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。      

地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的应用——以山东临沂市城区岩溶塌陷为例

岩溶塌陷是近年来濒发的主要地质灾害。其发生、发展、主要受岩溶水不合理开采所致。地下水位是影响岩溶塌陷的重要因素。论文以临沂市城区岩溶塌陷为例,在完善的监测网络基础上,建立了地下水数值模型,预测了可行的地下水开采方案,并模拟城区岩溶塌陷区水位与基岩顶板的变化关系。研究建立了岩溶塌陷动力预警系统。该系统为减少或避免岩溶塌陷的发生及防治提供科学依据。     

基于数值模拟的岩溶地下水源保护区划分技术研究

以山东省邹城市某岩溶水源地为例,研究数值模拟方法在岩溶地下水水源地保护区划分中的应用,以及水文地质参数对于水源地保护区划分结果的影响。基于GMS软件构建了研究区三维非稳定流地下水数值模型,采用质点追踪技术,通过反向追踪示踪粒子在运移100 d、1 000 d以及25 a后的位置及迁移轨迹,对该岩溶水源地进行保护区划分;改变数值模型中的主要水文地质参数,以变化后的保护区面积作为衡量参数敏感度的指标,并计算各参数的敏感度系数,研究水文地质参数对于保护区划分范围的影响。结果表明:当参数改变幅度在20%范围内时,一层垂向渗透系数(VK1)的敏感度系数最大可达到2.63×10-3,二层垂向渗透系数(VK2)的敏感度系数最大可达到3.64×10-3;垂向渗透系数的敏感度明显高于其他参数,说明垂向渗透系数对保护区划分范围的影响最大。因此,在应用数值模拟法对岩溶地下水源地进行保护区划分时,应尤其注意模型中各含水层垂向渗透系数取值的准确性和合理性。      

数值模拟在岩溶塌陷预警系统建设中的应用 ——以临沂市城区岩溶塌陷为例

岩溶塌陷是近年来频发的主要地质灾害类型之一,其发生、发展主要受岩溶水不合理开采所致,水位是影响岩溶塌陷的重要因素.文章以临沂市城区岩溶塌陷为例,探讨在建立完善的监测网络基础上,通过水文地质模型模拟城区一带的岩溶塌陷区水位的变化趋势,预测分析可行的地下水开采方案,建立起完整的岩溶塌陷动力预警系统,为减少或避免岩溶塌陷的发生提供了科学依据,也为同类地质灾害的监测、预警、预防提供了借鉴模式.     

基于LBM-DEM细观数值模拟的水力诱导覆盖型岩溶地面塌陷发育过程分析

文章以水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷为背景,基于离散元方法和格子Boltzmann方法,采用Bouzidi插值反弹边界格式和动量交换法,建立一种可以从细观角度模拟覆盖型岩溶塌陷的二维格子Boltzmann方法—离散元方法流固耦合模型。在此基础上对承压水下降引起的覆盖型岩溶塌陷数值模拟开展了探索性研究。模拟结果表明：承压水位下降工况中地下水主要对隔水层岩溶开口处的颗粒产生影响,对土洞周围土体产生向下的作用力;土体颗粒的剥落容易造成土颗粒原位置和上方位置处水压的陡降,从而造成较强的水力坡降,使得地下水对内部颗粒作用力陡增,容易引起上方颗粒在地下水作用力和重力作用下失稳,导致从土体颗粒失稳至土层塌陷逐渐加速。研究成果对进一步从细观尺度进行水力驱动的覆盖型岩溶地面塌陷的发育过程与特征研究具有理论及实际意义。     

Numerical simulation and environmental impact prediction of karst groundwater in Sangu Spring Basin,China

The changes of development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin have made the original groundwater resource evaluation unable to meet the needs of future economic development. Based on analysis of existing data, combined with the characteristics of supplement, runoff and draining of regional karst groundwater, the Visual Modelflow software was used to build a numerical simulation model of Sangu spring Basin. The amount of karst groundwater resource and groundwater environment of the Basin were evaluated under different exploitation schemes, and the changes of karst groundwater environment in the future ten years were also predicted. The fitting error which is less than 0.5 m between the calculated value and measured value of the water level in the fitted borehole accounts for 93%. For the lithologically and structurally complex Sangu Spring Basin, the fitting effect of numerical simulation model was ideal. On the basis of the current mining amount of 111.80 million m³/a, the total redistributed exploited amount in the spring region was 61.79 million m³/a. Under the condition that the quantity of recoverable resources reached 173.59 million m³/a and under different precipitation schemes, all constraint conditions were satisfied, such as regional water level drawdown, maximum allowable water level drawdown in every simulated water source area and the flow rate of Guobi Spring. The results will provide a scientific basis for the rational development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin.     

岩溶塌陷渗压效应致塌机理研究--以山东省枣庄市岩溶塌陷为例

山东省枣庄市是北方岩溶塌陷的主要发育区之一，该区岩溶塌陷主要分布在十里泉水源地及丁庄一东王庄水源地地下水降落漏斗中心范围内，在发生时间上具有明显的阶段性。第1阶段岩溶塌陷主要原因为抽排地下水引起的“真空吸蚀作用”及“失托加荷作用”；第2阶段塌陷主要原因是降雨入渗诱发产生的渗压效应。渗压效应是由于降水(或地表积水)入渗补给岩溶地下水时，对覆盖层岩土体产生的综合效应，包括静水增荷效应、垂直渗透效应，吸水软化效应以及负压封闭效应。从形成的力学机制上分析，该区第2阶段岩溶塌陷属于降雨入渗-静水增荷-吸水软化型，致塌的力学机制为渗压效应致塌力学机制。     

复杂洞群地下水渗流效应的数值模拟

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑与不考虑节理岩体静水渗流对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到相应的结论,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。     

潜蚀作用导致岩溶塌陷地质灾害的实例分析

淳安县某村于2005年2月初发生民房墙体开裂、地面裂缝、砼路面层与路基脱开、施工缝拉裂等地质灾害现象。从破坏特征看,该灾害应属于地面沉降,但却不具备发育通常概念“地面沉降”的地质环境条件。文章根据灾害区附近灰岩溶洞较发育、表部松散层厚度较大等条件,认为灾害由地下水潜蚀作用引起,并试图恢复其作用机制。指出如不加以治理,可能造成灾难。     

岩溶塌陷机理研究进展

岩溶塌陷机理是开展岩溶塌陷监测、预警、防控及治理工作的基础。长期以来,岩溶塌陷机理研究都是以事后调查的定性推测为主,缺乏必要的科学观测数据支持,导致目前的岩溶塌陷机理仍然处于假设阶段,并成为岩溶塌陷灾害监测预警与防治方面的理论瓶颈问题。文章总结了近年来国内外岩溶塌陷机理的最新研究进展,提出目前的岩溶塌陷机理都可以归结为土岩体的渗透变形,但其临界或破坏指标还需进一步探讨,此外指出随着高频采样的水压力、 加速度计及声波等传感器的实用化,塌陷机理研究将面临着从静水压力到动水压力方面的挑战,并且压力脉动造成的气蚀破坏、共振破坏也将是下步探究的重点。     

地下水数值模拟不确定性分析研究进展

地下水数值模拟不确定性分析旨在提高研究区域地下水流的模拟精度。学者们将地下水数值模拟不确定性分析分为:模型的不确定性、参数的不确定性以及资料的不确定性三类,其中参数的不确定性分析在研究中是最为重要的。同时,对模型、参数、资料不确定性分析的研究进展和成果进行归纳总结,补充关于参数不确定性分析过程中的替代模型的一些研究成果以及模型不确定性分析的多模型分析;强调在地下水数值模拟的过程中,重视模型、资料的不确定性分析;展望未来,随着地下水数值模拟不确定性分析研究的深入,方法和应用会更加多样化。     

徐州岩溶塌陷时空分布规律及成因分析

文章通过对以往岩溶地面塌陷勘查工作成果进行系统梳理,揭示了徐州地区裸露型岩溶和覆盖型岩溶的分布规律及历史上岩溶塌陷的时空分布特征,发现塌陷的分布具有明显的规律性:(1)塌陷受废黄河断裂带控制,离废黄河断裂带越近岩溶发育越强烈,离废黄河断裂带较远的部位岩溶发育明显减弱;(2)塌陷主要分布于浅部岩溶强烈发育地段的奥陶系灰岩中,少数分布于寒武系灰岩之中;(3)塌陷集中分布在古河道形成的,砂性土单层结构地段,少数分布在砂性土-黏性土双层结构地段;(4)塌陷全部位于岩溶水开采降落漏斗内。结合岩溶塌陷的时间与地下水的动态活动过程之间的关系,全面分析地面塌陷形成的原因,提出了古河道与废黄河断裂带的重叠部位为岩溶地面塌陷发生的有利部位,但最终发生地面塌陷则是人类工程活动过程引起岩溶水位剧烈波动——大幅、快速下降的结果。该研究成果可为徐州市今后进一步防治岩溶塌陷地质灾害提供地质科学依据,有重要的实用价值。      

Evaluation of karst collapse risks induced by over-pumping and karst groundwater resource protection in Zaozhuang region,China

Based on the comprehensive analysis of factors influencing karst collapse in the Zaozhuang Shili Spring Area, China, this paper establishes a karst collapse risk evaluation model by means of the fuzzy comprehensive evaluation method. Application of the model led to division of the study area into very high risk area, high risk area, average risk area and low risk area; therefore, the karst collapse risk evaluation map of Zaozhuang Shili Spring Area is completed. As preventive measures of karst collapse, the different karst water resource protection areas of Zaozhuang Shili Spring Area are established, and the map for karst water resource protection area of Zaozhuang Shili Spring Area is compiled. The results will be helpful for the strategic planning and decision-making processes associated with exploitation of karst water resources and with prevention and control of karst collapse hazards of this region.     

Hydrochemical indications of human impact on karst groundwater in a subtropical karst area,Chongqing, China

The application of combined isotopic and hydrochemical compositions may be useful for evaluating water quality problems in karst aquifers in which it is difficult to distinguish the sources of solutes from the natural background of those due to human activities. Multiple isotopes (δ¹³C–DIC, δ³⁴S–SO₄ ^2?) and chemical parameters were measured in rainwater, groundwater and sewage in order to elucidate the solute sources and impacts from human activities and natural background in the Laolongdong karst catchment in Chongqing Municipality, SW China. Overall, the dissolution of carbonate rock controls Ca²⁺, Mg²⁺ and HCO₃ ^? content in rainwater and karst groundwater. SO₄ ^2? originated mainly from gypsum dissolution in karst groundwater. Carbonate rocks in the studied site could be dissolved jointly by H₂CO₃ from the natural CO₂–H₂O reaction and other acids (organic acids and HNO₃) from sewage and soils. Sewage discharge from urban areas and agriculture activities lead to the increase of NO₃ ^?, PO₄ ^3? and Cl^? in karst groundwater. To protect and sustainably utilize the karst aquifer, sewage originating from urban areas must be controlled and treated and the use of fertilizer should be limited.     

基岩裂隙水渗流数值模拟研究综述

裂隙岩体中的渗流规律与传统多孔介质渗流规律存在本质的区别,裂隙岩体渗流具有不均匀性、各向异性和非连续性等特点,如何更好地刻画裂隙水渗流的这种特点是当前裂隙水数值模拟的热点与难点。介绍了裂隙岩体地下水渗流特性,对目前裂隙水渗流模型及其优缺点进行比较、分析,同时对主流数值计算方法和数值模拟软件进行概括介绍。     

渗流诱发套损机制与数值计算

油田套损是石油工程中的一大技术难题,多年来困扰着各油田。大量的现场调查和理论分析表明,油田套损与油藏渗流场动态变化密切相关。无论是剪切套损、拉伸套损还是挤压套损,都是渗流引起应力场调整,最终导致套管受力损伤。基于油藏流固耦合理论,分析了油田渗流诱发套损的机制,建立了油藏渗流-应力耦合计算的数学模型,并介绍了利用流固耦合进行套损预测计算的算例,对于套损防控具有重要的理论指导意义。