（地球探测与信息技术专业论文）太原西山岩溶水系统演化模拟与煤系陷落柱群分布规律探讨.pdf

太艨理上人学硕士研究生学谯沦文 太原西山岩溶水系统演化模拟与煤系陷落柱群分布规律探讨 缡要 陷落桂对于现代化的煤炭开采影响较大，因而学术界和矿由企业一赢 试舞寻找簸够撼示鼹藩柱空舞分囊麴影滤戮子，然丽涮嚣蓑为止滏来寻 找到此影响因子。岩溶水强烈的溶蚀作用是陷落柱形成的根本原因之一， 因面对予鹣落柱空阕分毒戴律瀚婿究裁转交为对区域岩溶邀下水鳆研 究。本磷究以太原溺由岩溶地下水系统为例，从构造水文演忧盼角度出 发，对吉岩溶作用时期的岩溶地下水水流避行了定性的和半定量的模拟， 最嚣探讨了陷落柱空 霹分毒与老滚地下东径滚路径之阉瓣关系。 首先将太原西山岩溶水系统单元的边界进行划分，建立水文地质概念 模型，撼取窭蒺型地质舔熬空闽裁爱，之厝耀漂鬃底叛d e m 接葬避囊体 分层高穰晌方法制作了太服两l 如地质体的震拟钻孔，并且建立了太原西 山岩溶水系统单元的三维地质体。接着通过地貌分析获褥了古岩溶作用 时赣岩溶求系统酶补给条俸，丽时还透过构造承文演化的方法糕隧遗佶 算了古岩溶水系统的排泄条件，使得模拟古岩溶地下水径流成为可能。 最蜃将隧落柱分布懑与水流模撅维票援叠搠发甏，2 号煤层已羯露戆陷落 柱中有8 0 9 0 的陷落桂分布在各个岩演作用时期地下水的强径流带 内，说明陷落拄的空闽分布的确受到岩溶地下水强径流带控制，豳此证 实了本项掰f 究静意义所在。 关键字：模拟。岩溶水系统，构造水文演化，数字蕊程模型( d e m ) ， 陷落柱，太原话由煤翻 太原理工人学硕士研究生学位论文 as i m u l - 气t 1 0 n0 ft h e 嚣v o l v e m e n to f k a r s tg r o u n d ，a t e rs y s t e mf o r l o c a t i n gc o l l a p s ep i l l a rf o r e s ti n x i s h a nc o a l f i e l d ，t a i y u a n ，s h a n x i a b s t i 谴c t a c a d e m i aa n dm i n i n ge n t e r p r i s e sh a v eb e e na t t e m p t i n gt or e s e a r c ht h e f a c t o r so fi n f l u e n c i n go nc o l l a p s ep i l l a r ss p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，b e c a u s ec o l l a p s e p i l l a ra r er o c kb a r r i e r st om o d e r nm i m n gm a c h i n e s h o w e v e r , f e wo ft h e s e i n f l u e n c ef a c t o r sh a sb e e nf o u n d t h ei n t e n s ed i s s o l u t i o no ft h eo r d o v i c i a n l i m e s t o n e su n d e r l y i n gt h ep e r m o c a r b o n i f e r o u sc o a lm e a s u r eb yg r o u n d w a t e r i sa ne s s e n t i a lp r o c e s sf o rc o l l a p s ep i l l a rd e v e l o p m e n t ，a n dt h e r es h o u l db ea r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o l l a p s ep i l l a rd i s t r i b u t i o na n dg r o u n d w a t e rf l o wr o u t e ， t h i sr e s e a r c hs i m u l a t e st h ee v o l u t i o no ft h eg r o u n d w a t e rf l o w sa n di t sr o u t e s s i n c et h ef o r m a t i o no ft h i sg r o u n d w a t e rs y s t e mb yu s i n gt h eq u a l i t a t i v ea n d h a l f - q u a n t i t a t i v em e t h o d s 。 t h ef i r s ts t e pi sp l o w i n gt h eu n i tb o u n d a r yo ft a i y u a nx i s h a nk a r s tw a t e r s y s t e m a n db u i l d i n gt h e h y d r o l o g yc o n c e p t i o nm o d e lf o rg e t t i n gs p a t i a l e x t e n s i o no ft h em o d e l t h es e c o n ds t e pi sm a k i n gv i r t u a lb o r eb yu s i n gc o a l s e a mf l o o rd e mt oc a l c u l a t ee v e r yl a y e r se l e v a t i o na n dc o n s t r u c t t i n gt h e3 d g e o l o g i c a lb o d yo ft a i y u a nx i s h a nk a r s tw a t e rs y s t e m t h et h i r ds t e p i s g e t t i n gt h ea n c i e n tr e c h a r g ec o n d i t i o no ft a i y u a nx i s h a nk a r s tw a t e rs y s t e m b yp h y s i o g n o m ya n a l y s e sa n de v a l u a t i n gr o u g h l yi t sd i s c h a r g ec o n d i t i o nw i t h am e t h o do fs t r u c t u r e h y d r o l o g ye v o l v e m e n t ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l ef o r i i 一查堡墨：瞪壁婴壅圭堂堡堡塞 8 l m u 鼬n ga n c l e n tk a r s tw a t e rf l o w , t h el a s ts t e pi ss u p e r p o s i n gt h er e s u l to f s 妇u l a 锺姐gf l o w0 1 1d i s t r i b u t i o nm a po f c o i l a p s ep i l l a r 弧ef a c ti se i g h t yt o n m e t yp e r c e n to f a l lc o l l a p s ep i l l a r sl o c a t ei nt h er e g i o no f g r o u n d w a t e r s t r o n g 程。wi n e v e r yk a r s td i s s o l u t i o np e r i o d ，w h i c hs h o w st h e c o l i 印s ep i l l 甜 d i s t r i b u t i o ni sc o n t r o l l e db ys t r o n gf l o wo f g r o u n d w a t e r i ne v e r yk a r s te r o d i n 窟 p e r i o d ，t h u st h er e s e a r c hm e a n i n gi sm a d es u r e 矬yw 瞅d s ：s i m u l a t i o n ，k a r s tw a t e r s y s t e m ，s t m e t u r e + h y d r o l o g y e v o l v e 搬e n t ，d i g i t a le v a l u a t i o n m o d e l ( d e m ) ，c o l l a p s ep i l l m , t a i y u 勰 x i s h 鞠c o a l f i e l d ! j i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰叁盏莛 臼期：玉虚经丑堕丑一 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理王大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并傈存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阀；学校可以学术交流为且的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容f 保密学位论文在解密后遵守瑟规定) 。 签名：搬 日期：垫! 整坐生星 导师签名：碰副朗：_ 一尹 太原理r 大学硕二f 一研究生学位论文 第一章绪论 1 1 煤系陷落柱群分布规律的认识和存在的问题 煤系陷落柱是中国特有且多数隐伏的大规模地质现象，是煤系下伏灰岩中的大跨 度溶洞发生持续向上的塌陷所产生的、三维形态呈柱状的塌落岩块堆积体，通常隐伏 散布在华北晚古生代含煤岩系中。 从上世纪4 0 年代日本人小贯义男首次对陷落柱进行定义以来，企业、政府、学 者对陷落柱的进行了不同程度的研究。建国初期全国大规模进行煤用地质勘探，这个 时期对陷落柱的研究主要集中在对己发现的陷落柱进行形态特征和派生构造方面的 描述；6 0 到7 0 年代中期，陷落柱研究进展缓慢，但一些地球物理勘探方法( 如无线 电波透视法) 开始应用于探测陷落柱；从7 0 年代末开始陷落柱研究的范围迅速扩大， 开始对陷落柱的形态特征、形成机制、空间分布进行研究，形成了如溶洞循环扩溶形 成论。、重力作用形成论”3 、膏溶作用形成论”1 、真空吸蚀形成论“1 、热液成因说 等学说。 随着煤炭开采规模的快速增大和机械化程度的提高陷落柱对煤矿生产的危害显 得越发严重，例如陷落柱破坏煤系地层的连续性，给井巷工程的布置和施工、采煤方 法和采掘机械的选择带来很多困难，影响采煤进度，降低生产效率。如果采掘过程中 掘穿导水陷落柱将带来不可估量的严重后果，例如开滦范各庄矿，安阳铜冶煤矿，河 北金牛能源东庞矿都发生过严重的突水事故。为了减小陷落柱对煤矿生产的危害，减 小损失，地质工作者开始研究陷落柱的分布规律，产生了一些观点，如樊怀仁，夏玉 成等认为陷落柱分布和区域主节理方向一致，并猜测陷落柱在空间上相互交织呈现网 状面貌，而且这种网状分布格局与奥灰岩中网络状裂隙溶洞系统相一致“1 ；郭达志， 盛业华等对晋城矿区大量已揭露的陷落柱进行研究得出观点，背斜、向斜轴部是陷落 柱的可能发育部位，即在岩层发生变形褶曲的过程中，由于张、压应力造成背、向斜 轴部断裂，使岩层易于破坏和塌陷，为陷落柱的形成提供了条件。1 ；同时郭达志，盛 业华等还提出了陷落柱与地貌的关系，他们发现太原西山煤田陷落柱的发育与地貌有 一定的联系，特别是与沟谷、低地有关，陷落柱常常沿沟谷出现”1 。然而无论是哪种 太原理：| _ = 大学硕士研究生学位沦文 观点都是从某个区域、某个矿区入手，没有从整个岩溶系统的角度进行研究，因此不 能说明整个华北煤田的陷落柱都具有上述分布规律。 人们在研究陷落柱成因和分布规律的时候发现，各种观点中都普遍承认陷落柱产 生的根本原因有二，一是此区域有岩溶水系统，二是重力导致塌陷。有了岩溶水对可 溶性岩层的不断浴蚀，加之重力打破了被溶蚀岩层原有的力学平衡，最终经过漫长的 地质历史过程形成了现今的岩溶陷落柱。于是对陷落柱分布规律的研究就转向研究岩 溶水系统，一旦能够求出岩溶水径流强弱带分布，陷落柱的分布规律也就有了希望。 目前岩溶水径流与陷落柱分布规律方面已经有所研究，张永双等首次将岩溶水径流带 强弱与陷落柱分布规律做了简单的归纳，从理论上提出了陷落柱宏观预测指标体系， 如表卜1 ( 部分引用) 。1 。但实际上岩溶水赋存的地质环境相当复杂，单凭好、差来 描述岩溶地下水的赋存程度远远不能确切描述径流强弱，更不能起到预测陷落柱分布 的作用。因此需要从数值分析的角度对岩溶地下水径流进行模拟，从而找出径流带强 弱，制定量化标准。 表1 - 1陷落柱宏观预测指标体系9 1 t a b l e ii n d e xs y s t e mf o rm a c r o s c o p i cp r e d i c t i o no f c o l l a p s ep i l l a r s l 9 、 区类 指标体系一 发育区段 较发育区段不发育区段 补给排泄条件 好较好 差 地下水径 现代岩溶泉域的强现代岩溶泉域的径远离径流带或 流条件 水文地质单元 径流带或排泄区内流或排泄区附近 排泄区的地段 富水性好、循环交富水性差、交替速l 非径流带地区 径流带强度 替速度快、强度大 鉴璧孽、强度小叫 的径流带径流带 宋晓夏于2 0 0 1 年收集整个太原西山煤田所有矿区己揭露的陷落柱资料，并绘制 了矢量格式的太原西山煤田岩溶陷落柱分布图，得出了与樊怀仁等人相同的观点，即 陷落柱的平面展布具有明显的方向性，与区域性节理方向基本一致。同时还对陷落柱 密度做如下分类：陷落柱不发育区( d l o 个k m 2 ) 、陷落柱中等发育区( 1 0 个k m 2 2 0 个k m 2 ) ，提出了陷落柱的个数 密度、体积密度、面积密度、储量密度的概念，首次从量化的角度对陷落柱分布进行 2 太原理i ：火：学硕- t t t i 3 f 究生学位论文 描述，他还利用陷落柱分布图尝试描绘了奥灰岩溶网络预测图“，如图1 1 ( 部分) ， 尽管网络预测图可靠性有待证实，但的确说明陷落柱分布与岩溶网络有着密不可分的 关系，问接说明了岩溶地下水径流与陷落柱分枷存在关系。 i j 一 一1 、2卜j3r * j4 l ul l _ jl 图1 - - 1 奥灰岩溶网络预测图3 1 陷落柱2 原始岩溶网络3 八号煤采空区4 井田边界 f i g 】一】f o r e c a s tm a po f o r d o v i c i a nk a r s tn e t p o l c o l l a p s ep i l l a r2 o r i g i n a lk a r s tn e t3 8 。g o ba r e a4 c o a ls e a mb o u n d a r y 1 2 岩溶地下水系统演化研究的目的和意义 完整的岩溶地下水系统形成之后，开始的那段古岩溶作用时期原态灰岩被溶蚀、 搬运的程度还不足以使得灰岩上覆岩层塌陷，那个时候岩溶地下水的运动还不是以管 道流为主，灰岩中地下水的运动主要以渗流为主，即在孔隙和裂隙空间中以很小的流 速运动。随着四维空间尺度上时间轴的加长，灰岩中的主要成分g a g 0 。不断被溶蚀， 微小的7 l 隙、裂隙空问开始变大，在奥陶系灰岩中由构造作用引起的节理裂隙区域以 及c a c 0 。含量较高的区域溶蚀作用尤为剧烈，更加增大了这些区域的7 l 隙、裂隙空间 尺寸。当孔隙、裂隙空间达到一定的尺寸时，地下水的水力学性质发生改变，流速变 大，灰岩被溶蚀搬运的速率也变大，此时灰岩内部出现大小不等的空穴，这些空穴相 互贯通，形成了最初的岩溶网络。地下水在这些网络中流速较渗流运动大，流量也比 3 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 较大，即为最初的地下水强径流区域，在强径流区域灰岩不断被溶蚀、搬运，溶洞尺 寸越来越大，当溶洞尺寸达到一定时，溶洞上方岩体的重力打破奥灰层原有的力学平 衡，溶洞上方不同层位的岩体发生塌陷，陷落柱形成。因此岩溶地下水的演变也就反 映着陷落柱形成的各个阶段，如下图1 2 ： 时 间 轴 图1 2 岩溶水及陷落柱演化过程图 f i g1 2e v o l v e m e n tp r o c e s so fk a r s tw a t e r & c o l l a p s ep i l l a r 根据西铭井田陷落柱发育特征与分布规律研究“，陷落柱在空间上的分布存 在不发育区、中等发育区和密集区，这是由于岩溶地下水径流在空间分布上也存在强 弱分区，单纯求出某个地质历史时期的岩溶地下水径流强弱分区还不足以预测陷落柱 的空间分布情况。从地质历史的角度看岩溶地下水系统始终都在变化，岩溶地下水径 流强弱带同样也在变化。岩溶地下水系统的补、排条件一直随着气候、构造等因素的 变化而变化，所以岩溶地下水径流强弱带也随之发生变化，虽然在不同的补排条件下 产生不同的径流强弱带，但是这些径流强弱带在空间上存在叠加现象、继承现象。前 一个岩溶作用时期产生的强径流带很有可能在后一个岩溶作用时期被继承、发展，以 此类推继而形成地下水运动剧烈的岩溶管道，最终可能形成岩溶地区的地下水暗河。 研究岩溶地下水系统演化的意义也就在于弄清楚岩溶地下水强径流带的演变，而 本论文关于陷落柱空间分布规律的探讨正是建立在岩溶地下水径流演变的基础之上。 冒 太原理：i 火学硕士研究生学位论文 1 3 太原西山岩溶水系统研究现状 对于太原西山岩溶水系统的研究主要分为两方面，一是上个世纪八十年代中后期 到九十年代初进行太原地区地下水资源评价与规划时的研究工作，包括山西省地矿局 第一水文地质队1 9 8 4 年的山西省太原西山地区岩溶水资源评价研究、山话省煤田 地质勘察二二九队1 9 8 7 的太原地区煤矿岩溶水资源评价报告、山西省水力勘测设 计院1 9 9 3 年1 0 月的山西省汾河二库初步设计报告第二分册1 等。这个时期的研 究工作不仅丰富了建国初期在太原西山兰村、晋祠等区域设立的水文监测站的基础水 文地质资料，而且还丰富了区内的基础水文地质资料，尤其是1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间 由中科院、煤炭工业部、煤炭科学院等单位用物探方式进行地勘测得到了大量基础资 料，并且这次勘测还从处于山岭地带的岩溶地下水系统的外围，即盒地基底地块差异 沉降的角度，求证出太原西山岩溶水的侧排主体部位是北起三给南到交城的边l 山断裂 带，并以侧向排泄为主，晋泉只是一个相对集中的排泄点“。二是地矿部门、煤矿生 产单位为安全生产，合理利用矿区地下水，防止矿井突水配合煤矿生产而进行的岩溶 水方面的研究，如中国煤田地质总局水文物测队1 9 9 8 年9 月的古交矿区镇城底、 马兰、屯兰三矿奥灰岩溶水水文地质普查勘探水文地质测量报告、2 0 0 1 年山西 焦煤集团地测勘探中和山西煤田水文地质二二九队的太原西山综合水文地质图及 其说明( 1 ：5 万) ，以及西山各煤矿为煤炭生产需要所进行的水文地质勘测1 等。综 合分析上述太原西山岩溶水系统研究可知，研究工作主要集中在西山岩溶水系统边 界线的划分；西山岩溶水系统排泄边界是否包含兰泉泉域；水文地质参数、资料 的确定：西山岩溶水系统径流与排泄的区域和方式；西山岩溶水系统内部灰岩溶 蚀情况的研究。 太原西山岩溶水系统的划分存在争论，焦点集中在西山西部西冶泉域的归属。有 两种划分，一种将西山岩溶水系统视为一个整体，另一种则将西山西部西冶泉域单独 划分为西冶岩溶水系统( 或称西山西部岩溶水系统) ，无论哪种划分方法都承认西冶 泉东部、马兰向斜西部区域存在一个严重的滞水区”“，划分西冶岩溶水系统的根据也 在于此，认为西冶岩溶地下水向南受到西社断层东盘的弱透水砂页岩阻挡，使地下水 太原理：l 二大学硕士研究生学位论文 流向南面的文水方向3 。 西山岩溶水系统排泄区域是否包含兰泉的问题：有观点认为兰泉属于西山岩溶水 系统一主要排泻区“”1 ，但也有观点认为兰泉主要为北山岩溶水系统的排泄区“2 _ ”1 ， 两种观点都是根据水化学、地下水矿化度及稳定同位素测定的角度加以论述，出现这 种分歧的原因应当是对岩溶地下水的动态变化考虑不够，同时水化学、地下水矿化度 及稳定同位素测定的时问不同，取样地点不同且比较稀少等原因。 确定水文地质参数和资料方面除通过传统抽水实验测定以外还利用地下水化学 动力方法计算了太原地区的水文地质参数，将研究区进行剖分，获得t 4 2 9 个结点的 原始资料，分别计算出k 、t 、u 、u 、t 等5 个水文地参数各4 2 9 个，并根据结果编制了 k 值和t 值分区图以及地下水循环条件图“。 图1 3 岩溶水等水位线“4 f i g1 3k a r s tw a t e rt a b l ec o n t o 一2 有关西山岩溶地下水径流与排泄研究，赵永贵“2 1 等最为深入，运用了水化学、同 位素测定、地下水数值模拟及物探等方法进行研究，得出西山北部岩溶水一部分向东 ( 东南) 注入盆地后，主体部分可能沿泥屯河向南汇流；另一部分向南汇集于汾河沿 线，此后主体部分向东沿王封、西铭一线向盆地深层排泄，继续向汾河以南西山南段 的运移广泛存在，但径流量不很大也不很集中，等水位线如图l 一3 ； 同时赵永贵等“还根据古交抽水实验得出晋祠段、西铭段是西山岩溶水系统排泄 6 太原理l ? 入学硕：l ：t i ) f 究生学位论文 带的结论，并运用达西定律粗略估计函ij i 岩溶水在边山的潜流侧排量，即条件好r l , j 手i i ： 泄带垂向上的宽度约3 0 0 米，沿边山的长度5 0 公里，渗透系数取7 m d ，水力梯度3 的情况下其潜流量为3 6 m 3 s ，且潜流量分配情况为西铭段3 0 ，晋祠段4 0 ，清 徐段3 0 。 西山岩溶水系统内部狄岩溶蚀情况所做过的研究认为，奥陶系中统的古剥蚀面下 部为强裂隙的岩溶发育带，根据西d i 山前钻孔资料划分了三个溶蚀裂隙带：古剥蚀 面以下2 0 一3 0 米，局部达5 0 米为剧烈溶蚀裂隙带，除蜂窝状溶蚀裂隙外，常形成较 大的溶洞水；强烈溶蚀裂隙带，蜂窝状溶蚀裂隙及顺层网格状溶蚀裂隙比较发育， 发育深度为5 0 一 0 0 米：溶蚀裂隙带，延至1 0 02 0 0 米，以溶蚀裂隙为主，偶见溶 穴，还有泥灰岩石膏岩带，裂隙溶蚀带还可能向深处发展。同时还根据沉积旋回和岩 性差别得到裂隙岩溶发育与岩石岩性有关，即根据古交断裂带峰峰组及上马家沟组纯 灰岩中见有0 1 一j 9 1 米大型裂隙溶洞推断断裂带附近裂隙岩溶比较发育”。 由于西山煤田陷落柱地形成不仅仅和现今的岩溶水系统有关系还与古岩溶作用 时期的岩溶水系统有关，而上述研究成果和基础性数据也只是研究了现今的西山岩溶 水系统的补径排模式，对于古岩溶作用时期岩溶水系统与陷落柱分布的关系尚无法确 定，郭敏泰、赵金贵“2 1 已经尝试着从构造地貌演化的角度来解决岩溶水系统 的演化，但所做的工作还不够完整和全面，故目前尚未对岩溶陷落柱的分布规律作出 结论；迄今为止还没有从构造一地貌一岩溶水系统演化的角度对其进行定量或半定量的 研究。 1 4 地下水数值模型与模拟研究现状 人类开发利用地下水的历史十分悠久，但对地下水运动规律地认识进展却很缓 慢，进入十九世纪以后对地下水规律地认识有了较快地发展，集中在两个方面，即数 学模型和地下水模拟。 1 4 1 地下水研究的数学模型 在十九世纪中叶由于法国水力事业的发展，促使法国水力学家开始研究地下水的 运动特征及规律。1 8 5 6 年法国水力学者达西根据在砂柱中水的渗透实验，第一个总 7 太原理1 人学硕十研究生学位论文 结出水在孔隙介质中运动的渗透规律达西定律旧，从而开始人类对地下水的定量 研究。1 8 5 7 年裘布依把渗透定律进一步应用到天然含水层中建立了一个关于单井的 稳定流公式d u p u jt 公式】，1 9 0 4 年布涅斯克提出了潜水非稳定流微分方程。尔 后，随着人类开发利用地下水强度地增加，稳定流理论得到了较快地发展，当开采地 下水的规模变得很大时，人们发现稳定流理论不能表达地下水从一个状态发展到另一 个状态的过程，于是非稳定流理论开始发展。1 9 3 5 年美国学者泰斯利用三十年代初 期温策尔和迈策尔两位学者通过抽水试验获得的潜水含水层和承压含水层中地下水 非稳定过程分别与含水层疏干和弹性释放有关的实际材料，利用热传导方程第一次提 出了实用非稳定流公式泰斯公式阻1 ，它的出现开创了现代水文地质计算的新纪 元。但是，当人们面对非均质含水层和复杂条件下的地下水运动时，尤其是岩溶水介 质，泰斯公式也显得“力不从心”。 142 地下水模拟 运用地下水基本模型解决地下水运动等简单问题一般被称作解析法，它只能用来 解决条件简单的渗流问题”，但是当实际含水层为非均质、各向异性以及边界几何形 状及其复杂时，解析法就难以应付，此时需要用模拟的方法来解决。地下水模拟一般 分为物理模拟和数值模拟两种： 一、物理模拟 所谓物理模拟就是用相似模型再现渗流动态和过程的实验方法，它可以求解复杂 的地下水渗流问题，而且在检验基本理论和需要观察渗流过程中可能出现的物理现象 ( 如弥散和管涌现象) 时，物理模拟都十分有效。主要方法有渗流槽模拟、连续介质 的电模拟、窄缝槽模拟、热模拟以及光弹模拟等。 渗流槽模拟，就是将自然界的水文地质实体按照一定的比例缩小制成模型，然后 对模型中各运动要素进行观测，再将观测到的结果按一定比例尺放大，就得到与自然 界水文地质实体相对应的运动要素。但这种模拟费用较高，且模拟问题有些简单。 窄缝槽模拟是根据液体在作层流运动时和地下水在层流状态下的平面运动相似 的特点，在两块放置很窄的垂直平行板组成的模型中进行实验，利用窄缝槽中液体流 动的原理来模拟液体通过多孔介质的运动规律，以解决地下水运动中的实际问题。 8 太原理：】火：学硕一 = 研究生学位i 文 电模拟，以导电介质中电流的流动与地下水在多孔介质中服从达西定律的运动在 数学描述上的相似性为基础。其核心问题就是以电场模型代替按定比例缩小的渗流 区域，根据电模拟中测得的各点电位值绘制等电位线，以模拟渗流场相应点的水头值 及等水头线。 二、数值模拟 地下水系统数值模型是基于地下水系统概念模型和抽象出来的数学模型，在对数 学模型识别和验证的基础上，进一步验证地下水系统的行为和功能的适应性，从而深 化对地下水系统特性的认识”“。 数值模拟的方法主要有概率统计法、有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 等， 其中有限差分法和有限单元法是两种主要的且比较成熟的数值计算方法。“。 有限差分法的基本思想是用差商近似控制方程中的微商，然后耦合初始条件及边 界条件求封闭的线性代数方程组。该方法具有物理概念清楚、直观、易懂、计算简单、 编制计算程序容易等特点。 有限单元法是把一个连续的含水层剖分为多个小的有限单元体，利用有限单元体 把水头函数离散化，将原来的水头函数用各有限单元体内的近似插值函数代替，即把 实际地下水面( 或压力水面) 近似地用通过各有限单元顶点的平面( 或曲面) 代替，将求 解区域内各点水头问题，转化为求解有限单元顶点水头问题。 有限元法与有限差分法相比，由于节点配制方式比较任意，单元大小比较随意， 形状可以变化，因此对于复杂形状的渗流区，可以使边界结点完全落在区域边界上面 以及适应不同水头的分布情况。但由于有限元法是采用线性形函数描绘单元内的水 位，往往在水力梯度较大的部位算得的水位有可能失真，某些结点产生振荡。此外， 有限单元法占用计算机的内存要大一些，前期准备工作及运算工作量多”“。 三、岩溶水模型 岩溶水空间分布极不均匀且水力联系各向异性，其运动速度变化很大，流态变化 也很复杂。在溶隙，待别是细小裂隙网中，地下水缓慢渗流，水流流态属层流状态。 而在溶洞、暗河等岩溶管道中，水流的流速较大，甚至可达每昼夜千米以上，显然水 流处于紊流流态。正是由于以上岩溶水的特点，人们发现运用达西定律或者达西推广 9 太原理： 大学硕士研究生学位论文 定律模拟岩溶地下水运动其效果并不理想。进入二十世纪九十年代以后，人们开始利 用物理模拟研究岩溶裂隙水运动机理，并且注重模拟介质材料的选取，由最初的光滑 平行板模型，发展到水泥混凝土材料模型，再到原状岩样模型，模型越来越接近客观 实际：在研究内容方面，目前在裂隙水运动理论的研究方面，产生了非达西定律、非 立方和定律等成果。然而，人们深知由于裂隙岩溶水介质的复杂性，通常建立实验室 模型较为困难，尤其是塑造近似于客观实际的含水岩层的实验室模型，所以国内外的 众多学者正在逐渐重视模型介质的建立。德国斯图加特大学从1 9 9 5 年开始建立了开 放型国家水环境模拟控制实验室，其中v e g a s 大型实验室模型，用于模拟地下水流运 动和溶质运移”。目前模型介质的研究内容之一是研究不同的地下水流运动介质，建 立接近于地下水实际流场的实验室模型。 在研究岩溶水运动的数值方法方面，学者们提出了汇流计算法、多孔介质模型、 三重介质模型、耦合介质模型法等方法，大大地推动了岩溶地下水运动的研究。 汇流计算法，所谓岩溶管道水汇流，系指由于岩溶管道水通常具有流速快、流 量大、水力比降小和地下水位势能低( 相对两侧脉管和溶隙水而言) 的特点，因而形成 对周围脉管和地下水的袭夺，其结果造成岩溶地下水的集中流动，称为汇流。汇流理 论以比流速u 、与水力坡度j 的相关关系式为理论核心，不使用渗透系数为主要特点。 多孔介质模型。1 ，当含水层的裂隙宽度较窄且连通性较好时，可以将岩溶水概化 为多孔介质模型，即用等效的多7 l 介质概化岩溶裂隙介质。 三重介质模型，即岩溶管道裂隙孔隙三重空隙介质模型，模型依据岩 溶含水介质的水动力特征不同，将其划分为：主要起储、释水作用，水力遵循达西 定律的空隙介质：主要起导水作用，水流仍服从达西定律的空隙介质：起导水作 用，但水流的流态已属于紊流的空隙介质。为了将岩溶含水介质中达西非达西流 运动规律用统一的形式表达，以便建立统一的控制方程，该模型提出了折算渗透系数 的概念，即各种流态的水流满足：渗流速度= 水力坡度折算渗透系数 耦合介质模型法”“，用等效连续介质模型描述次要裂隙和孔隙中的水运动，用离 散介质模型描述主干裂隙和岩溶管道中的水运动。连续介质域充满了整个研究区域， 离散介质按主干裂隙和岩溶管道的实际空问分布嵌入连续介质中，并依据裂隙管道壁 1 0 太原理j 。人：学硕：f j 研究生学位论文 的水力条件耦合两者，但此中方法需要大量地质体信息，数据量很大，在大区域模拟 中很少用至0 ，女口图l 一4 ： 喀新特含水层 童苣爱至匪髫强 蚕至| 莓垂赫耦合系统 震 图1 4 岩溶地下水模拟耦合系统 ( s t e f f e ab ir k ，20 0 2 ) f i gi 一4k a r s tw a t e rs i m u l a t i o nc o u p l i n gs y s t e m 14 3 地下水数值模拟软件现状 随着计算机软硬件技术的飞速发展，一批科学数值模拟分析软件已经产生，而水 文分析向来是数据量大而复杂的一项工作，需要结合计算机进行科学计算。近二十年 来国外许多高校、科研单位、软件公司相继开发了服务于地下水研究的数值分析软件， 加之计算机辅助设计c a d 、地理信息系统g i s 的加入使得许多科学计算问题得到了简 化，大大提高了工作效率。水文分析软件是科学软件的一份子，是建立在数学、水文 地质学、地下水动力学、计算机科学、计算机图形学、数据库技术等多项学科的基础 上，利用计算机高速运算能力对经过数学建模和地质概化的水文问题进行处理的软 件，一般都是采用f o r t r a n 、c + + 语言编写。目前地下水分析软件主要包含两大模块， 分析模块和地质体建模模块。分析模块主要用数学建模的手段对问题进行抽象概化， 然后进行数据处理分析。地质体建模则是用钻孔数据构建三维地质体，随着o p e n g l 、 i d l 的发展，尤其是近几年i d l 的飞速发展构建复杂三维地质体已经能够实现，但缺 点是原始钻7 l 数据较为稀少，地质体结构表述仍不够全面且缺乏地质体属性信息描 述。地下水问题的隐蔽、不可知、数据获取单一等特点决定了此类分析软件必须建立 太原理：| 二人学顾十研究生学位论文 在一些假设的基础上，比如由于地质体的特殊性、钻孔数据的不完整性构建完全符合 真实情况的三维地质体目前还不能实现，所以必须对复杂地质体进行简化，忽略了很 多构造现象；在地下水运动的过程中由于含水层的非均质性其各个方向上的水力传导 必然不同，但完全考虑这种非均质性必然产生极大的数据量且数据获取也有难度，因 此分析过程中一般将含水层概化为均质体：地下水问题常常是孔隙水、裂隙水、岩溶 水等的混合问题，但是分析时经常简化为某一类问题来研究。水文分析数据量极大的 特性决定了必须选择较好的计算方法，此类软件常用的数值计算方法一般为有限元法 和有限差分法两种。有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程实际 的一种有力的数值计算工具，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机的结合在 一起的一种数值分析技术。由于本身的灵活、快速、和有效性，使其迅速发展成为求 解各领域的数理方程的一种通用的近似计算方法。有限差分法是数值求解常微分方程 或偏微分方程的方法，是随着计算机的诞生和应用而发展起来的，其计算格式和程序 的设计都比较直观和简单。水文分析软件的计算方法选取也不例外，这两种方法也是 其主要的计算方法。 据美国科学软件公司( s c i e n tj f i cs o f t w a r eg r o u p ) 与国际地下水模型中心 ( i g _ | v m c ) 1 9 9 2 1 9 9 4 收录的全球资料就已经显示地下水分析软件数量已经超过十余 套，此后1 0 年间此类软件更是增加迅速，最近的一份美国科学软件公司资料 “e n v i r o n m e n t a la n dw a t e rr e s o u r c e ss o f t w a r ec a t a l o g ”显示此类软件数量已经 超过3 0 套，尽管尚未有我国国产软件被其收录，但是我国目前已经建立了囊括国际 地下水模拟中心( i g w m c ) p v e n d e rh e i j d e 分类中所有模型，即预报模型( 包括水流 模型、热量运移模型、形变模型、多目标模型) 、管理模型和识别模型”。 地下水分析软件主要功有模拟地下水流动、模拟地下水溶质和热运移、地下水渗 流分析、水质和水化学研究、抽水井与含水层的关系研究、地下水资源的风险评估等。 作者将具有代表性的地下水流动分析软件做以介绍，如下”2 。： 2 太原理f 大学硕：卜研究生：学位论文 l 、m o d f l o w 2 0 0 0 表卜2m o d f lo w 20 0 0 主要信息 t a b l eit h em 【a i ni n f o r m a t i o n0 fm o d f l o w 2 0 0 0 开发者 m c d o n a l d ，mga n dh a r b a u g h ，a w1 9 8 4 ，m o d i f i e d1 9 8 8 & 2 0 0 0 程序编写语言 f o r t r a n7 7 1 、m c d o n a l d ，m g ，h a r b a u g h ，aw ，i9 8 8am o d u l a rt h r e ed i m e n s i o n a l 程序应用相关文献 f i n i t e - d i f f e r e n c eg r o u n d w a t e rf l o wm o d e l ：t e c h n i q u e so fw a t e rr e s o u r c e s i n v e s t i g a t i o n so ft h eu n i t e ds t a t e sg e o l o g i c a ls u r v e yb o o k6 ，c h a p t e r a i ，5 8 6 p p 由美国地质调查局主持开发一套专f - j , q i | - - i 二孔隙介质中三维有限差分地 下水流数值模拟的软件，它可以分析承压、非承压含水层中l 维、2 维、3 简介维的稳流或非稳流状态下的地下水流的模型。考虑水力传导、渗透率等水 力学参数，考虑含水层的各向异性，可以进行基于变化水头压力的地下水 流模拟。 进行忽略含水层形状的稳态、非稳态地下水流模拟；最多可以进行6 0 主要功用 层含水层的建模；进行钻i l 、沟渠、河流对地下水影响的模拟 主要计算方法有限差分矩阵法 程序结构模块化，具有嵌入其它地下水分析模型功能，可嵌入的模块 包括p c g 坡度预处理、m m s p 组件式模型统计处理、m o d f l o 、v a r c 数 据调用模块( 专用a r c b n f o 数据) 、z o n e b u d g e t 模拟区域水均衡计算、 特色 a q u i f e rc o m p a c t i o n 贮水系数弹性、非弹性模拟变换、 m o d p a t h p l o t 稳态流流线绘制模块、t l kl 低渗流含水层非稳定流模拟 等模块 仅识别嵌入模块特有数据格式，但m o d f l o w 内部提供数据预处理功能， 其中m o d g r a f 模块具有绘制速度矢量图的功能。另外v i s u a l 数据交换格式 m o d f l o w 、m o d f l o w w i n 3 2 c o n t o u r w i n 3 2 两款软件提供为m o d f l o w 进行数据编辑的功能。 网址 l i t t n ：w a t e r u s g _ s2 0 v n r o & w s o f i w a r e m o d f l o w 2 0 0 0 m o d f l o w 2 0 0 0 h t m l 系统要求 p c 3 8 6 4 8 6 p e n t i u mw i t h2 m br a m 以上，支持w i n d o w s 平台 由于软件适用于地下水模拟过程中的特定问题，并且软件的界面、交互性、 前后处理等方面都还存在不小的差距由此c h i a n g ，w - ha n dk i n z e l b a c h ，w 重新整合了m o d f l o w 、m o d p a t h 和m t 3 d ，编写了p m ( p r o c e s s i n gm o d f l o w ) 软件。g u i g u e r , n a n df m n z ，t ( w a t e r l o oh y d r o g e o l o g i cl n c ) 于1 9 9 6 年也整合 m o d f i o w 、m o d p a t h 和m t 3 d 开发了v i s u a lm o d f l o w 。p m 和v i s u a lm o d f l o w 在数据交换方面做以改进，支持a s c i i ( x ，y ，z ) 、s u r f e r ( g r d ) 、u s g s 备注 d e m ( d e m ) 、e s r l ( g r d ) 、m a p i n f o ( g r d ) 表面模型，a s c i if i l e s ( t x t ) 、 m s a c c e s s d a t a b a s e ( m d b ) 、m se x c e l ( x l s ) 和e s r ip o i n tf i l e s ( s h p ) m o d p a t h ：p o l l a c k ，d l9 9 0 编写的应用m o d f l o w 水流模拟结果模拟 粒子踪迹的程序 m t 3 d ：g e e i n g ，c1 9 9 4 编写主要用于污染分析，与m o d f l o w 有相同 的组件结构 太原理i ：大学硕士研究生学位论文 2 、g m s ( g r o u n d w a t e rm o d e i n gs y s t e m ) 表i 一3g m s 主要信息 t a b l e lt h em a i nl n f o r m m i o no f g m s 开发者 美国b r i g h a my o u n g 大学环境模型研究实验室( e m r l ) 程序编写语言f o r t r a n 与c l 、j o n e s n o r m a nl a l a nm l e m o n a n dc a wat a l b o t ，”i n t e g r a t i n gg i s d a t aw i t h3 df i n i t ee l e m e n tg r o u n d w a t e rm o d e l s ”g r o u n d w a t e ru p d a t e s p r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m2 0 0 0o ng r o u n d w a t e r , m a y8 一l o 程序应用相关文献2 0 0 0 ，s a i t a m a ，j a p a n ，p p3 2 7 3