（环境科学专业论文）德州市深层地下水动态变化与模拟研究.pdf

根据地下水水流模型模拟和水均衡分析结果，区内第1 i i 含水层组允许开采量为 1 7 5 0 x 1 0 4 m 3 a 。保护本区深层地下水资源的关键措施就是要科学规划、调整深层地 下水的开采，保证开采量不大于补给量，以使深层地下水资源达到采、补平衡的良 性循环状态。 关键词：德州市；深层地下水；动态；数值模拟；开采方案 s t u d yo nt h ed y n a m i cc h a n g ea n d s i m u l a t i o no f d e e pg r o u n d w a t e ri nd e z h o uc i t y a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa c c o m p l i s h e do nt h eb a s i so fn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n g p r o v i n c eo fc h i n au n d e rp r o j e c t ，t h er e s e a r c ho nf r e s h w a t e rs a l i n i z a t i o ne v o l u t i o nu n d e r e x p l o i t a t i o nc o n d i t i o n si na l l u v i a lp l a i no ft h el o wy e l l o wr i v e ni nv i e wo ft h i sm a j o r e n v i r o n m e n t a l g e o l o g yp r o b l e m i nd e z h o u c i t y t h a tt h e r a p i d l y - e x p a n s i o n o f g r o u n d w a t e rd r o p f u n n e lh a sb e e nc a u s e db yc o n t i n u o u so v e r e x p l o i t i n go fd e e p g r o u n d w a t e ri nr e c e n ty e a r s ，t h ed y n a m i cc h a n g eo fd e e pg r o u n d w a t e ri nd e z h o uc i t y w a s s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da sw e l la st h ee v o l u t i o na n dd e v e l o p m e n to fh y d r o d y n a m i c f i e l da n dd e e pd r a w d o w nc o n ei nt e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o nw a ss i m u l a t e db yt h e a p p l i c a t i o no ft h ev i s u a lm o d f l o w m o d e l t h ee x p l o i t a t i o np r o j e c tw a sp r o p o s e dt h a t t h ed r a w d o w nc o n ew o u l dn o tf u r t h e re x p a n d t h es t u d yf i n d i n g sc a np r o v i d eas c i e n t i f i c b a s i sf o rr a t i o n a l d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fd e e pg r o u n d w a t e r r e s o u r c e sa n d c o n t r o l l i n gl a n ds u b s i d e n c ei nd e z h o uc i t y t h ee n v i r o n m e n t a lg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nd e z h o uc i t yw e r e a n a l y z e d a sw e l la se x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o ns i t u a t i o no fd e e pg r o u n d w a t e r , t h e d y n a m i cv a r i a t i o n o ft h eg r o u n d w a t e rl e v e la n dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e d e p r e s s i o nc o n e t h ee x t e n d e dd i s c i p l i n eo fd e p r e s s i o nc o n e so fd e e pg r o u n d w a t e rw a s d i s c u s s e d u n d e rt h ee x p l o i t a t i o ns i t u a t i o n ，t h ee l e v a t i o no fc e n t r a lw a t e rl e v e lo f g r o u n d w a t e rd r o pf u n n e li nt h i sr e g i o nw a s - 1 0 8 o o m ，t h ee l e v a t i o no fb o u n d a r yw a t e r l e v e lw a s 5 0 0 0 m t h ee q u i v a l e n tw a t e rl e v e lw a se x p e n d i n ga tt h ea v e r a g ev e l o c i t yo f 3 4 4 4 0 m a t h ee l e v a t i o no fc e n t r a lw a t e rl e v e lo fg r o u n d w a t e rd r o pf u n n e lw a s d e e p e n i n ga tt h ea v e r a g ev e l o c i t yo f3 1 6 m ai nv e r t i c a ld i m e n s i o n t h ed r o pf u n n e lw a s g r a d u a l l ye x p e n d i n gi nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i m e n s i o n w i t hc o n t i n u o u sa n de x c e s s i v e e x p l o i t a t i o no fd e e pg r o u n d w a t e r o nt h eb a s i so fh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sg e n e r a l i z e di n t h i sr e g i o n ，v i s u a l m o d f l o ws o f t w a r ew a sa p p l i e dt ob u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fg r o u n d w a t e ra n d s t i m u l a t et h es e e p a g ef i e l do fg r o u n d w a t e r i tp r e d i c t e dt h ee x p a n s i o no fg r o u n d w a t e r d r o pf u n n e la n dt h ec h a n g e o fu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e lu n d e rt h ec o n d i t i o n so f e x p l o i t a t i o ns i t u a t i o na n dd i f f e r e n td e s i g n e de x p l o i t i n gv o l u m eb yt h em o d e lb u i l t t h e d e p t hr e d u c t i o na n d v a r i a t i o no fg r o u n d w a t e ru n d e rd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e sf o rp u m p i n g r a t ew e r ea r g u e db yc o n t r a s ta n a l y s i so ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t s t h ef o r e c a s t i n gr e s u l tu n d e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h ed r a w d o w no fw a t e rl e v e lw o u l di n c r e a s em o r ew i t ht h ec o n t i n u o u s e x p l o i t a t i o nw h e nt h ee x p l o i t i n gv o l u m eo fc u r r e n ts i t u a t i o nw a s2 0 4 7 x 1 0 耳m 3 a w h e n t ( t i m e ) w a se q u a lt o5 a ( 2 0 1 1 ) ，s ( t h ed e c l i n ed e p t ho fg r o u n d w a t e r ) w a sa t4 8 1 2 2 6 5 ma n dt h ea n n u a ld e c e l e r a t i o nw a sa t0 9 6 - - 4 5 3 m a w h e ntw a se q u a lt o 1 0 a ( 2 0 1 6 ) ，sw a sa t1 4 3 2 - - - 3 2 8 7 ma sw e l la st h ea n n u a ld e c e l e r a t i o nw a sa t1 4 3 3 2 9 m a ，a n dt h e nt h ea v e r a g ee l e v a t i o no fc e n t r a lw a t e rl e v e lo ff u n n e lw a s 一1 1 8 0 6 m t h ef o r e c a s t i n gr e s u l t su n d e rd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e sf o re x p l o i t i n gv o l u m e s h o w e dt h a t t h eg r o u n d w a t e rl e v e lw o u l dc o n t i n u o u s l yd e c r e a s ei ft h ep r e s e n te x p l o i t i n gq u a n t i t yw a s s t i l lk e p ta t2 0 4 7 1 0 4 m a ，w h i c ht h ed e p t ho fc e n t r a lg r o u n d w a t e rl e v e lo ff u n n e lw a s 1 4 4 9 5 mi n2 0 1 0 w h i l ee x p l o i t i n gq u a n t i t yc u td o w nt o1 9 5 0 x 1 0 4 m a ，t h eg r o u n d w a t e r l e v e ls t i l lc o n s t a n t l yd e c r e a s e d ，w h i c ht h ed e p t ho fc e n t r a lg r o u n d w a t e rl e v e lo ff u n n e l w a s1 3 3 9 0 mi n2 0 1 0 o n l yw h e ne x p l o i t i n gq u a n t i t yf u r t h e rc u td o w nt o1 7 5 0 x 1 0 4 m a ， t h eg r o u n d w a t e rl e v e lw o u l dn e v e rd e s c e n da f t e r2 0 0 9 ，a n dt h e ni tw o u l db e g i na s c e n d i n g ， w h i c ht h ed e p t ho fc e n t r a lg r o u n d w a t e rl e v e lo ff u n n e lw a s1 2 0 2 5 mi n2 0 1 0 a c c o r d i n gt ot h em o d e ls t i m u l a t i o no fg r o u n d w a t e rf l o wa n dt h er e s u l t so fw a t e r b a l a n c ea n a l y s i s ，t h ea l l o w a b l ee x p l o i t i n gv o l u m eo fi i ia q u i f e r si n t h i sr e g i o ni s 1 7 5 0 1 0 4 m 3 a t h ek e ym e a s u r et op r o t e c td e e pg r o u n d w a t e rr e s o u r c e si nt h i sr e g i o ni s s c i e n t i f i cp l a n n i n go fu n d e r g r o u n dw a t e r , a d j u s t i n ge x p l o i t i n gv o l u m eo fu n d e r g r o u n d w a t e r , a n de n s u r i n gt h a te x p l o i t i n gq u a n t i t yd on o ts u r p a s ss u p p l yq u a n t i t yi no r d e rt h a ti t c a nr e a c hab e n i g nc i r c l ew i t ht h eb a l a n c eo fe x p l o i t a t i o na n ds u p p l e m e n t a t i o n k e yw o r d s ：d e z h o uc i t y ；d e e pg r o u n d w a t e r ；d y n a m i cd r i f t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e x p l o i t a t i o np r o j e c t 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属卢明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：乡己喑 日期：x 彤，年仁月，阳 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公丌阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密 论文作者签名： 导师签名： ( 请在以上方框内打“v ”) 日期：韶年牟月加日 日期：硼年午月，口日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) h u鬲 j 一 刖吾 水是人类维持生命和发展经济不可缺少的宝贵自然资源。水资源的开发利用为 人类社会进步、国民经济发展提供了必要的基本物质保证。十分遗憾的是，在水资 源的开发利用过程中，长期以来，人们习惯地认为水是取之不尽、用之不竭的最廉 价的资源，对其不加爱惜和保护。长期的无序开采和不合理利用，产生了一系列与 水资源有关的环境、生态和地质问题，严重制约了工农业生产发展和城市化进程， 威胁着人类的健康和安全。目前，在水资源开发利用中存在的突出问题表现在水资 源短缺、生态环境恶化、地质环境不良、水资源污染严重、“水质型”缺水显著、水 资源浪费巨大及保护与管理不善。显然，水资源的有效保护与管理、水污染的有效 控制与治理己成为人类社会持续发展的一项重要课题。 德州市自1 9 6 5 年开始开采深层地下水，1 9 7 0 年德城区地下水漏斗已形成。随 着地下水开采量的不断加大，地下水水位持续下降，降落漏斗范围不断扩大。目前， 德州市深层地下水降落漏斗己扩展并演化成为以德州市区为中心的区域性地下水降 落漏斗。自1 9 7 0 年德州漏斗形成以来，地下水水位平均以2 9 5 m a 的速率下降，与 开采前的1 9 6 5 年相比，水位下降了1 1 0 5 7 m ，且漏斗还在继续扩展，并诱发了地面 沉降，德州沉降区已与周边的沧州、衡水地面沉降区连成一片。深层地下水降落漏 斗和地面沉降己成为德州市当前面临的重大环境地质问题。因此，开展德州市深层 地下水动念变化与模拟研究，对于合理开发利用深层地下水资源、保护脆弱的地下 淡水环境及控制地面沉降等具有重大的实际意义。 本论文是在山东省自然科学基金开采条件下黄河下游冲积平原地下淡水成化 演化研究( y 2 0 0 6 e 0 3 ) 的资助下完成的。论文针对近年来研究区由于持续超量开 采深层地下水而引起降落漏斗快速扩展这一重大环境地质问题，系统分析了地下水 系统的动态变化。应用v i s u a lm o d f l o w 模型模拟了地下水水动力场和深层降落漏 斗在时、空两方面的演化、发展，研究提出了不使降落漏斗进一步扩展的地下水开 采方案。研究成果可为合理开发利用德州市深层地下水资源和控制地面沉降提供科 学依据。 第一章研究意义、现状及主要内容 1 1 研究意义 第一章研究意义、现状及主要内容 在城市地区，工业和人口集中，供水地点范围有限，常年持续供水，要求供水 保证率高。随着城市和工业的迅猛发展，我国大中城市中水的供需矛盾日益尖锐。 特别是在北方地表水资源缺乏情况下，主要靠超采地下水以弥补水量缺口。因开采 过于集中，在城市地区引起地下水位持续下降、地面沉降等环境地质问题。如： ( 1 ) 区域地下水位持续下降，降落漏斗面积不断扩大。这一现象在华北平原较 普遍，深层水水位以3 m a - 5 m a 的速率下降，天津、沧州、衡水、德州一带下降漏 斗已连成一片，面积达3 1 8 万k m 2 。其中沧州漏斗面积达9 8 3 0k m 2 ，漏斗中心水位 埋深达7 8 m 。浅层水水位降落漏斗分布于北京市及京广线沿线的保定、石家庄、邢 台、邯郸到安阳一带，面积达1 8 9 万k m 2 。近年来，在大部分城市地区，随着开采 量的不断增大和时间的延续，深层水大部分漏斗还在不断扩展和加深。 地下水水位持续下降是地下水开采超量的主要标志，它不仅直接导致部分浅机 井干涸、抽水设备更替、供水成本增大，而且还引发了其他一些地质环境问题。 ( 2 ) 地面沉降。超量集中开采深层地下水造成水位大幅度下降后，多孔介质释 水土层压密，导致了地面沉降，如北方的天津、北京、太原、沧州、邯郸、保定、 衡水、德州、许昌等城市，南方的上海，常州、苏州、无锡、宁波、嘉兴、阜阳、 南昌、湛江等2 0 多城市。地面沉降造成市区雨后地面积水、建筑物破坏等严重危害。 ( 3 ) 地面塌陷。地面塌陷主要发生在覆盖型岩溶水源地和矿区。北方有河北唐 山、秦皇岛石门寨水源地，辽宁省瓦房店，山东省泰安、枣庄、莱芜等地，南方有 安徽省的淮南、淮北，浙江省的开化、江山，湖北的成宁，湖南省的郴州等2 0 多 个城市和地区。 德州市自1 9 6 5 年开始开采深层地下水，1 9 7 0 年德城区地下水漏斗已形成。随 着地下水开采量的不断加大，地下水水位持续下降，降落漏斗范围不断扩大。目前， 德州市深层地下水降落漏斗已扩展并演化成为以德州市区为中心的区域性地下水降 落漏斗。自1 9 7 0 年德州漏斗形成以来，地下水水位平均以2 9 5 m a 的速率下降，与 开采前的1 9 6 5 年相比，水位下降了1 1 0 5 7 m ，且漏斗还在继续扩展，并诱发了地面 沉降，德州沉降区已与周边的沧州、衡水地面沉降区连成一片。深层地下水降落漏 斗和地面沉降已成为德州市当前面临的重大环境地质问题。因此，开展德州市深层 地下水动态变化与模拟研究，对于合理开发利用深层地下水资源、保护脆弱的地下 淡水环境及控制地面沉降等具有重大的实际意义。 2 青岛人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 德州市地下水资源研究现状 研究区自上世纪6 0 年代以来，地矿部门在本区进行了不同精度和目的的地质、 水文地质调查与专项地质研究工作。德州市地面沉降问题早已引起有关部门的关注， 自1 9 8 9 年以来，山东省地质局第二水文地质大队( 山东省鲁北地质工程勘察院) 以 研究地面沉降为目的，先后在区内开展了水文地质和地面沉降工作。1 9 6 8 年1 9 7 0 年，山东省地质局水文地质队，在德州地区范围内分县市进行了1 ：1 0 万水文物探 编图工作，提交了编图说明书、附图及电性参数，基本查明了德州市范围内浅层淡 水底界面与深层淡水底界面深度及其分布规律。1 9 7 8 年1 1 月，山东省地质局第二 水文地质队提交了德州地区1 ：1 0 万农田供水水文地质勘察报告，全面系统地查 明了德州市含水层组的空间分布、水质特征和地下水资源量。1 9 8 1 年1 2 月，山东 省地质局第二水文地质队提交了德州市东郊水源地供水水文地质勘察报告，查明 了德州市区东郊浅层地下水水文地质条件，并进行了地下水资源计算。1 9 8 5 年6 月， 山东省地质局第二水文地质队提交了( ( 1 9 8 0 - - - 1 9 8 5 年深层地下水降落漏斗监测阶段 报告，详细阐述了深层地下水降落漏斗的范围及其变化规律，计算了漏斗区现状条 件下的深层地下水补给量。1 9 8 9 年 1 9 9 2 年，由山东省地质局第二水文地质大队和 测绘队合作，开展了第一轮德州市地面沉降测量，建立德州市地面沉降监测系统， 测量原点定为禹城市张庄，先后进行了3 期地面沉降测量。1 9 9 4 年提交了德州漏 斗及德州市地面沉降观测研究总结报告，初步揭示了德州市地面沉降状况。1 9 9 2 年1 1 月，山东省地矿局测绘队提交了德州市地面沉降监测报告，根据1 9 8 9 年 1 9 9 2 年精密水准测量资料，全面论述了地面沉降的大小、范围及其变化规律。山东 省地质矿产局第二水文地质工程地质大队，分别于1 9 8 6 年、1 9 9 1 年、1 9 9 6 年、2 0 0 1 年提交了四期德州市地质环境监测报告，对区域地下水动态特征规律和环境地质 问题等进行了详细论述。1 9 9 6 年6 月，山东省地质矿产局第二水文地质工程地质大 队提交了德州市深层地下水降落漏斗研究报告，详细论述了深层地下水降落漏斗 的分布、面积及发展变化规律等。2 0 0 0 年，山东省地勘局第二水文地质工程地质大 队，在1 9 9 2 年地面沉降监测系统基础上进行了第二轮第四期德州市地面沉降测量， 完成地面沉降测量2 2 5 k m ，测量点6 6 个，提交了德州市德城区地质环境调查评价 报告，进一步查明了德州市地面沉降量和分布规律。2 0 0 4 年5 月，山东省鲁北水 文地质工程地质勘查院提交了德州市德城区深层地下水人工回灌调查报告，查明 了区内深层承压地下水的赋存特征与空间分布规律，详细论述了深层地下水人工回 灌的方式、方法、回灌效果及回灌效益分析。2 0 0 5 年9 月，受省环境地质监测总站 3 第一章研究意义、现状及主要内容 的委托，由山东省鲁北水文地质工程地质勘查院在区内进行了第三轮水准测量工作， 完成一等水准测量1 8 4 8 k m ，二等水准测量2 9 3 6 k m 。此次水准测量将测量原点移至 济南鹊山基岩标上，进一步完善了地面沉降监测网，查明了地面沉降的现状。 以上工作成果，对研究区地质、水文地质、深层地下水降落漏斗及地面沉降研 究等都具有重要的应用和参考价值，是本文研究工作的重要基础。 1 2 2 地下水资源评价研究现状 随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，地下水资源的供需矛盾日渐突 出，因此对地下水资源的评价与管理提出了更高的要求，即要从定量角度对地下水 资源进行预测和评价，建立合理地开发利用方案。但水文地质条件客观的复杂性， 限制了用地下水动力学中建立的解析法解决问题的广泛性。于是，上世纪7 0 年代初 以来，随着电子计算机的发展，数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学科，开拓了水 文地质领域的定量计算。人们通过数值模拟技术，来获得满足一定工程要求的数值 解，尤其在水量计算、资源评价、地下水污染预测、地下水的合理开发和地下水资 源管理等方面应用更加广泛。经过3 0 年的探索和实践表明，数值模拟对水文地质学 科中某些理论和实际问题的解决起了很大作用，构成现代水文地质学科形成和发展 的重要推动力之一，己成为人们揭示水文地质规律和资源评价与管理中必不可少的 工具。 1 2 2 1 数值模拟方法 目前，水文地质领域内常用的数值模拟方法有：有限差分法( f d m ) 、有限单元 法( f e m ) 、边界单元法( b e n ) 和有限分析法( f a m ) 等多种方法。 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 边界条件求解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。因此，最早盛行于工程科学中，上世纪4 0 年代 后期开始应用于解决土工渗流问题。但由于用差分法求解微分方法需要大量的运算 工作，所以在计算机未出现以前，有限差分法在水文地质计算中的应用仅限于少量 小规模的地下水流模拟。上世纪6 0 年代初，随着电子计算机运算速度和容量的提高， 数值模拟才开始广泛地应用于大规模实际地下水流的计算。如p i n d e r 和b r e d e h o e f i ( 1 9 6 8 ) 将p e a c e m a n 和r a c h f o r d ( 1 9 5 5 ) 提出的交替方向隐式方法用于地下水的计 算，稍后又引入强隐式( s t o n e ，1 9 6 8 ；t r e s c o t 等，1 9 7 7 ；李竞生，1 9 8 2 ) ，1 9 6 4 年 t y s o n 及w e b e r 成功地把不规则网格有限差分法用于美国加利福尼亚州的含水层模 拟中：国内学者张宏仁、李俊亭( 1 9 7 9 、1 9 8 0 、1 9 8 2 ) 对不规则有限差分法的推导、 论证及推广应用做了大量工作，解决了许多实际问题。不规则有限差分法的出现， 4 青岛大学硕士学位论文 克服了规则网格差分法在拟合自然边界及非均质界线上的不足，丰富了有限差分方 法的理论。 有限元法的基本思想是采用插值近似使控制方程通过积分形式在不同意义下得 到近似满足，把研究区域转化为有限数目的单元而列出计算格式。该方法于上世纪 6 0 年代后期，开始应用于地下水流计算中，如z i n e k i e w i c z ( 1 9 6 6 ) 把有限元用于二 维稳定流计算，1 9 6 8 年j e v e n d e l 等进一步用有限元方法解非稳定流问题；1 9 7 2 年引 入等参有限元，1 9 7 6 年c a p t a 等人用三维等参数有限元法对多层地下水盆地进行了 数值模拟；嗣后，张宏仁、李俊亭( 1 9 7 9 ) 发现了有限元法求解地下水流问题时不 满足局部质量守恒，n e u m a n 和n a r a s i h u h a n ( 1 9 7 7 ) 亦发现由于释水矩阵的非对角 性所构成的缺点，提出了相应的改进措施。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。但容易出现质量不守恒， 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大。 1 2 2 2 模型应用研究 国外用模型来管理水资源始于2 0 世纪中后期，己有4 0 - 5 0 年的历史， w a t t e n b a r g e r ( 1 9 7 0 ) 通过有限差分模拟，应用响应矩阵法建立了含水层河流系统 的管理模型，实现了地下水和地表水的宏观调控；m a d d o c k ( 1 9 7 2 ) 在泰斯非稳定 井流公式的基础上，应用线性原理和格林函数，导出了承压含水层多井、多时段抽 水降深响应函数的表达式；r i c h a r d 等于1 9 9 3 年在分析某一地区水流和污染物运移 问题时，把地理信息系统和有限元方法进行了成功的结合等。 我国在用数值方法模拟地下水流方面的研究，虽然起步较晚，但其应用范围、 规模及其发展水平都是十分可观的。薛禹群、谢春红、陈崇希、孙讷正、张蔚棒、 罗焕炎、陈雨荪、李俊亭、杨天行、付泽周、林学钰等应用有限元数值模拟技术解 决了一大批供水水源地的资源评价、矿坑涌水量预测、区域地下水资源评价、海水 入侵、污染物在地下水中运移过程等问题；潘国营( 1 9 9 4 ) 就如何评价地下水数值 模拟模型的拟合结果从数值模拟应用条件、实体模型概化的依据与方法、离散尺度、 模型拟合标准、预报方法等五个方面进行了定性讨论；阎学义等( 1 9 9 8 ) 利用r i t z 有限元数值分析方法，结合单纯形线性规划，成功地对水源地进行地下水开采模拟， 为腈纶工程水源地地下水开采提供了充分的设计依据；刘少玉( 1 9 9 8 ) 利用二维侧 向流和一维垂向流数学模型模拟了冲洪积扇含水层地下水流动，计算出按工业开采 和农业开采，以地下水多年总补排均衡、水位长期稳定为约束条件的地下水可开采 量；刘建立等( 1 9 9 9 ) 采用有限单元法对山东淄博市进行地下水资源评价以解决评 价区供水面积大、精度要求高的矛盾。模型运行稳定，拟合效果比较理想；卢京等 ( 2 0 0 0 】在研究银川市地下水系统特征的基础上，建立了数值模型对地下水位动态 第一章研究意义、现状及主要内容 进行模拟和预测，进而对开采资源作出评价；吴吉春等( 2 0 0 1 ) 建立了平面二维区 域地下水渗流模型，用于描述柳林泉域的地下水渗流，模拟效果良好。许光泉( 2 0 0 1 ) 应用有限元三角差分方法建立了松辽盆地地下水数值模拟模型，通过模型控制水位 变化来确定各水源地未来的合理开采量；杜汉学等( 2 0 0 2 ) 论述了地下水库的概念、 蓄水原理及理论基础、蓄水基础条件和方法及重大蓄水效益。建议建设地下水库蓄 水示范工程，推广利用地下水库蓄水，以缓解一些地区严重缺水的局面。 m o d f l o w 是目前地下水数值模拟方面的先进软件。邱汉学和焦超颖( 1 9 9 3 ) 等利用m o d f l o w 对当时条件下的大沽河地下水库在不同开采量条件下的水位进 行了预报，单元剖分精度大幅提高，每个单元面积达l k m 2 ，水流动态按三维非稳定 流处理；何杉等( 1 9 9 9 ) 应用p r o c e s s i n gm o d f l o w 对海河流域的一个假定排污河 作了分析计算，也只是理想情况；吴剑峰( 2 0 0 2 ) 、武强( 1 9 9 9 ) 、魏林宏等( 2 0 0 0 ) 等对m o d f l o w 的原理、功能、应用前景作了论述，但没有具体的应用实例；贾 金生等( 2 0 0 2 ) 根据栾城县水文地质条件，建立了三维地下水流模型，对栾城县地 下水进行了数值模拟，结果较好的反映了地下水动态的实际情况；张奇( 2 0 0 3 ) 应 用m o d f l o w 模拟了澳大利亚西澳洲的k e m e r t o n 地区地面采砂对地下水的影响和 c o l l i e 流域的地下水系统；王金生等( 2 0 0 4 ) 首先用地下水模拟系统中的m o d f l o w 建立研究区的数值模拟模型，获得地下水流场，然后再将水源地划分为3 级保护区， 并给出了应用实例。姜蓓蕾等( 2 0 0 4 ) 采用m o d f l o w 软件对常州市渭湖典型地 块浅层地下水进行了精细的数值模拟，经模型识别和校j 下之后，对典型地块的浅层地 下水可开采量做出评价；杨青春等( 2 0 0 5 ) 运用v i s u a lm o d f l o w 对吉林省西部 地区地下水进行了数值模拟计算和预测，得出了该区的多年平均地下水补给资源量 和可采资源量，为研究区地下水资源的合理开发利用提供了科学依据；陈喜等( 2 0 0 6 ) 采用美国地质调查局发布的三维地下水有限差分计算软件m o d f l o w 对位于岩溶 地区的小南海泉泉域地下水进行了数值模拟和水平衡分析，全面分析了降雨、河、 渠、库地表水系入渗对地下水动态变化的影响，模拟了泉流量动态变化与区域地下水 关系。在此基础上，分析了不同气候条件和开采方案对泉流量的影响。 综上所述，采用m o d f l o w 软件对地下水系统进行数值模拟和指导水资源合 理开发利用的研究是目前国内外先进的技术方法和手段。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 充分利用已有资料，研究德州市的环境地质及水文地质条件。 ( 2 ) 分析深层地下水的开发利用现状、地下水水位动态变化及降落漏斗的分布 特征，研究深层地下水降落漏斗的扩展规律。 ( 3 ) 建立深层地下水系统数值模型。应用模型，预测现状开采条件下地下水的 6 青岛人学硕士学位论文 动态变化和降落漏斗未来的加深与扩展趋势。 ( 4 ) 研究提出不使降落漏斗进一步扩展的地下水开采方案，为德州市深层地下 水的合理开发利用和控制地面沉降提供科学依据。 。 7 第二章研究区自然地理概况 2 1 地理位置 第二章研究区自然地理概况 德州市是鲁北地区政治、经济、文化和科技的中心，北依京、津、塘，南临省 城济南，西临河北省石家庄市，东接胜利油田和沿海经济开发区，是环渤海经济圈 的开放城市之一。研究区位于德州市城区，东与陵县接壤，南与平原、武城毗邻， 西、西北、东北与河北省故城、景县、吴桥县连接，地理坐标为东经1 1 6 。1 0 1 5 ” 1 1 6 0 3 0 4 0 ”，北纬3 7 0 10 t 1 5 ” - 3 7 。3 0 3 0 ”，面积5 3 9 k m 2 。区内地理位置优越、交通便 利，京沪、石德铁路在此交汇，京杭运河贯穿南北，1 0 4 、1 0 5 国道、京福高速公路 贯穿城区，乡村公路纵横成网，四通八达，自古就有“九达天衢”、“神京门户 之 称( 图2 1 ) 。 2 2 气象、水文 2 2 1 气象 本区属暖温带半湿润季风气候区，四季分明，春季干燥多风，夏季炎热多雨， 秋季旱涝不均，冬季干燥寒冷少雪。多年平均气温1 2 9 。c ，多年平均降水量5 9 2 m m ， 多年平均蒸发量2 1 4 3 7 m m 。在气候因素中，降水与蒸发对深层地下水的动态影响甚 微。 2 2 2 水文 研究区属黄泛平原，海河流域南系，区内河流有南运河、漳卫新河( 岔河、四 女寺碱河) 。碱河和岔河担负着引、蓄黄河水的作用。 南运河：南运河为间歇性河流，西南从夏津的百庄入境，在二屯乡第三店流入 河北吴桥县，流经本区长2 8 5 k m ，最大泄涝能力为4 0 0 0 m 3 s ，该河流为泄涝和排污 河道。 岔河：岔河为人工开挖河道，区内河流长度2 2 5 k m 。1 9 9 2 年以后，七里庄闸以 上改为引蓄黄河水河道，向第三水厂送水，最大可蓄水7 4 6 万m 3 ，是城区生活用水 的主要来源。七里庄闸以下为泄洪、排涝河道，排涝流量为7 8 0 m 3 s 。 四女寺碱河：为人工开挖河道，区内河流长度4 6 k m 。碱河上袁桥节制闸设计引 洪流量1 5 0 0m 3 s ，设计排涝流量4 0 0 m 3 s 。 马颊河：由夏津县油坊入境内，境内长度1 8 9 1 6k r n ，流域面积3 7 0 4 3 7k m 2 。 德州市的引黄河道大都经该河向西、北输送，为解决当地群众的饮用水问题发挥了 重要作用。 8 青岛大学硕士学位论文 图2 1 研究区地理位置图 9 第二章研究区自然地理概况 2 3 地形、地貌 研究区属黄河下游冲积平原，地形较平坦，海拔高程一般在1 9 - 2 7 m 之间，地 面坡降为1 8 0 0 0 - 1 1 0 0 0 0 ，总的地势为中间高，东西低。由于黄河多次泛滥改道及 现代人类活动的共同作用，形成了岗、坡、洼相问的微地貌景观。 主要微地貌有河滩高地、缓平坡地、缓平洼地和背河槽状洼地，呈条带状分布 ( 图2 2 ) 。 河滩高地：主要分布于区内岔河与马颊河河间地带，地表岩性多为粉砂、粉土， 土壤主要为褐土化浅色草甸土。地下水位埋藏较深，排水条件良好，一般不易受涝、 碱的威胁。 缓平坡地：是高地与洼地的过渡地段，主要分布于区内赵虎乡以东地段，地表 多为粉土、粉质粘土，属浅色草甸土。地下水位埋藏较浅，排水不畅，易碱易涝。 洼地：缓平洼地分布于区内东部的赵宅一带，背河槽状洼地分布于区内西部漳 卫南运河沿岸地段，呈带状分布。洼地地表岩性以粉质粘土、粉土为主，地下水位 埋藏浅，排水不畅，易碱易涝，土壤盐碱化现象明显。 2 4 社会、经济概况 德州市城区是德州市委、市政府所在地，是全市政治、经济、文化、交通中心。 现辖2 镇、4 乡、4 个街道办事处，3 0 3 个行政村，总人口5 5 5 8 万，其中农业人口 2 2 7 2 万，总面积5 3 9 k m 2 ，耕地面积2 1 0 0 0 公顷。2 0 0 6 年生产总值突破5 0 亿元。 区内农业以种植粮棉为主，年总产量分别为粮食3 4 4 5 2 万吨、棉花2 2 8 万吨、 蔬菜和瓜类1 2 2 5 9 万吨，肉类6 0 5 万吨，已形成粮棉、蔬菜、畜牧、林果、水产、 花卉六大主导产业。区内工业初步形成了以玻璃钢、太阳能、纺织服装、机械制造、 电子电工、轻工食品等六大产业为主导的工业体系。 区内目前探明的矿产资源主要是粘土、地热、矿泉水三种，特别是地热和含碘 小苏打型矿泉水有着极高的开发价值。地下热水资源赋存于深达1 2 0 0 - - 2 0 0 0 m 地层 内，水温达5 6 c 6 0 ，含锶、锂等对人体有益的微量元素，可作为供暖和医疗保 健用水。现已开发的“中华碘泉矿泉水，具备了消除碘缺乏病和利于胃消化系统 疾病的两大功能。 l o 青岛大学硕士学位论文 图2 2 研究区地形地貌图 i l 第三章区域环境地质 3 1 地层 第三章区域环境地质 研究区位于新生代断陷盆地，中生代以来，受燕山运动和喜山运动的影响，一 直缓慢下降，沉积了巨厚的新生界地层。其中古近系为湖相碎屑沉积岩，含石膏， 沉积厚度在1 5 0 0 一- , 3 0 0 0 m 以上，厚度变化较大；新近系为河湖相沉积，层底埋深在 1 3 5 0 - - 1 6 5 0 m ，厚度较稳定；第四系平原组为冲积、冲湖积、海积相沉积，层底埋 深在1 8 0 3 0 0 m ，厚度较稳定。 l 、古近系孔店组( e k ) 上部为紫红色砂、泥岩及棕红色砂、泥岩。向下颗粒变粗，灰黄色砾石增多， 块状砂砾岩发育。中下部见有淡灰色致密块状安山岩、凝灰质砂岩、泥岩及玄武岩 等火山岩。层底埋深约为3 1 0 0 m ，厚度大于6 8 0 m 。 2 、古近系沙河街组( e s ) 本组可分为三段。沙一段：上部为灰、灰绿色砂泥岩，下部为灰黄色灰质岩、 生物灰岩、鲕状灰岩、油页岩，并夹有数层玄武岩；沙二段：中上部为棕红色、紫 红色砂岩、泥质岩夹薄层灰色、灰绿色泥岩；下部为浅灰色砂岩、泥岩互层夹少量 绿色、红色泥岩及薄层生物灰岩、油页岩，并夹玄武岩；沙三段：上部为灰色、浅 灰色厚层泥岩及薄层粉砂岩、生物灰岩、泥灰岩。下部为灰色砂岩、泥岩。层底埋 深在1 9 5 0 - - - 2 3 0 0 m ，层厚3 6 0 - 4 2 0 m 。 3 、古近系东营组( e d ) 上部为棕红、灰白色含砾砂岩夹灰绿色泥岩。中部为紫红、灰绿色泥岩与灰白 色细砂岩互层。下部为浅灰色细砂岩、粉砂岩与灰绿色、紫红色泥岩互层。层底埋 深在1 6 5 0 - 1 9 5 0 m ，层厚3 6 0 - - - 4 5 0