疏水降压与区域治理相结合是最佳方案,研究成果为矿井及类似矿山岩溶水害防治提供一定参考。     

岩溶管道水流的等效管束组合模拟

本文给出６种类型的管道切换模式,并应用切换模式,对岩溶导水介质水流进行了模拟,从技术上解决了岩溶地下河水流的物理模拟问题,对岩溶地下水的研究及在水利工程应用等方面有重要价值      

宁南深层岩溶地下水系统三维数值模拟

宁南"南北古脊梁"岩溶裂隙水系统的储水空间以岩溶裂隙为主,岩溶水的空间分布明显受南北向大型断裂构造控制。根据水动力场和水化学场特征,划分了 3个相对独立的岩溶水子系统。通过三维数值模拟计算,确定了马渠-洪河岩溶水子系统天然资源量和可开采资源量,为本区的地下水合理开发利用提供了科学依据。     

酉水流域贵州段红色岩溶特征及成因

在酉水流域贵州段及其周围存在一套特殊的以红色为主、白色为辅、外观形态凹凸有序的独特岩溶地貌。文章将该类地貌命名为“红色岩溶”,并调查了研究区红色岩溶的分布范围、颜色特征、形态特征。通过地表水体pH、土壤pH和CO2溶度测试及岩石薄片鉴定,分析了红色岩溶塑形作用力及塑性环境。进一步,总结分析了红色岩溶的成因条件及成因过程。     

论岩溶山区的单元流域治理

中国西南地区大面积分布的岩溶山区是我国环境最恶劣，经济最不发达的贫困地区之一，根据其特殊的环境及水文地质条件，本文提出了“岩溶单元流域”的概念，并探讨了它的内涵，研究路线及治理技术方法。由于岩溶发育的不均一性以及地下水分岭和非可溶岩体的存在，岩溶山区形成了很多由地下分水岭或非可溶岩体所圈闭或半圈闭的“岩溶单元流域”。岩溶单元流域是一个由地表水和地下水组成的完整的水文系统，也是岩溶发育的岩溶洞穴－裂     

新疆渭干河流域地下水三维流数值模拟

采用任意多边形网格有限差分法求解模型,根据地下水水头长观资料识别模型的水文地质参数,建立了含混合井孔的6层模拟系统的地下水三维不稳定流模型来刻画渭干河流域地下水流动的基本规律.运用识别后的模型进行了地下水资源评价,预测了未来10 a不同开采条件下的地下水动态变化,探讨了地下水资源的合理开发模式,提出在以蒸发排泄为主的条件下,应在保证生态用水的前提下最大限度地夺取无效蒸发.     

岩溶管道水系统灰模型建立与分析——以贵州仁怀长岗为例

岩溶管道水系统为信息不确定的灰系统。本文依据贵州仁怀长岗出水洞地下河系统的流量动态长观资料,应用灰色系统理论原理,对岩溶管道水内在特征关联性进行分析,探讨了地下径流与降雨关系以及外源水对地下水的补给关系,并建立了岩溶管道水的ＧＭ（１,１）残差序列周期分析模型及包络模型,取得了较满意的结果。表明该方法在岩溶管道水水资源评价中具有一定的实用性      

贵州岩溶地下水的水质管理模型

论述了贵州岩岩溶地下水水管理的现实紧迫性及技术上的复杂性,可行性,针对贵州岩溶地下水的水质现状,提出了水质管理的两个系统模型－水质水量平衡模型称我级谱系水质控制及管理模型。     

非闭合流域岩溶水模型

通过对贵州普定后寨河实验流域的研究,论述了非闭合流域岩溶水形成机制,根据流域地表、地下结构,将全流域划分为4个单元,并考虑各单元的闭合程度,建立了概念性岩溶水模型,为非闭合岩溶流域水文研究提供了新的途径。     

贵州典型岩溶流域日降雨径流过程模拟研究

以蓄满产流方式描述岩溶地区的产流过程,采用稳定入渗法划分径流,将非线性水箱模型用于模拟单元流域的调蓄过程,以遗传算法为基础率定模型参数,建立了基于遗传算法率定参数的概念性岩溶水文模型,并以贵州普定后寨河流域为例,采用流域内老黑潭、六谷、后寨测站的水文资料对所建模型进行检验,以相对误差、互相关系数和确定性系数来评定模型.结果表明,本模型预报结果的相对误差均小于士10%,互相关系数均大于0.80,确定性系数均大于或等于0.70,说明所构建的模型能够模拟及预报岩溶地区的降雨径流过程.