时间序列模型和有限元模型在地下水资源评价和开发中的应用——以徐州市裂隙岩溶水为例

针对徐州市地下水长期无节制开采和管理不善而引起的多种环境地质问题,建立了与研究区裂隙岩溶含水层相适应的地下水流模型,并运用有限元方法进行求解。考虑到大气降水的多寡及其分配状况是影响地下水资源的最终决定因素,同时建立了研究区大气降水的时间序列模型,并应用于评价该区地下水资源,从而在宏观上为徐州市合理开采裂隙岩溶水资源提供科学依据。其结果对我国其它类似地区地下水资源的合理开采具有指导意义。     

禹州市山区基岩地下水分布特征

通过地该区出露的基岩部分钻孔资料所揭露的岩层的富水性的研究，以及在对研究区内生产和生活用水井大量调查的基础上，划分了该区含水层的类型，并依据富水性强弱和岩层在空间上的组合特征对该区的水文地质情况进行了分区，阐述了不同区地下水的分布规律及其特征，探讨了地下水动力条件，为该区寻找水资源，解决当地用水问题提出了地质依据。     

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。     

新疆玛纳斯河冲洪积扇地区地下水资源管理模型

为了建立新疆玛纳斯河冲洪积扇地区的地下水资源管理模型,首先恰当地建立了适合于该区水文地质条件的地下水流动有限元数值模拟模型系统,并对地下水模拟系统进行了一系列线性化处理,以适应管理方法的要求.然后采用“响应矩阵法”将数值模型和线性规划方法结合,建立了平稳流与非平稳流两类管理模型,对该区整个含水层各分布点的各种水力状态进行全面管理.最后得到一系列满足该区发展目标的决策方案.     

塔里木油田分公司英买作业区第二水源地地下水含水层结构特征分析

随着新疆塔里木油田的发展,油区开采对地下水保护区造成不利影响逐渐扩大,急需对油田开采可能造成的地下水影响的区域进行评估。在对研究区自然地理、地质条件详查的基础上,查明了研究区地下水含水层特征及富水性、埋深以及流量等参数,为后期该地区地下水资源的开发利用提供理论基础和科学依据。     

乌鲁木齐市山前砾质平原水文地质条件及地下水水质评价

随着新疆乌鲁木齐市社会经济高速发展,区域地下水资源的开发强度不断加剧,需要对乌鲁木齐市山前砾质平原含水层富水性特征以及地下水水位变幅情况进行研究。本文在对研究区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,查明了区内含水层的结构及富水性特征、埋深以及流量等参数,探讨了地下水补径排情况和水化学特征,并对研究区内的地下水水质进行了评价,结果显示:研究区及其外围主要出露的地层为新生界第四系上更新统冲洪积层和第四系全新统冲洪积层,地下水的补给来源主要为南部河谷地下水侧向径流补给,其次为大气降水和灌溉水入渗补给,而区域地下水的排泄主要用于农业开采,剩余地下水由南向北以地下径流的方式排泄至北部;研究区内地下水具有锅垢很多,有硬沉淀物及半腐蚀性水的特点,需处理后可用作工业锅炉用水,而根据灌溉用水水质评价指标和灌溉用水危害类型的划分,研究区内地下水的灌溉系数为13.718,在潜水排水条件好时,适于灌溉。研究结果为后期该地区地下水资源开发利用提供理论基础和科学依据。     

黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用

黄河下游（河南段）影响带属于黄河下游冲积平原地下水系统，黄河对地下水的影响范围为5－23km，面积为9417.6km^2。在建立水文地质概念模型的基础上，运用FEFLOW软件建立了研究区三维地下水流模拟模型，并对模型进行了识别。运用模型确定地下水多年平均补给资源和可开采资源评价；预测新建傍河水源地开采条件下，地下水位在5－10年内趋于稳定；定量研究黄河与地下水的补排关系，傍河水源地开采量的65％－75％来自黄河水，黄河大堤防渗墙工程深度为20m和45m情况下，黄河侧渗量分别减小5.72%和8.12%。     

基于AHP法与SNMR信息融合的含水层富水性评价方法

含水层富水性分区是开展水资源评价的前提。以内蒙古阿拉善左旗吉兰泰盆地为研究区,通过分析含水层富水性的影响因素,利用GIS软件强大的信息融合功能将水文地质参数与地面核磁共振(SNMR)成果相结合。引入层次分析法(AHP)建立评价体系,结合专家经验和权重公式得到各个因子的权重值,建立富水性评价数学模型。计算评价了该区的富水性分布规律。结果表明该方法对研究区富水性评价合理有效,是解决富水性分区这类复杂多源地学问题的一种有效途径,为合理开发利用地下水资源提供方法借鉴。     

辽宁省中南部分城市地下水脆弱性评价

通过对辽中南地区的地质与水文地质条件特征、含水层的富水性、开采利用地下水现状等资料的调查和了解,利用地下水脆弱性的DRASTIC评价模型和AHP模糊评价模型,对地下水固有脆弱性的七个因素指标进行了赋值、计算。最终得出了辽宁省中南部分城市地下水脆弱性分区分为强脆弱区、较强脆弱区、中等脆弱区、弱脆弱区。     

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。     

The impact of the geologic setting on the Quaternary aquifer,El-Tur area,Southwest Sinai,Egypt

The groundwater extracted from the unconfined Quaternary aquifer is the main source of water supply in El-Tur area. The area is bounded from the east by the elevated basement complex of Southern Sinai and from the west by El-Qabaliyat Ridge. The wadis dissecting these highlands form effective watersheds of the Quaternary aquifer. These wadis form areas of focused recharge. Recharge also occurs directly via the Quaternary sediments covering El-Qaa Plain. Subsurface lateral groundwater flow from the fractured basement contributes significant recharge to the aquifer as well. The aquifer sediment facies affect the type and quality of groundwater. In the eastern part where the aquifer is composed mainly of gravel and coarse sand with fragments of weathered basement, the Na-Cl-SO₄ water dominates. In the west where the facies change is rapid and complex, many water types arise. The base exchange index (BEX) is positive in this part reflecting the role of clay minerals in changing the water types via cation exchange. In the east where clays are insignificant in the aquifer, the BEX is negative. In the western part next to El-Qabaliyat Ridge, the wells discharging from the calcareous sand zone have low groundwater salinities compared to the wells discharging from the alluvium. In general, the groundwater salinity increases in the direction of groundwater flow from the northeast to the southwest which reflects the dissolution of aquifer sediments. The concentration relationships between the major ions on one hand and chloride on the other reflect the dissolution of calcium carbonates, precipitation of K- and Mg-bearing minerals, and cation exchange of Ca for Na on clay minerals. The hydrochemical models support these reactions. In addition, they show that the effect of evaporation on the recharge water in the western catchment is about four times its effect on the eastern recharge water which reflects the rapid recharge through the wadis draining the fractured basement. Moreover, the contribution from the eastern catchment in sample No. 23 is more than four-folds the contribution from the western recharge area. The stable isotopes (²H and ¹⁸O) show that the Quaternary aquifer is recharging from recent rainfall. However, upward leakage of Paleogene groundwater (depleted in ¹⁸O) also occurs. The groundwater level map shows strong overpumping impact especially in the areas close to El-Tur city.     

Modeling groundwater/surface-water interactions in an Alpine valley (the Aosta Plain,NW Italy): the effect of groundwater abstraction on surface-water resources

A groundwater flow model of the Alpine valley aquifer in the Aosta Plain (NW Italy) showed that well pumping can induce river streamflow depletions as a function of well location. Analysis of the water budget showed that ～80% of the water pumped during 2 years by a selected well in the downstream area comes from the baseflow of the main river discharge. Alluvial aquifers hosted in Alpine valleys fall within a particular hydrogeological context where groundwater/surface-water relationships change from upstream to downstream as well as seasonally. A transient groundwater model using MODFLOW2005 and the Streamflow-Routing (SFR2) Package is here presented, aimed at investigating water exchanges between the main regional river (Dora Baltea River, a left-hand tributary of the Po River), its tributaries and the underlying shallow aquifer, which is affected by seasonal oscillations. The three-dimensional distribution of the hydraulic conductivity of the aquifer was obtained by means of a specific coding system within the database TANGRAM. Both head and flux targets were used to perform the model calibration using PEST. Results showed that the fluctuations of the water table play an important role in groundwater/surface-water interconnections. In upstream areas, groundwater is recharged by water leaking through the riverbed and the well abstraction component of the water budget changes as a function of the hydraulic conditions of the aquifer. In downstream areas, groundwater is drained by the river and most of the water pumped by wells comes from the base flow component of the river discharge.     

Assessing the vulnerability of over-exploited volcanic aquifer systems using multi-parameter analysis,Toluca Basin,Mexico

The potential for contamination of groundwater in an over-exploited system led to this investigation on aspects of aquifer vulnerability in the Toluca Basin, Mexico. This study involved the use of various hydrogeological, geochemical and isotopic tools to better understand the susceptibility to contamination where heavy groundwater extraction along with industrial extensive development is concentrated. Geochemical and isotopic analyses of groundwater from production wells along the mountain boundary show little evidence of contamination at present time. Radiocarbon and tritium data collected in piezometers and wells penetrating the Lower basalt aquifer indicate that the groundwater is of varying age and quality. These data, in addition to stable isotope and chemical data also indicate evidence of contamination in the Lower aquifer; which could be associated with fast recharge in the mountains or injection of waste water by illegal wells. Evidence found in this study of low downward gradients in the valley fill sediments and the presence of low permeability aquitard deposits suggest that the aquifer system is currently not highly threatened by surface sources of contamination. However, where urban and industrial development occurs, in the centre of the valley and along the flanks of the Basin, the vulnerability of the aquifer system increases significantly.     

黑河中游盆地南部山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算

山区地下水对平原区的侧向径流补给量是一个长期争议且悬而未决的难题,这个量在西北内陆干旱盆地,被估算得或很小或很大。在总结前人研究的基础上,采用地质水文地质调查、物探、钻探、抽水试验、地下水动态观测、水化学测试、盆地地下水水位统测和综合研究等技术方法,查明了黑河中游盆地南部山盆交接带的地质构造接触关系、地层岩性接触关系及梨园河口白垩系风化壳含水层结构和水文地质参数。通过山区不同流域等级的地表水与地下水转化关系分析,将山区地下水对平原区侧向径流补给带划分为大中型河流河谷补给段和小微型河流或冲沟群流域构成的浅山带补给段。河谷补给段勘探资料较为丰富,多用达西断面流方法计算;针对浅山带补给段极为缺乏勘探资料的实际,以梨园河口断面径流量为参照,构建了浅山带岩性、汇水区面积、降水量等3 个变量的山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算方法。估算出黑河中游盆地南部山区浅山带地下水对平原的侧向径流补给量为0.40×108 m3/a,河谷段基岩侧向补给量为0.07×108 m3/a;推算出河谷段第四系地下水补给量为0.30×108 m3/a;3 项补给量之和为0.77×108 m3/a,占盆地地下水资源量的3.0%。该研究为西北内陆干旱盆地山区地下水对平原区侧向径流补给量的估算提供了一个可供借鉴的实例。     

河南荥巩矿区岩溶水发育规律研究

通过对矿区地层、构造以及水文地质条件的分析,认为寒武-奥陶系岩溶裂隙含水层是矿区的主要含水层。岩溶水受地层岩性、构造的作用明显,岩溶发育程度在矿区呈现出西弱东强,浅部强、深部弱的发育规律。岩溶水动态受大气降水和矿井排水的双重控制,大气降水是岩溶水的主要补给来源,矿井排水是主要排泄方式,水位动态属于降水-矿排型。在天然状态下,岩溶水主要接受南部露头区大气降水的补给,然后自南向北、自西向东径流,经过新中-三李一带的岩溶水强径流带,在三李一带以岩溶大泉的方式向外排泄。     

广西平南某矿区岩溶地下水连通试验研究

广西平南某矿区在人工疏水过程中地下水位持续下降,形成以采区为降落漏斗、周边地下水向采区径流排泄的地下水流场。位于矿区东侧的秦川河成为危及矿区施工安全的最大隐患。为了查明矿区岩溶地下水径流途径、径流特征,进而了解矿区采矿排水的主要来源及周边地表河的影响,在矿区周围进行了地下水连通试验。试验结果表明:矿区岩溶含水介质渗透性差异较大,含水层各向异性明显;矿区北部、东南部存在连通性较好的地下水径流带,北部流速为0.3 ~ 20 m/h,东南部流速为3.72 ~ 98 m/h;矿区南部、西南部与周边地下水连通性较差,与矿区以南的浔江存在地下分水岭;矿区东部一采区矿坑排水主要来自东侧秦川河渗漏补给及北部地下水侧向径流补给,矿区西部二采区矿坑排水补给来源为北部地下水侧向径流及大气降水。因此,采矿疏水过程中应及时掌握秦川河水位变化情况,采取帷幕等有效手段对水害进行治理,以确保生产安全。      

北京岩溶水系统划分及特征分析

岩溶水是北京市重要的战略后备水源,在城市供水方面发挥了重大作用,岩溶水系统划分对于掌握岩溶水资源、合理开发利用岩溶水是至关重要的。本文结合地质构造、地形地貌、水文地质条件,考虑含水岩组的连续性、不同级别地表水分水岭、地质构造的水文地质性质,将北京地区划分为3个一级岩溶水系统、7个二级岩溶水系统、16个三级岩溶水系统。其中隐伏型岩溶水系统无裸露的可溶岩或零星分布,天然资源少,地下水径流方向主要受开采影响,与上覆孔隙水有密切的水力联系。山前型岩溶水系统可溶岩分布于山区和平原,岩溶水天然补给资源丰富,含水层厚度大、分布广,调蓄能力强,开发利用程度高,排泄区有明显的阻水边界,储水能力强。山区型岩溶水系统可溶岩分布于山区,地下水向河谷、低洼处径流,排泄速度快,储存能力差,开采井零星分布,开发利用程度低。     

人工回灌条件下多组分溶质的反应迁移模拟

人工回灌技术在我国水资源管理中占据重要地位,但是其实施对地下水环境质量也造成了较大的影响。如何保障人工回灌条件下地下水环境质量的安全稳定性,已成为人工回灌技术发展的瓶颈。以上海市某人工回灌试验场为例,结合试验场的地质、水文地质勘探结果,以TOUGHREACT为数值模拟平台,模拟预测人工回灌条件下地下水中多组分溶质的迁移转化过程。模拟结果表明：地下水化学成分主要受混合作用、阳离子交换吸附作用及含水层矿物相溶解-沉淀作用等影响;含水介质中石英、白云石、钾长石、钠长石及蒙脱石发生溶解,方解石发生沉淀,伊利石与高岭石则先溶解后沉淀,但各矿物相反应量极其微弱;按不同压力方案回灌,水位恢复速率随压力增大而加快,但地下水中化学成分变化趋势几乎不受压力影响。     

Dupuit模型的改进——具入渗补给

Dupuit（1863年）提出的模型是“圆岛状含水层稳定井流模型”,这个模型只有侧向湖海边界条件,而不涉及上边界降水入渗补给条件。因此,Dupuit模型只能在旱季用于地下水井流试验求取含水系统的参数,而不能够用于预测。文章发展Dupuit潜水井流模型,考虑地面均匀稳定入渗补给（蒸发排泄示为其负值）作用。以质量守衡原理为基础,假定渗流服从Darcy定律并满足Dupuit徦定,建立极坐标下的地下水流微分方程,再依边界条件建立相应的流量方程和水位方程。这些方程为具地面入渗补给条件下井流试验求取水文地质参数以及预测相应条件下地下水抽水的效果,提供了基础条件。讨论了引入Dupuit假定对本问题解析研究可以降维（略去z变量）带来好处的同时,在地下水分水岭附近及抽水井附近可能出现偏离Dupuit假定,建议在抽水试验求取含水层参数时,观测孔的部署要尽量回避这些区段。     

黑河流域中游盆地水文地球化学演化规律研究

黑河是我国第二大内流河,研究其水化学演化规律,对于区域水资源科学利用与管理、保障饮水安全和下游生态安全都具有重要作用。本文利用2014—2018年在黑河流域开展1∶50 000水文地质调查所获取的资料,研究了黑河干流和丰乐河两个典型剖面的水化学和同位素变化规律。结果表明,黑河中游盆地地下水主要来源于祁连山区大气降水补给,黑河干流区地下水氘氧同位素比丰乐河流域更为富集,反映了氘氧同位素的高程效应。在丰乐河流域排泄区发现了非现代气候条件下形成的古水,说明现在的盐湖盆地早期就是地下水滞留区。山前戈壁带含水层经长期淋滤作用,地下水溶解性总固体(total dissolved solids,TDS)较低,水化学类型以重碳酸型为主。溢出带以北下游地区TDS逐步增高,地下水类型以硫酸型、硫酸-氯型为主,具有两种地下水化学背景和演化模式:一种是石膏溶解-碳酸盐沉淀析出-氯化物溶解-缓慢的硅酸盐非完全溶解和阳离子交换反应模式;另一种在此基础上增加硫酸钠溶解演化模式。流域补给区和径流区地下水TDS升高的主要原因是溶滤作用。丰乐河排泄区地下水TDS升高的主要原因仍是溶滤作用,溶滤盐分的来源是表层的盐分,以石盐为主。黑河干流排泄区由于含水层较薄,水位埋深较浅,蒸发对地下水咸化的影响更大。