（地质工程专业论文）郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用.pdf

郑州北郊水源地 地下水资源数值模拟研究及应用 摘要 郑州北郊水源地是以开采浅层水为主的特大型地下水集中供水水源地 本文首先应用传统的水均衡法对郑州北郊水源地地下水资源的允许开采量进行评价。同 时全面地论述了该水源地的地下水系统特征，建立了系统的水文地质概念模型和地下水流模 拟模型，采用基于有限单元法的地下永模拟系统软件对数值模型进行求解运用该模型，对 各种条件下的地下水资源的允许开采量进行评价，预测了两个不同地下水开采方案下的地下 水流场，确定了合理的开采方案，为地下水可持续开发、利用和决策提供科学依据利用多 年收集的该水源地地下水动态和水质资科，对其水质进行演化预测本文利用e x c e il 编 辑计算模块，将其与g i s 数据库相链接，可以方便地进行计算；利用g i s 中各种模块 ( v i e w 、d e m 等) 及s u r f e r 工具对原始资料进行前处理，给烦琐的水文地质资料的整 理工作提供了新思路 研究表明：1 通过对水源地一期开采3 年以来的均衡计算分析，验证了各项水文及水 文地质参数，对水源地允许开采量进行了复核，计算结果与勘探时期比较接近，表明水源地 浅层地下永1 6 x 1 0 5 m 3 d 的允许开采量是适宜的z 北郊水源地在现状开采条件下，对区 域地下水资源、郑州“九五”滩水源地和郑州市城区地下水水源无大的影响，也不会对农业 灌溉和渔业用水造成大的影响，开采地下水引发的水质闯题不突出。 关键词：地下水；水均衡；数值模拟；水质演化：预测 r e s e a r c ha n da p p ii c a t i o no f g r o u n d w a t e rr e s o u r c en u m e ric alsim uia tio na b o u t t h en o r t h e r ns u b u r bw a t e rs o u r c eo fz h e n g z h o u a b s t r a c t t h en o r t h e r ns u b u r bw a t e rs o u r c eo fz h e n g z h o u c i t yi sa no v e r s i z ec e n t r a l i z e dw a t e r - s u p p l y 。o u 船f i e l dw h i c he x p l o i t ss u p e r f i c i a lg r o u n d w a t e r m a i n l y a b o v ea l l , t h ea l l o w a b l ep r o d u c e dq u a n t i t yo fg r o u n d w a t e rr c s o i nt h en o r t h e r ns u b u r b w a t e rw m 磷o f z a e n g z h o uc i t yi se v a l u a t e db yt km c a mo fc l a s s i cw a t e r - b a l a n c em e t h o d t h e g r o u n d w a t e rs y s t e mc h a r a c t e r so ft h i sg r o u n d w a t e rs o u r c ea r es t u d i e dt h o r o u g h t h es y s t e m i c c o n c e p t u a lm o d e lo fh y d r o g e o l o g ya n ds 面o = l a t i o nm o d e lo fg r o u n d w a i e ff l o wa mf o u n d e d t h e s y s t e m i cs o f t w a r eo fg r o u n d w a t e rs i m u l a t i o nw h i c hb a s e do bf e m ( f l n l t e - e l e m e n tm e t h o d ) i s u s e dt os o l v et h en u m e r i c a lm o d e li nt h i st h e s 趣u s i n gt h i sm o d e l , t h ea l l o w a b l ep r o d u c e d q u a n t i t yo fg r o u n d w a t e r 目n u 瞄i se s t i m a t e di nav a r i e t yo fc o n d i t i o n s t h eg r o u n d w a t e rf l o w f i e l di sf o r e c a s t e du n d e rt w od i f f e r e n tg r o u n d w a t e r e x p l o i t a t i o np r o j e c t s r e a s o n a b l eg r o u n d w a t e r e x p l o i t a t i o np r o j e c t 缸d e t e r m i n e d 1w h ht h ec o n c l u s i o n sf r o mt h i st h e s i sa r ev e r yi m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rp e o p l et oe n g a g ei ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , t h eu t i l i z a t i o na n dt h ed e c i s i o n - m a k i n g b a s e d 鲫t h i sg r o u n d w a t e rs o u r c e sg r o u n d w a t e rm g i m ed a t u ma n dg r o u n d w a t e rq u a l i t yd a t u m c o l l e c t e df o ry e a t s , t h ee v o l u t i o no fg r o u n d w a t e rq u a l i t yi sp r e d i c t e d t h i st h e s i su s e st h e e x c e i lt oc o m p i l ec o m p u t a t i o nm o d u l e , l i n k si tw i t ht h eg i sd a t a b a s es ot h a tw e 啪c a n yo n t h ec o m p u t a t i o nc o n v e n i e n t l y i th a sp r o v i d e dan c ww a yf o rt h et r o u b l e s o m em a n a g e m e n to f h y d r o g e o l o g yd a t u mt h a tc a i i i 髂o u tt h ei n i t i a ld a t u mp r e - p r o c e s s i n gw i t he a c hk i n do fm o d u l e ( a r c v i e w , d e ma n d o n , w h i c he m b e d d e dw i t h i ng 1 s 1a n dt h es o f t w a r eo fs u f f e r s o m ec o n c l u s i o n sa g o t f i r s t , 3y e a r sg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o ni s o s t a t i cc a l c u l a t i o na n d a n a l y z ei sc a r r i e do u ts 砥t h ef i r s te x p l o i t i v ep e r i o do ft h eg r o u n d w a t e rs o u r c e e a c ho ft h e h y d r o l o g yp a r a m e t e ra n dh y d r o g e o l o g cp a r a m e t e ra i ev e r i f i e da n dt h ea l l o w a b l ep r o d u c e d q u a n t i t yo ft h eg r o u n d w a t e rs o u r c ei sr e c h e c k e d t h ec o m p u t i n gr e s u l t sa r ea p p r o a c h i n gt o r e l e v a n tv a l u e so ft h ee x p l o r a t i v ep e r i o d t h i si n d i c a t e st h a tt h ea l l o w a b l ep r o d u c e dq u a n t i t y ( 1 6 l o s m 3 d ) o ft h eg r o u n d w a t e rs o u r c e ss h a l l o wg r o u n d w a t e ri sf i t t i n g s e c o n d , i tc a n n o te x e r t sat r e m e n d o u si n f l u e n c eo i lt h el o c a lg r o u n d w a t e rr e s o u i l l t h e 9 5 ” b o t t o m l a n dg r o u n d w a t e rr s d m o fz h e n g z h o uo it h eu r b a na r e a g r o u n d w a t e ri o l i g o f z h e n g z h o uu n d e rt h ee x p l o i t i v ec o n d i t i o no fi m e n ts i t u a t i o n n o rt h ea g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n d t h e f i s h e r yw a t e r t h ee n v i r o n m e n t a lh y d r o g e o l o g yp r o b l e mc i s c d b ye x p l o i t a t i o no f g r o u n d w a t e rl c s o 吣i sn o ts e r i o u s k e yw o r d s ：g 】蝴l n d w a t c f ；w h l c | 曲a i a n ；n u m e i i c a ls i m u l a t i o n ；w a t e rq u a l i t ye v o l u t i o n ； f o r e c a s t e d 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规 范的侵权行为文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：赵靛毒签字同期：一7 2 口 保证人( 导师) 签名_ 1 严蝻签字目期：知彬7 ，2 9 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) ! 学位论文作者签名：社最葺翮签名：_ 撕 签字日期：2 神7 j 9 0 签字f 1 期：炒7 ，1 了 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 水环境生态恶化，水资源紧缺，是我国目前水资源的现状“1 我国是一个水资源贫乏的 国家，目前人均水资源量为2 3 1 0 ，m 3 ，不足世界平均水平的四分之一列世界第1 0 8 位， 在全国6 6 8 座城市中，有4 0 0 多座城市缺水，日均缺水量约1 6 1 0 6 n 每年影响工业产值 2 3 0 0 亿元：我国从7 0 年代开始出现水荒，如今己蔓延到全国，目前我国的实际用水量己 达5 3 0 0 1 0 | m ，“”水资源时空分布与生产力布局不相适应等不利因素，使水资源成为制 约中国可持续发展的重要因素之一更为严重的是，水土流失、水污染等人为因素进一步加 重了我国的水资源短缺全国水土流失总面积达3 6 7 1 0 k m 2 ，占国土面积的3 8 每年 6 0 6 1 旷吨的工业废水和城市生活污水中有憾未经处理捧入河流，使6 4 的城市河段中 的水受到中度或严重污染不合理开发已使全国已形成地下水超采区1 6 4 片，总面积1 8 1 0 h f ，海水入侵面积1 5 k m z 根据全国1 1 8 座大城市浅层地下水水质调查报告，9 7 5 的城市地下水受到不同程度的污染“1 地下水是我国城市生活和工农业用水的重要供水水源全国约有2 3 的城市和部分农 田都以地下水作为重要的供水水源另外某些高温地下水可用来发电，供热，是一种新的能 源；矿泉水可以治疗某些疾病；深埋地下的矿化水和威盐水可以作为矿产资源被开发利用” 地下水不仅是一种宝贵的资源，同时也是复杂的生态环境系统中个敏感的子系统，是极为 重要的生态环境因子，地下水的变化往往会影响生态环境系统的天然平衡状态“1 近代以来， 工农业的迅速发展和城市人口的不断增长使水的需求量越来越大，同时人们对地下水资源内 在规律认识的滞后性和地下水资源的隐蔽性、流动缓慢性以及地下水与自然生态环境的正确 关系等方面认识不足”1 1 在开发利用过程中，往往肆意破坏或改变它们之间的均衡关系以 及各种污染质通过渗透进入地下水，造成一系列严重的环境水文地质问题以及与地下水有关 的地质灾害” 综上所述，地下水开采引起的一系列环境问题已普遍存在，并日趋严重资源和环境是 人类生存和可持续发展最基础的物质条件，保护资源与环境是保证经济持续发展、促进社会 繁荣进步的一项战略任务e 1 1 如何合理利用和有效保护地下水资源，是一个值得深入探讨 的问题。 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 1 2 国内外的研究现状与进展 1 2 1 地理信息系统( g i s ) 的研究现状与进展 1 2 1 国外研究现状 地理信息系统( g i s ) 萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，加拿大的r o g e rf t o t a l i n s o n 和美 国的d u v m ef n a r b l e 在不同的地方、从不同的角度提出了地理信息系统。1 9 6 2 年， t o m l i n s o n 提出了利用计算机处理和分析大量的土地利用的地图数据，并建议加拿大土地调 查局建立加拿大土地地理信息系统( c g i s ) 以实现专题地图的叠加，面积量算等g “l t i e 刭 1 9 7 2 年。o g i s 全面投入运行和使用，成为世界上第一个运行型的地理信息系统，并成功地 解决了地图数据的扫描输入，栅格矢量数据转换等技术难题”在系统设计上，提出了空 间分块、专题分层的数据结构、空间数据与属性数据相联接等思想，对后来地理信息系统的 发展产生了重要的影响1 1 9 7 0 1 9 7 6 年，美国国家地质调查局先后建成了5 0 多个信息系 统，德国、瑞典和日本等国家也相继发展了自己的6 i s “”。2 0 世纪8 0 年代后兴起的计算机 网络技术使地理信息的传输时效性得到了极大地改善，地理信息系统的应用从基础信息管理 与规划转向更复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，促进了地理信息产业的形成“”1 国外地理信息系统的发展可分为四个阶段：( 1 ) 上世纪6 0 年代为地理信息系统的开拓 期，注重于空间数据的地学处理，如美国人口调查局建立的d i m e 、加拿大统计局资源普查 数据的g 劝s 、哈佛的s y i l a p 、马里兰大学的h a n s 等“、( 2 ) 上世纪7 0 年代为地理信息 系统的巩固发展期，注重于空间地理信息的管理；( 3 ) 上世纪8 0 年代为地理信息系统的大 发展时期。注重于空问决策支持分析美国于1 9 8 7 年成立了。国家地理信息与分析中心 ( n c g i ) ”，英国于1 9 8 7 年成立了。地理信息协会”“同时，商业性的咨询公司，软件 制造商大量涌现，并提供系列专业性服务，实用的商业化系统开始进入市场( 4 ) 上世纪 年代以来为地理信息系统的用户时代地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速 公路”计划，美国前副总统戈尔提出的“数字地球战略也包括了地理信息系统”1 毫无 疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统 经过近柏年的快速发展，地理信息系统的应用已遍及资源保护、环境监测、土地利用、 灾害预测、投资评价、城市规划、交通运输、政府管理等众多领域 1 7 1 。 1 2 2 国内研究现状 我国的g i s 研究工作是从8 0 年代开始的，起步较晚但随着国家的重视、有关方面的资 助的不断加大和专业技术人员的刻苦努力，经过“七五”、。八五”十余年的研制与开发，6 i s 得到蓬勃发展，相继建立了一批全国，省市和区域的数据库和大型应用系统，如全国1 ：1 0 0 万基础数据地理数据库、重大自然灾害监测与评估系统等，解决了一系列技术方法和应用方 面的实际问题，积累了较为丰富的经验，并出现了一些相对来说较为成熟的软件系统，如中 国地质大学的w t p g i s 、武汉测绘科技大学的g e 0 6 i s ，中国科学院遥感所的s i m s 及g r a 蜗，北 京大学的c i t y ( ；i s 等“ 地理信息系统的研究与应用。一方面是利用g i s 来处理用户的数据。另一方面是在g i s 的基础上，利用其开发函数库的二次开发功能编写出用户专用的地理信息系统软件。今后地 2 华北水利水电学院硕士学位论文 理信息系统尚需进一步研究和发展的领域：重大自然灾害监测与评估系统的建设、城市地理 信息系统的建设与应用、建立数字化测绘体系、国家基础地理信息系统建设与应用、专业信 息系统与数据库的建设和应用、基础通用软件的研制与建立、地理信息系统规范化与标准化、 基于地理信息系统的数据产品研制与生产等f 4 , z 4 i e 1 2 2 地下水数值模拟的研究现状及发展方向 1 2 2 地下水数值模拟的研究现状 近年来，关于地下水数值模拟的研究主要集中在以下几个方面： 1 三维流模型及其软件开发目前进行区域三维流分析的软件主要有v i s u a lo d fl o g 、 m o i ) f l o w 、m t 3 d 9 9 、l i t 3 d 峪，m o d p t h 、u c o d e 、p e s t 、v i s u a lr o u n o l - a t e r 、f ef l o w 等“。1 它们的共同特点是适用问题广，将数值模拟的前处理、模型计算和后处理全过程中的各个步 骤很好地连接起来，从建模，网格剖分，输入或改变各类水文地质参数和几何参数、运行模 型、反演校正参数，一直到显示输出结果，整个过程从头至尾寻求计算机化”1 v i s u a l m o d f l o w 是在n o d f l o w 的基础上开发研制的，是目前国际上流行的三维地下水流和溶质运 移模拟评价的标准可视化专业软件系统“1 v i s u a lk d d f l o 以其求解方法的简单实用、适 应范围的广泛及可视化功能的强大正逐渐成为最有影响的地下水模拟软件，其使用范围还将 不断扩大然而实践证明，它不适用于某些复杂的地质条件，如不饱和流动、密度变化的流 体( 海水入侵) 、热对流等棘手同题。而且其核心软件对水文地质诸要素的刻画尚存在一些问 题9 因此当v i s u a l 啪砌及其它主流软件陷于困境时，f e f l o w 软件可以发挥其独特的 作用f e f l o w 是德国w a s y 公司开发的有限元地下水数值模拟软件专门为满足从事复杂地 下水模拟工程的专家对技术的要求而设计它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包 之一“该软件包具有图形人机对话、地理信息系统数据接口，自动产生空问各种有限单 元网格、空问参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点可进行二 维和三维地下水流、水质和热运移模拟运用f e f l o w 地下水模拟软件，建立区域地下水流 模型进行区域水资源评价，预测各种变异条件下地下水的变化趋势，是研究区域地下水的一 种非常有效的方法“” 2 流场与流线的计算方法1 9 9 8 年，p o l l o c k 开发了计算流线的方法，相应的软件 m o d p a t h 在实践中已得到了广泛的应用豫”对于有限元法，由于获得的流场在单元边界 上的不连续性，导致计算流线的误差。目前己提出解决这一闯题的几种方法：一是基于流速 分量的有限元法，另一种方法是流函数模型，然而前者工作量大大增加，后者无法处理面状 的源汇项“”1 9 9 2 年，c o r d e s 与k i n z l b a c h 又提出了改善流场不连续性的方法” 3 非均质参数的区域概化。水文地质参数在地下水数值模拟中的地位是举足轻重的，模 型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不确定性，并影响到地下水资源评价结果的 可靠性”地下水流模拟的主要问题仍然是非均质参数的区域概化由于勘探孔的数量有 限，得出的含水层参数是局部的，不能以此来概化整个含水层的参数分布。理论研究注重于 确定区域渗透系数与局部渗透系数的关系；渗透系数和孔隙度的空问分布与地质结构的关 系；导水系数与单位涌水量的关系当观测数据有限时，增加非均质含水层的分区数会降低 3 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 识别参数的可靠性，因此采用优化分区模型方法进行参数识别。该方法应用4 个识别标准 和最大概率理论求得参数模型结构的最优解，提高了含水层参数的精度“”。 另外，近年来发展起来的人工神经网络技术在地下水流模拟中也得到了应用， a b d u l - a z i z 和w o n g 于1 9 9 2 年运用人工神经网络技术估算了含水层导水系数、贮水系数、 越流系数等”1 4 繁杂数据的优化处理。数值法庞大数据的处理一直是水文地质工作者最为头疼的事 1 9 9 3 年，r i c h a r d 等在分析某一地区水流问题时，将地理信息系统和有限元法进行了成功 的结合”、与此同时。k o l i n s k y 和l o w t h e r 运用地理信息系统研制了一种自动生成有限元 网格的数值模拟软件”1 这些方法和软件的出现，免去了文件格式问的转换，同时也避免了 数据转换带来的误差，提高了模拟结果的精度 综上所述，人们对三维水流模拟软件的开发，对流场和流线的计算方法的研究、对水文 地质参数的概化，以及开发软件来解决繁杂数据的优化处理问题，大大提高了地下水流数值 模拟的精度咖在2 l 世纪，地下水流数值模拟还将在以下几个方面取得重大突破。 1 数值模型基础理论研究将有重大突破 2 引进新的思维方法，新的数学工具。合理地描述含水层系统中大量的不确定性和模糊 因素。 3 三维流模型所要求的勘探工作量在目前的一般工程中还难以承担，所以现在一般都建 立二维流或准三维流模型，随着勘测手段的提高，三维流模型将得到普及 4 1 e 4 国际上流行的软件如v i s u a lm o i ) f l o w 、f e f l o w 和g m s 等也将在国内得到普及，使 人们从繁杂的手工数据整理、输入等工作中解放出来，大大提高数值模型的使用效率 5 数值模型在基岩裂隙发育区、非饱和带的应用将逐渐成熟，在这些区域依靠数值模型 预测水流的主要问题是含水层特征参数的确定随着观测手段的改进和新的数学方法的使 用，运用含水层参数的精度将有所提高，因此这些地区的数学模型将会得到不断的完善“i 另外，随着计算机科学的飞速发展，以及遥感、地理信息系统和全球定位系统在地下水 数值模拟中的进一步应用，人们不仅可以直观地模拟地下水流而且可以实时监测地下水的 动态特征，地下水流的数值模拟将进入一个崭新的时代”“ 4 华北水利水电学院硕士学位论文 1 3 研究内容 本文在针对傍河水源地进行建模研究基础上，选择郑州北郊水源地松散岩类孔隙地下水 系统为研究对象，研究面积约4 0 0 1 妯z 范围在对该区地质、水文地质条件进行分析的基础 上，建立了水源地水文地质概念模型，利用地下水数值模拟软件建立水源地地下水数值模型， 探讨用该软件建立水源地地下水模型的特点并利用所建模型，对郑州北郊水源地现状及开 采条件下的地下水资源量进行了评价重点研究以下内容： 1 基于前人的水文地质勘查、评价成果资料，宏观上综合分析模拟区的水文地质条件， 建立傍河水源地的水文地质概念模型，并运用地下水数值模拟软件建立水源地地下水含水系 统三维水流模型 2 运用所建模型对傍河水源地地下水资源进行评价和预测，确定地下水开发利用方案下 的地下水变化趋势及其环境影响，为地下水的可持续开发利用提供科学依据 3 运用所建模型，对现状条件下傍河水源地地下水可开采资源量进行评价 1 4 技术路线 1 根据本次研究的目的和要求，制定详细的工作计划 2 搜集、整理并分析模拟区的地质，水文地质、气象、水资源开发利用等方面的资料； 按照地下水数值模拟软件所要求的格式整理出标准的模型输入数据文件 3 对时间序列资料。如降承、地下水动态、开采量等进行统计、回归分析、插补延长， 为水均衡法和地下水资源数值模拟提供基本水资源信息库 屯根据水文地质状况和流域界限在6 i s 环境下生成基础地理图，各含水层等水位线图 以及抽水井的点柱状图等图件，为地下水数值模拟进行模拟提供基础数据 5 运用系统的观点，对模拟区水文地质条件进行分析和总结，确定模拟区水文地质结 构、边界条件和参数初值，建立水文地质概念模型。并根据资料情况确定模拟期，为建立该 区地下水数值模拟模型奠定基础 6 采用地下水数值模拟软件建立模拟区的地下水流数值模拟模型，并通过拟合研究区 流场、长观孔水位历时曲线及水均衡来识别水文地质条件、均衡量和水文地质参数；利用数 值模拟模型评价地下水资源量，预测给定条件下地下水流场的演化趋势。 7 预测地下水水质的演化。 1 5 研究程度 自2 0 世纪7 0 年代末以来，在模拟区先后开展了不同比饲尺的水文地质初勘、勘探等工 作，进行过水环境方面的研究，取得了不少的研究成果，积累了较为丰富的资料，按其年限 将主要成果分别叙述如下： 1 、1 9 7 9 年，河南省地质局第十八地质队提交了郑州北郊水源地供水水文地质初步勘 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 察报告 ： 2 、1 9 8 6 年，河南省地质矿产局环境水文地质总站，武汉水利电力学院农田水利系，武 汉地质学院水文地质系联合攻关组提交了黄河水侧渗补给地下水试验研究报告 ； 3 、1 9 9 4 年，黄河水资源保护科学研究所提交了郑州市北郊地下水源地环境影响报告 书。 4 、1 9 9 5 年，河南省郑州地质工程勘察院提交了河南省郑州北郊水源地供水水文地质 勘探报告 5 、2 0 0 0 年，河南省郑州地质工程勘察院提交了河南省郑州市北郊水源地中深层地下 水勘探报告 6 、2 0 0 4 年。郑州市东周供水有限公司，河南省意达科技咨询有限公司提交了郑州市 北郊供水水源地供水井建设施工评价及地下水动态研究报告 以上成果对认识本区地质、水文地质条件积累了宝贵资料。特别是河南省郑州北郊水 源地供水水文地质勘探报告 及河南省郑州市北郊水源地中深层地f 水勘探报告 ，对包 括本区在内的整个黄河滩区进行了勘探，已作为水源地设计建设的依据。 1 6 本文的研究特色 l 应用有限单元地下水模拟软件，对傍河水源地进行模拟分析和研究傍河水源地地下 水资源评价，预测给定地下水开发利用方案下的地下水变化趋势并对其环境影响进行评价 2 利用e x c 臣编辑计算模块，将其与g i s 数据库相链接，可以方便地进行计算；利用 g i s 中d 髓模块及s u r f e r 工具对原始资料进行高程数据提取及处理，给水文地质繁琐的 资料的整理工作开拓了新思路 3 采用均衡法和数值模拟法对傍河水源地地下水资源进行了分析，并对模型进行识别和 预测。提出现状开采条件下的整个水源地地下水流场特征，为地下水可持续开发利用提供了 科学依据 6 华北水利水电学院硕士学位论文 2 1 自然地理概况 2 1 1 位置交通 第二章模拟区概况 郑州北郊水源地位于郑州北郊黄河南岸，距市区2 0 k m ，西起花园口黄河公路大桥，东 至中牟县万滩，北临黄河，南续黄泛平原模拟区地理坐标：东经1 1 3 3 7 3 0 ”一1 1 3 5 9 ”；北纬3 4 。4 6 3 0 以4 5 5 ”行政区划上分属郑州市金水区的花园口镇、柳 林镇、祭城镇、姚桥乡及中牟县万滩乡、刘集乡模拟区内有1 0 7 国道、连霍高速公路，京 珠高速公路贯穿四方，又有黄河滩水源地专用道路，沿黄大堤公路及乡村公路交织成网。交 通便利，区位条件优越( 见位置图2 - 1 ) 至， 魅 o o 厂 。 瞢一| o ，如 入v 。 2 1 2 气象水文特征 圈2 _ 1 位置图 f i g 2 - 1l o c a t i o ni m p z 2 1 气象 模拟区属暖温带半干旱气候，具明显的大陆季风气候特征，四季分明，春季干旱风沙多， 夏季炎热雨集中，秋季秋高气爽日照长，冬季寒冷雨雪少为其主要特征区内降水量适中， 但年际变化量较大，降水丰枯年份交替出现，年内降水分布不均。据郑州市气象站1 9 5 1 - 2 0 0 3 年的年降水量资料得出年降水量一般为4 0 0 - 7 8 1 8 m m ，多年平均为6 3 3 8 m m ，丰水年最大 降水量1 0 4 1 3 m m ( 1 9 6 4 年) ，枯水年最小降雨量3 7 2 0 m m ( 1 9 8 6 年) 每年降水多集中在 7 一瀛 ，、i-，满 脯 o 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 7 毋月份，降水在1 5 1 7 - 4 9 5 2 m m ，占年降雨量的3 9 9 4 7 6 ，并常有暴雨出现。每年1 2 月至翌年1 - 2 月降水量最少，不足全年降水量的5 。 据郑州市气象站1 9 7 1 - 2 0 0 3 年的年蒸发量资料得出最大年蒸发量2 0 3 3 1 m m ( 1 9 7 1 年) ， 最小年蒸发量9 1 0 7 r a m ( 2 0 0 3 年) ，多年平均蒸发量1 7 6 9 8 m m ，主要集中在4 、5 、6 三个 月，占年蒸发量的4 0 左右多年平均相对湿度6 6 3 。见多年平均气象要素图2 - 2 篓 釜 二， n 1 _ 一 二 鋈 慕、： 弱瓣 鋈 ，il l 1 1 i1 2 孤霎 圃t 圃t 圈，日 l ，腓2 - l 灶捆对童他 图2 - 2 多年月平均气象要素图 f i g 2 - 2p e r e n n i a lm o n t h l ya v e r a g em e t e o r o l o g i c a lc h a r t 2 z 2 水文 流经模拟区的河流除黄河千流外，均属淮河水系。分别是贾鲁河千流，魏河、索须河， 东风渠，现均为城市捧污河道，这些河流均属于贾鲁河流域 1 、黄河干流 黄河自孟津宁嘴出峡谷，自西向东，自郑州桃花峪起进入黄河下游从模拟区的北部边 界由西向东流过，长约3 0 k a 。黄河下游河道为强烈堆积型河道，河水泥沙含量高，并在下 游段落淤，郑州段河床每年以0 0 1 - 0 1 - 的速度增高，促成黄河河床高出堤外地面3 4 - 不 等，形成地表分水蛉和黄淮海大平原的脊柱，成为驰名中外的“地上悬河”黄河水具有水 少沙多的特点，且水沙极不均匀，年中6 0 的水量和8 0 的输沙量都集中于汛期据花园 口水文站1 9 4 9 年- 2 0 0 3 年的观测资料，黄河多年平均流量1 2 6 9 m = s ( 见图2 - 3 ) ；最大实测 洪峰流量2 23 0 0 = 3 s ( 1 9 5 8 年7 月1 7 日) ，最小流量0 ( 1 9 6 0 年6 月1 日) 多年平均含沙 量2 6 4 k g m 3 ，最大年平均含沙量5 3 6 k g m s ”1 据黄河花园口站水位观测资料统计，多年平均水位9 2 1 2 m ，最高水位9 4 4 2 m ，最低水 位8 8 4 2 m 由于受黄河流域中上游气象要素周期性变化和水库运行方式影响，水位变化显 著，连续出现2 - 3 年偏高水位之后，即出现2 年左右的偏低或低水位期，每年的1 0 月至翌 年6 月一般为低水位期，7 - 9 月为高水位期近年受黄河淤积影响，河道萎缩严重，同流量 洪水位显著增高可看出，1 9 5 8 年7 月洪水最大流量2 2 3 0 0 m 弧，相应水位9 3 8 2 m ；1 9 8 2 年8 月最大洪水流量1 5 3 0 0 m 3 s ，相应水位9 3 9 9 m ；1 9 9 6 年8 月最大洪水流量7 6 0 0 m 3 s ，相应 水位高达9 4 7 2 m ，刨该站有记录以来最高水位 2 贾鲁河干流 贾鲁河的渊源是战国时的鸿沟，汉代称为浪荡渠，历经沧桑，后演变为汴水，亦称汴河、 8 华北水利水电学院硕士学位论文 广济河、通济渠又称小黄河到元代。工部尚书贾鲁疏浚汴水，解决了漕运，因而驰名， 逐谓之贾鲁河。该河发源于新密市白寨乡杨树岗圣水峪，泉水流经横岭寨、黄帝岭水库，下 汇冰泉、暗泉行水，形成双干型河道经市区侯寨、西流湖，至北部老鸦陈折向东，流经姚 桥、白沙、扶沟县西华，自周口市入沙河、颖河，最后注入淮河 3 魏河 魏河( 又称贾鲁支河) 是贾鲁河支流之一，起源于郑州市北郊铁路编组站，穿过惠济区， 金水区，在中牟县境内入贾鲁河，区内河流长度2 1 k i n ，流域范围北至贾鲁河，西南至东风 渠，东至中牟县境内，流域面积为1 0 5 o k m 2 ，包括金水区的柳棘、祭城，姚桥三个乡的大 部及中牟县的部分地区，沿河有1 8 条捧水沟流入。控制净耕地面积8 万亩，是郑州市北郊 的一条主要摊污捧涝河道 千。 。飞。久扎_ 图2 - 3 黄河花园口站多年平均流量曲线图 f i g 2 - 3c u r v eo fp e r e n n i a la v e r a g ed i s c h a r g ei n n u a y u e n k o us t a t i o no fy e l l o vr i v e r 4 东风渠 东风渠原为1 9 5 8 年人工开挖的引黄灌溉渠道，渠首五龙闸建在郑州市北郊岗李树东北 黄河南岸，向南与索须河、贾鲁河交汇。至市区白庙折向东南，在穆庄北入七里河，1 9 6 2 年引黄停灌后，东风渠主要担负市区行洪捧涝任务皋村闸至七里河口长1 9 t k m ，流域面 积1 2 9 9 k m 2 ( 金水河、熊耳河截流沟开挖后) ，其支流有金水河，熊耳河由于东风渠多年 来未系统治理，钾盐指数、溶解氧、石油类、非离子氨、悬浮物超标，属严重的有机污染 目前已成为市区北部的一条捧污河道，根据规划治理目标，东风渠水质标准2 0 0 5 年要求达 到类水质标准 9 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 2 2 区域地质概况 2 2 1 地形地貌特征 郑州市位于华北平原西南部的边缘地带，西南部与嵩山余脉相接。地势西南高，东北低， 坡降2 6 9 郑州市西南部冲沟发育，地面起伏较大，东北部地面平坦，局部低洼，由 西南向东北依次可分为丘陵岗地、波状平原、倾斜平原及泛滥平原四个地貌单元 模拟区属泛滥平原区，地势西高东低，北部黄河横贯全区，地形相对平坦，西部地面标 高约9 0 m ，东南部地面标高约8 1 m ，黄河大堤标高自西向东由9 5 m 自然过渡到9 1 m 模拟 区内地貌为黄河冲积地貌形态及悬河人工约束地貌系统现分述如下： 一冲积平原 区内长期处于沉降带内。黄河所携泥沙大量落淤，形成了典型的地上悬河，长期以来多 次决口、泛滥形成了广阔平坦、略向下游倾斜的冲积平原，坡降1 1 0 0 0 左右，其上有大 小不同的微地貌分布 二河漫滩一行洪滞洪落淤地貌系统 河漫滩是指只有在大或特大洪水的条件下，才能被淹没的河道中的阶梯状高地，由洪水 出槽落淤而成，其生长发育与河床同步凌庄滩地与中牟万滩是北郊水源地的两大河漫滩 黄河河床低漫滩靠近河边线宽3 0 0 - 1 0 0 0 m 范围内，汛期常淹没过水，形成湿地。现在凌庄滩 地水源井捧的北部近河边线地带已建成黄河湿地生态园。漫滩远离河床的后缘部分与堤岸相 接，一般较低洼，常成为大堤旌河洼地，临河洼地的自然形态系缓坡微凹地形，但临堤部分 多因培堤取土，形成较多的人工槽状洼地，有的常年形成积水，一般宽5 0 - 1 5 0 m ，深1 - 3 m 不等 三堤防系统一悬河人工约束地貌系统 堤岸是河流地貌的边界黄河大堤是人类对黄河的巨大干预工程，是人类活动影响自然 界的巨大营力第二外地质营力的体现人类活动机制。用堤防使自然状态下的河流地质 作用在空间和时间上人为地加以钳制，造成现代地上悬河地貌。模拟区内堤防起自明弘治年 间，历代逐步培高完善，多为近取土夯筑而成。施工的时代背景不同，大堤的质量也不一致， 其中有历史遗留下来的人类活动和生物活动的隐患及洞穴，虽经多次探查治理，终难尽除， 区内大堤多数地段靠溜，一般构筑有坚固的石坝和垛加以防护 2 2 2 地层 依据区内及附近深3 5 0 m 范围内的岩性、岩相分析和地层组合，结合已有古生物、古地 磁、1 4 c 测年资料，进行第四纪地层成因及时代划分( 图2 - 4 ) 现将新近纪以来的地层由老 至新叙述如下 一新近系河湖相沉积( n ) 据钻孔地质资料，模拟区新近系地层隐伏于第四系地层之下，为一套红色岩系，自下而 上按岩性组合不同可分为：下部以棕红色、浅黄色，灰白色泥质胶结至半胶结的粉砂岩、砂 华北水利水电学院硕士学位论文 岩、夹泥岩、细砂层及粘土砾石层；中部以棕红，灰白色中细砂岩、泥岩互层夹砾岩、粉砂 岩；上部以红棕色泥岩、粉砂质泥岩，夹浅棕红色粉砂、粉细砂层，中细砂、中砂，半胶结 砾岩。顶板埋深由西南向东北逐渐变大，刘集以东埋深达3 0 0 余米，从岩性岩相特征分析。 该套地层为河湖相沉积 图2 4 地层柱状对比图 二下更新统冲湖积层( q ”1 ) 据钻孔揭露：其底板埋深由西向东逐渐变大地层厚度9 p 1 5 0 m 不等，该套地层下部 是以砂层为主和粘土的多层交互沉积，沉积韵律表现为下粗上细；上部以细砂、粉细砂为主 与粘土、硬粘土的多层交互沉积，砂层的单层厚度小于8 m 祭城z 3 7 孔的相同层位中，发 现的介型类化石有纯净小玻璃介，开封土星介和粗糙土星介，淡水螺类化石以塞拉螺( 豆螺) 为主，其次是施螺和士蜗，无旱生螺类化石藻类有：盐城似松藻、苏北迟纯轮藻和灯枝藻 由此可见该段为河、湖相沉积地层古地磁测试资料，其底界与高斯正极性世中的马莫斯事 1 1 郑州北郊水源地地下水资源数值模拟研究及应用 件底界相当，约3 1 0 万年。 三中更新统冲湖积层( 驴“) 为河湖相沉积，据钻孔资料，底板埋深由西南向东北由1 0 0 m 渐增到1 5 0 m ，厚度? 0 m 到 9 0 m 该套地层白下而上具有由粗到细的沉积韵律，上部以粘性土为特征含钙核，局部富集； 下部为砂层，具层理，祭城3 7 孔的同层位中介型类化石见于下部，主要有纯净小玻璃介、 瘦长骊山介、海星介、小土库曼介、开封土星介和轮藻化石，上段发现有大量淡水螺类化石， 底界与布容正极性世下限相对应，约7 3 万年。 四上更新统冲积层( q ”) 为河流相沉积，其底板埋深由西南向东北渐加深，由小于3 0 m 增加到7 0 m ，厚度一般 在1 5 - 6 0 m ，具上细下租的沉积韵律该套地层可分为两段：下段上部为粉质粘土，粉土， 呈黄色、黄褐色，下部为黄褐色、灰白色，细砂、中细砂、中砂。上段为粉土、细砂、中细 砂、中粗砂含砾。砂层中夹粘土或粉士透镜体砂层中化石贫乏，偶见淡水螺化石下部淤 泥质土层中常见适于泡沼环境的玻璃介和小玻璃介化石该层下部淤泥质粉质粘土1 4 c 测 年数据为3 0 4 4 0 2 0 9 0 a b e 。距花园口3 k m 处的京水钻孔，深1 6 5 m 处淤泥质砂层的1 4 c 测年为1 5 9 6 7 4 - 3