（水文学及水资源专业论文）太原市西张盆地地下水库调蓄研究.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 太原市西张盆地地下水库调蓄研究 摘要 地下水资源在太原市的国民经济、社会发展以及环境建设等方面占有 十分重要的地位，西张盆地地下水是太原市的主要供水水源之一。近十几 年来，随着人口的骤增，农业、工业以及城市建设的迅速发展，地下水资 源开发利用水平不断提高，在西张盆地出现了地下水位持续下降、水量减 少、水质恶化等一系列水环境问题。 作为一种有效的、环保的、经济的地下水涵养保护开发利用工程，地 下水库在国内外得到广泛的应用。从长远利益考虑，有计划、有目标地建 立地下水库，对于解决太原市水资源时空分布不均、提高水资源利用效率、 改善地区生态环境，保障社会经济的持续发展具有十分重要的现实意义。 本文在分析研究区水文、气象、区域地质及水文地质条件的基础上， 概化出西张盆地水文地质概念模型，以此为基础建立了地下水流数值模拟 模型：根据2 0 0 5 年的水位动态资料，对模型进行识别和验证：以2 0 0 5 年为 现状年，进行了区域水均衡分析。探讨了盆地建立地下水库的基本条件及 地下水库特征水位的确定标准：根据研究区水文地质参数及地下水库特征 水位，分别计算出潜水含水层和承压水含水层的最大、最小库容及调蓄库 容，分析了西张地下水库的调蓄能力及可能的补给水源和补给途径。对在 三给地垒上修筑防渗帷幕后不同排泄量及不同开采量条件下的库区地下水 位变化特征分七种方案进行了预测研究。 研究结果表明：西张地f 水库总面积1 0 9 5 4 k m 2 ，其中潜水含水层的最 太原理工大学硕士研究生学位论文 大蓄水能力为6 3 1 3 亿m 3 ，承压含水层的最大蓄水能力为2 1 8 6 3 亿一，潜 水含水层的最大调蓄空间为4 2 0 9 亿m 3 ，承压含水层的最大调蓄空间为 0 。0 1 8 亿m 3 。在三给地垒上构筑防渗帷幕工程，将潜水含水层的排泄量减为 现状排泄量的5 0 ，同时压缩地下水开采量1 1 0 3 6 8 万m 3 a ( 方案五) 的 情况下，依靠含水层的自然补给能力，在2 0 2 0 年末研究区7 8 以上面积的 地下水位可达到太原市规划的7 6 8 m 的要求，推荐为最优方案。采用方案五 既可以使研究区地下水位达到太原市2 0 2 0 年水位恢复的目标，还可减小对 下游地下水的影响，同时也减小了地下工程的修筑高度，减少了工程造价， 提高了整体经济效益。 研究成果可为未来修建西张地下水库提供借鉴，同时也可为本区地下 水资源的管理和太原市后备水源地的建设提供依据。 关键词：西张盆地，地下水库，数值模拟，后备水源地，防渗帷幕 s t u d yo fr e g u l a t l 0 na n ds t o r a g eo f g r o u n d ，a t e rr e s e r v o i ri nt a i y u a nx i z h a n g b a s i n a b s t r a c t g r o u n d w a t e rr e s o u r c e sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y , s o c i a ld e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lc o n s t r u c t i o n g r o u n d w a t e ro fx i z h a n g b a s i ni so n eo ft h em a i nw a t e rs u p p l ys o u r c e so ft a i y u a n w i t ht h ei n c r e a s i n go f p o p u l a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e ，i n d u s t r ya n dc i t yc o n s t r u c t i o n i nr e c e n ty e a r s ，e x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s h a sb e e ni m p r o v e dc o n t i n u o u s l y w a t e re n v i r o n m e n tp r o b l e m ss u c ha sd e c l i n e o fg r o u n d w a t e rl e v e l ，d e t e r i o r a t i o no fg r o u n d w a t e rq u a l i t yh a v eb e e no b s e r v e d i nx i z h a n gb a s i n g r o u n d w a t e rr e s e r v o i r , a sa ne f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， e c o n o m i c g r o u n d w a t e r s e l f - r e s t r a i n t p r o t e c t i o n o ft h e e x p l o i t a t i o n a n d u t i l i z a t i o np r o j e c t ，i se x t e n s i v e l yu t i l i z e da th o m ea n da b r o a d c o n s i d e r i n gt h e l o n g t e r mb e n e f i t ，t ob u i l dg r o u n d w a t e rr e s e r v o i r sw i t hp l a n n i n ga n dt a r g e ti s p r i m ei n t e r e s t f o rav a r i e t yo fc o n c e r n s ，i n c l u d i n g s o l v i n gw a t e rr e s o u r c e s s p a t i o t e m p o r a lm a l d i s t r i b u t i o n ，i m p r o v i n gw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , a m e l i o r a t i n gr e g i o ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，e n s u r i n g s o c i a l e c o n o m y s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f t a i y u a n b a s e do na n a l y z i n gh y d r o l o g y , w e a t h e r , a r e a lg e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g i c a l 1 1 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 c o n d i t i o n s ，t h ec o n c e p t u a lm o d e lw a sg e n e r a l i z e d t h en u m e r i c a lm o d e lo f g r o u n d w a t e rw a se s t a b l i s h e d t h em o d e lw a sc a l i b r a t e da n dv a l i d a t e do nt h e b a s i so fw a t e rl e v e lr e g i m ed a t ai n2 0 0 5 。r e g i o n a lw a t e rb a l a n c ew a sa n a l y z e d t a k i n g2 0 0 5a sa c t u a l i t yy e a r p o s t u l a t eo fb u i l d i n gg r o u n d w a t e rr e s e r v o i ri n b a s i na n dc h a r a c t e r i s t i cw a t e rl e v e lc r i t e r i a ( c w l c ) o fg r o u n d w a t e rr e s e r v o i r w e r ed i s c u s s e d ；m a x i m u ma n dm i n i m u mr e s e r v o i rc a p a c i t y ，r e g u l a t i n gr e s e r v o i r c a p a c i t yo fx i z h a n gg r o u n d w a t e rr e s e r v o i r w e r e f i g u r e d o u tb a s e do b h y d r o g e o l o g i cp a r a m e t e r sa n dc w l c r e g u l a t i o nc a p a c i t y ，r e c h a r g es o u r c ea n d r e c h a r g ea p p r o a c ho fx i z h a n gg r o u n dw a t e rr e s e r v o i rw e r ea n a l y z e d f i n a l l y , g r o u n d w a t e rl e v e lv a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ep r e d i c t e da n dr e s e a r c h e du s i n g s e v e ns c h e m e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n td i s c h a r g ea n d e x p l o i t a t i o n f l u xa f t e r b u i l d i n gi m p e r v i o u sc u r t a i na ts a n g e ih o r s t t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ex i z h a n gg r o u n d w a t e rr e s e r v o i rh a sa a r e ao f10 9 5 4 k m 2 t h em a x i m u ms t o r a g ec a p a c i t yo fu n c o n f i n e da q u i f e ri s 6 313 10 3 m 3a n dt h em a x i m u ms t o r a g e c a p a c i t y o fc o n f i n e d a q u i f e r i s 2 1 8 6 3 1 0 8 m 3 t h em a x i m u mr a t i o n a l r e g u l a t i o n a n d s t o r a g es p a c e o f u n c o n f i n e da q u i f e ri s4 2 0 9 10 8 m 3a n dt h em a x i m u mr a t i o n a lr e g u l a t i o ns t o r a g e s p a c eo fc o n f i n e da q u i f e r i so 0 18 xl0 8 m 3 w h e nt h e d i s c h a r g e f l u xo f u n c o n f i n e d a q u i f e r w a sr e d u c e dt o5 0 o ft h ea c t u a lo n ea f t e r b u i l d i n g i m p e r v i o u sc u r t a i na tt h eh o r s to fs a n g e i ，a n dg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o nw a s r e d u c e db y11 0 3 6 8 x 1 0 4 m 3 a ，a b o u t7 8 o fw h o l ea r e aw o u l dh a v et h ew a t e r l e v e lo f7 6 8 m ( r e a c h i n gt h ep r e p l a n n i n gd e m a n d ) o n l yb yt h en a t u r a lr e c h a r g e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 o ft h e a q u i f e r a tt h ee n do f2 0 2 0 ( s c h e m ef i v e ) t h es c h e m ef i v ew a s r e c o m m e n d e da st h eb e s to n e a d o p t i n gs c h e m ef i v ew o u l dm a k et h ew a t e r l e v e lr e a c ht h ea i mi n2 0 2 0 ，t h ee f f e c to nt h ed i s c h a r g ei ns o u t hb o u n d a r yw o u l d b em i n i s h e d ，a n di tw o u l dm i n i s hb u i l d i n gh e i g h to f u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ， r e d u c et h ec o s to ft h ep r o j e c t ，e n h a n c et h ee c o n o m i cb e n e f i t t h er e s e a r c hr e s u l t sw o u l dp r o v i d ea r g u m e n t a t i o nr e f e r e n c ef o rb u i l d i n g g r o u n d w a t e rr e s e r v o i r ，a n dt h es c i e n t i f i cb a s i sf o rm a n a g i n gg r o u n d w a t e ra n d b u i l d i n gc a n d i d a t ew a t e rs o u r c e so f t a i y u a n k e yw o r d s ：x i z h a n gb a s i n ；g r o u n d w a t e rr e s e r v o i r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c a n d i d a t ew a t e rs o u r c e s ；i m p e r v i o u sc u r t a i n v 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。除文中已经注明引用的内容外，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：鍪题茎 日期： 关于学位论文使用权的说明 幽亟怄 本人完全了解太原理工大学有关保管、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保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 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l 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：曩趣丕日期： 导师签名：日期： 归一、鼍。 太原理t 大学硕十研究生学位论文 1 1 研究目的与意义 第一章绪论 2 1 世纪可持续发展的水资源战略问题是一个关系人类前途和命运的重大问题。水资 源的极端重要性已成为国际社会的共识，水是人类生存的生命线，是经济发展和社会进 步的生命线，是实现可持续发展的重要物质基础。地下水资源在太原市的国民经济、 社会发展以及环境建设等方面占有十分重要的地位。近十几年来，随着人口的骤增，农 业、工业以及城市建设的迅速发展，用水量和耗水量均急剧增长，地下水资源的开发利 用水平不断提高。同时，在地下水的集中开采区，如西张盆地，出现了地下水位持续下 降、抽空吊泵、地面沉降、地面塌陷、地下水污染、土壤盐碱化、土地荒漠化、含水层 疏干( 水源枯竭) 等与地下水开发利用有关的一系列环境地质问题。 为了确保太原市经济、社会和环境的可持续发展，确保西张盆地孔隙地下水资源的 可持续利用，以地下水资源的可持续利用保障国民经济的可持续发展，开展西张盆地地 下水资源研究是非常必要的。它不仅可为太原市合理开发利用和保护地下水资源提供可 靠的依据，而且对太原市国民经济的发展具有重要的现实意义和深远的历史意义，同时 也为各级水行政主管部门加强地下水资源的监督管理、保护地下水资源、指导地下水资 源开发利用提供科学依据。 西张地区位于太原断陷瓮地城北凹陷区，也称西张盆地，该地区及其附近分布有太 原市城市供水的六大主力供水水源，自来水四厂、太钢水源、兰村一水厂、枣沟水厂、 五水厂和十水厂，在引黄供水之前，担负着太原市9 0 的城市供水量。西张水源的保护 在太原市水资源保护及生态环境保护中占有十分重要的位置。 早在1 9 8 0 年，西张盆地就已经出现了地下水位降落漏斗，漏斗中心水位以每年3 o m 的速度下降，累计下降约5 5 m 之多，漏斗面积己由】9 8 2 年的1 5 k m 2 迅速扩大为1 6 0 k m 2 。漏 斗长轴方向基本与汾河的展布方向一致，在整个水源地的大漏斗中又分别以汾河西岸四 水厂及东岸太钢水厂为中心，形成了两个小的封闭漏斗，且漏斗范围还在不断扩大，地 下水位持续下降。水位降落漏斗的形成、发展已使区域水流形式由北向南径流改为由四 周向漏斗中心径流。同时由于俞地内水位大幅度下降，大量夺取了上游兰村的岩溶水， 致使兰村泉水干枯，水源地岩溶水位以及产水量随之逐年下降。 作为一种有效的、环保的、经济的地f 水涵养保护肝发利用： = 程，地f 水库在陶内 太原理工大学硕士研究生学位论文 外得到广泛的应用。从长远利益考虑，有计划、有目标地建立地下水库，实旌地下储水， 是包括地下水资源在内的水资源可持续利用、水环境及太原地区生态环境改善的重要战 略环节。与地上水库相比较，地下水库具有安全性高、工程简单、投资少、不占地、不 受污染，无淤积问题等优点。地下水库使水蓄藏地下，加强了水循环的地下环节，具有 较强防洪除涝能力，且能大大减少蒸发损失，加之水流在含水层中流动缓慢，滞流时间 相对较长，因而地下水库具有很强的水资源时、空调节能力。 西张盆地地下水含水层具有较大的储存空问和良好的连通性，充分利用漏斗区的疏 干含水层空间，进行地下水库规划建设，在此基础上利用地下水库对水资源进行多年调 节，联合调度地下水与降水、河水等水资源，对于解决水资源时空分布不均、提高水资 源利用效率、改善地区生态环境，保障太原市社会经济的发展具有十分重要的现实意义， 对于长期严重缺水、超采、污染的太原市来说，增加水资源战略储备，增强应对突发事 件的能力具有十分重要的战略意义。 根据西张盆地的地质、水文地质条件，现拟在水源地的南部边界充分利用三给地垒 的天然屏障作用，人工构筑防渗帷幕，建立人工地下水库。在西张盆地修建地下水库后， 不仅增加了饮用、灌溉和工业用水量，还可以减缓兰村水源地水位下降的局面、防止地 面沉降，调蓄三水、改善水循环条件，减少水量蒸发，改善近地表及地表生态环境，涵 养水源，防止不良的城市环境地质等问题。 1 2 国内外研究现状 随着人类进步和社会经济的迅速发展，水资源需求不断增长，供需矛盾日益突出， 水资源危机也越来越明显。水源浪费、水源短缺、水源枯竭、水质污染、生态环境恶化 等现象不断增多，已经严重影响了社会经济的发展和人类的生存。水资源综合评价、合 理丌发利用、保护与管理己成为2 1 世纪世界各国科学研究中的重大课题”1 。 解决一个地区水资源短缺的有效途径就是合理丌发利用水资源”1 。利用地下水库调 蓄水资源是地下水丌发利用的主要手段之一，是一个技术上可行，经济上合理的方法“1 ， 是一项工程量小，环境影响小，效益大的开源节流工程”1 。实践也证明建立地下水库是 一种可行的、费用低廉的解决供水问题的方法“1 。 12 1 国外研究情况 目前世界上许多【 j 家都在采用修建地下| 水库，利用地下水人工回灌的方法进行地下 水资源的凋节和蔷放，以防止含水层的十 竭。以色列、美田、中东、荷兰、f = 1 本、法固 太原理r ：人学硕士研究生学位论文 等国家和地区早在二十世纪三四十年代就已经开展这方面的工程实践。1 9 5 4 年以色列建 立了“太巴列湖地下水库拦洪工程”的地表水地下水统一调度系统，总库容达4 7 亿一”1 ； 在利比亚沙漠地区，有目前世界最大的地下水库，储量大于1 0 0 0 0 1 0 8 m 3 ；美国在加利 福尼亚欧文斯河谷修建的地下水库，面积l o o o k m 2 ，库容1 2 2 5 x1 0 9 m 3 ，年平均开采量为 1 1 2 1 0 8 m 3 ，德克萨斯州高原一号地下水保护区，面积2 11 2 7 k d ，年开采量6 1 0 s m s ；荷 兰利用沿海沙丘进行人工回灌已经有5 0 多年的历史，还与日本合作在阿姆斯特丹地区开 展注浆工程建设地下水库”1 ：日本于1 9 7 7 年修建的第一座地下水库位于宫古岛，蓄水5 0 1 0 4 用3 ，日平均取水5 5 0 0 m 3 ；南斯拉夫在奥博西卡等三个滨海地区建立了地下水库0 3 ； 在干旱和半干旱的一些中东国家，如约旦、科威特和摩洛哥都在利用城市污水进行地下 水补给工程。目前，国外一些国家和地区地下水人工补给量占总开采量的比例是：德国 3 0 0 , 6 ，瑞士2 5 ，美国2 4 ，荷兰2 2 ，瑞典1 5 ，英国1 2 。 美国正在实施“含水层储存回采( a s r - - a q u i f e rs t o r a g ea n dr e c o v e r y ) 工程计划”， 到2 0 0 2 年7 月，正在运行的a s r 系统共有5 6 个，而建成的系统则有1 0 0 个以上。仅佛罗里 达州南部，在墨西哥海湾沿岸已经修建了2 6 个a s r 工程，约有3 3 0 口a s r 井：下一步， 该州将会在内陆湖o k e e c h o b e e 周围修建a s r 工程。目前，a s r 工程是美国c e r p ( c o m p r e h e n s i v ee v e r g l a d e sr e s t o r a t i o np l a n 综合湿地恢复计划) 的重要组成部分 “。美国国家研究理事会水科学与技术委员会和美国地质调查局水资源研究分委会把 “含水层储存与回采a s r 工程”作为“区域和全国尺度地下水系统调查”最优先资助领 域之一”。 12 2 国内研究情况 与国外相比，我国地下水库的试验和建设工程起步较晚，但也取得了不少进展。北 京西郊、山东、大连、河北等地都建成了不同类型的地下水库，丌发利用地下水库进行 蓄水，并且己经收到了良好的水资源效益和社会经济效益。如山东龙口市利用黄水河河 谷己建成当今亚洲最大的地下水库，改善和扩大了地下水资源，f = 1 丌采地下水l o 万m 3 ， 同时也防止了海水入侵，并在防洪、抗旱中发挥了巨大的调节作用，是一个流域综合治 理作用发挥突出的系统工程“：在河北省修建的南宫地下水库，蓄水4 8 1 0 8 m 3 ，库区面 积2 0 0 k m 2 ；辽宁省在大连旅顺龙河建造了地f 水库工程：山东省在沿海地区修建了八 罩沙河、黄水河、白沙河、大沽河、外央河、王河等六座地下水库，这些地下水库在防 治海水入侵，联合调蓄地下地表水源方面发挥了巨大作用”。 随着科学技术的不断发展，人i 。补给征地卜| 水丌发利用中的地化将r l 益显著，利用 太原理_ f 大学硕士研究生学位论文 地下水库对水资源进行多年、季节性调节，充分开发水资源潜力，有着很大的发展前景。 1 2 3 数值模拟技术 地下水数值模拟是伴随着人类对地下水定量评价的发展而发展起来的。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的认识进展却很缓慢。在1 9 世纪以前， 还谈不上对地下水进行定量计算的问题。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。 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，4 0 年代后期歼始应用于解决 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。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 l ( 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，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。 有限元法为我国数学家冯康创建”，其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 ) 把有限单 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笳地进行了 数值模拟；张宏仁、李俊亭( 1 9 7 9 ) 发现了有限单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”。有限单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i l 丁以变化。因此，对于复杂形状的渗流区，可以使边界结点完 伞落存区域边界上以适应不同水头的分和情况。f 旦由于有限元法是采用线性函数描绘单 元内的水位，往往对水力梯度较人的部位计算得的水位仃可能失真，某蝽结点产生振荡。 太原理i 。大学硕士研究生学何论文 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。 7 0 年代后期，出现的边界元法现己发展成为一种新的数值计算方法。边界元法是通 过g r e e n 公式和定解问题的g r e e n 函数化微分方程为边界积分方程，使用离散化技术离 散边界，当求出边界的水位之后，对计算区内的水位可依靠边界上的水位用简单公式求 出。边界元法在我国水文地质界出现大约1 0 年左右，在很短时间内，很多学者用边界 元法求井流、非均质渗流、自由面地下水流、非稳定流、溶质运移等问题从理论和实际 都进行了积极探索，并取得了成功。其中朱学愚、谢春红( 1 9 8 9 、1 9 9 0 ) 、罗焕炎”( 1 9 8 8 ) 等关于边界元方法的著作可代表我国在这方面的最新研究成果。但边界元对研究区内分 片的非均质与各向异性的适应性不如有限元法。 有限分析法的基本思想是将控制方程的局部解析组成整体数值解。这样得到的解可 以比较好地保持原有问题的物理特性，既能准确地模拟对流效应，又能消除有限元方法 中造成的数值振荡现象。计算稳定性好，收敛速度较快。因而，自从有限分析问世以来， 受到国内外众多学者的重视，并在流体力学、热传导等方面取得了较为理想的效果。国 内学者陈雨荪( 1 9 9 1 ) 、李俊亭、王文科”1 ( 1 9 9 3 ) 等开始应用此方法解决某些水文地 质问题，导出了各种有限元分析的计算格式，包括稳定流有限分析、非稳定流有限分析、 l t 有限分析、改进时间差分有限分析、局部坐标有限分析等1 0 多种分析格式，进行了大 量实例验算，与现有方法进行对比，从理论上证明了各种格式的稳定性和收敛性。 近些年来，随着计算机技术的迅猛发展，地下水数值模拟的软件也有了长足发展。 在人机交互、计算机图形学、可视化等技术的推动下，带有可视化功能的地下水模拟软 件迅速突起，目i j i 已经占据国际地下水模拟软件市场的主导地位，其中应用较为广泛的 可视化软件有v i s u a lm o d f l o w 、g m s 、f e f l o w 等。v i s u a lm o d f l o w 由加拿大 w a t e r l o oh y d r o g e o l o g y 公司在美国地质调查局m o d f l o w 软件( 1 9 8 4 ) 1 构基础上开发研制， 并综合了m o d p a t h 、m t 3 d 、r t 3 d 、w i n p e s t 等程序包，可进行三维地下水流、溶 质运移、生物降解等模拟计算，是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地 下水流和溶质运移模拟评价的杯准可视化专业软件系统。”。g m s f g r o u n d w a t e rm o d e l i n g s y s t e m ) 软件由美国b r i g h a my o u n g 大学的环境模型研究实验室( e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n g r e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 和美国陆军排水工程实验工作站( u s a r m ye n 百n e e rw a t e r w a y s e x p e r i m e n ts t a t i o n ) 联合丌发研制的地下水环境模拟软件。它全面包容了模拟地下水流每 一个阶段所需的工具，如边界概化、建模、后处理、调参、可视化。g m s 是唯支持 t i n s 、s o l i d 钻f l 数捌、2 d 或卉3 d 地质统计学的系统，它也包括2 d 和3 d 有限单元 太原理工大学硕十研究生学位论文 和有限差分模型。此外，还包括了m o d f l o w 水流模型、基于m o d f l o w 的溶质运 移模型、基于有限单元法的f e m w a t e r 模型、模拟渗流的s e e p 2 d 模型和用于参数估 计的p e s t 、u c o d e 模型。它具有良好的使用界面，强大的前处理、后处理功能及优良 的三维可视效果，目前己成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件之一”“。f e f l o w 是由 德国水资源规划与系统研究所( w a s y ) 研制开发的基于有限元计算方法的地下水模拟可 视化软件，它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包。该软件包具有图形人机对 话、地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网、空间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。在f e f t o w 系统中，用户可以很方便 迅速地产生空侧有限单元网格，设置模型参数和定义边界条件，运行数值模拟以及实时 图形显示结果与成图”1 。 2 0 0 0 年以来，数值模拟技术和可视化地下水模拟软件己被国内许多学者应用于地下 水库的规划设计及其调蓄能力的分析中。其中，主要的研究成果有：杜汉学等( 2 0 0 0 ) 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”1 ； 王文科和孔金玲等( 2 0 0 2 ) 采用有限元和有限分析数值模拟技术对地下水库的调蓄方式、 调蓄功能和效益分析等进行了模拟研究1 ；王宏和娄华君等( 2 0 0 3 ) 应用m o d f l o w 软件包 在华北平原区建立地下水流模型，根据模型识别结果，论证了在华北平原超采区修建地 下水库的可行性。1 ：陈南祥和殷淑华等( 2 0 0 3 ) 应用数值模拟方法对平原灌区地下水库设 计参数和运行方案进行了分析计算1 ；张志阔和刘本华等( 2 0 0 4 ) 采用有限单元法分析了 山东王河地下水库的调蓄能力1 ；林国庆和郑西来等( 2 0 0 4 ) 利用v i s u a lm o d f l o w 软件建 立准三维地下水水流模型，分析了山东大沽河地下水库地区橡胶坝的入渗补给能力”“。 1 ，3 研究内容 本文以太原市西张瓮地为研究对象，在收集整理研究区气象、水文、地质等资料的 基础上，进行地下水库调蓄能力以及水位恢复情况进行了研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 研究西张贫地的降雨、蒸发变化规律。结合气候要素的年内、年际和多年的 变化特点，研究地下水与大气降水的时空变化规律问的相互关系； ( 2 ) 进行野外调查，结合已有的地质、水文地质、钻探、打井等资料，查清拟建 地下水库库区的地质和水文地质条件，调查构成地下水库的含水层埋藏条件、地下水循 环条件、地f 水动态特征和地下水化学演化特征； h 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 建立水文地质概念模型，利用v i s u a lm o d f l o w 软件建立库区地下水流模型， 进行参数率定，区域水均衡分析： ( 4 ) 分析确定地下水库的地下水位埋深，以水流模型确定的水文地质参数为基础， 结合地表高程、底板埋深和地下水位等数据，结合地下水库特征水位的确定标准，计算 地下水库的库容，分析西张地下水库的调节能力及可能的补给水源和补给途径： ( 5 ) 对在三给地垒上修筑防渗帷幕后库区的地下水位变化特征进行预测，为修筑 防渗帷幕工程提供依据。 1 4 技术路线 为了完成以上研究内容与任务，采取如下的技术路线和研究方法( 图卜1 ) ： ，一 收集整理资 、料、野外调奄 一 匕兰! 竺竺羔竺条件 一 。一 建立水文地质概念模犁： 建立地下水水流数学模犁 ：一 f 模犁识别 5 模犁验证 ! 地下水流场模拟f 丫 m 域水均衡分析 t 两张地下水库调蓄空间i i 算 t 地下水库渊鲁方案分析 t 完成任务 图1 1 太原市西张地下水库调蓄研究技术路线图 f i g1 - 1 t h et e c h n i q u ef i g u r ef o rr e g u l a t i o na n ds t o r a g eo f x i z h a n gg r o u n d w a t e rr e s e r v o i r 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 全面收集和整理已有成果和资料，包括水文、气象、地形地貌、区域地质、 水文地质、水资源开发利用现状、环境地质、社会经济、地下水水位、水质和开采量等 资料，进行充分的分析整理、综合研究； ( 2 ) 运用地下水水流数值模拟软件对西张盆地地下水进行数值模拟研究，并通过 拟合长观孔的水位值识别水文地质条件和水文地质参数； ( 3 ) 依据地下水库调蓄库容的各个特征水位的确定方法，结合研究区的实际情况， 确定合理的特征水位，结合数值模拟模型所确定的模型参数计算西张地下水库的调蓄库 容： ( 4 ) 在充分考虑环境效应的前提下，分析制定不同的地下水开采方案，研究在三 给地垒上修建防渗帷幕后地下水位的变化特征。 太原理【：人学硕十研究生学位论文 2 1 自然概况 第二章自然地理及社会经济概况 2 1 1 地理位置与交通 太原市西张地区位于太原市区的北部，地理位置介于东经1 1 2 。2 47 1 1 2 。3 57 ，北 纬3 7 。5 47 3 8 。0 17 之间，。行政上隶属于太原市尖草坪区。该区北起兰村及北部边山断 裂带，东、西至边山地区，南部以隐伏于三给村赵庄的三给地垒为界，东西长约 1 3 5 k m ，南北宽约1 3 k m ，总面积约1 0 9 5 4 k m 2 。 区内公路和铁路网络四通八达，交通便利( 见图2 一1 ) 。公路交通有原太高速公路、 西北外环高速公路及向阳、柴村、阳曲三个互通立交桥、1 0 8 国道、新兰路、滨河东西 路、和平北路、柴西路、柴化路、西康路和汾河二库专线等公路干线。另外，各村镇间 有油路或简易公路相连。铁路交通主要有：太古岚线、北同蒲线、太兰线和西山支线； 区内有土堂站、皇后园站、上兰站、汾河站、向阳站、三给站( 太原北郊化肥厂站) ， 构成区内密集而独特的铁路运输体系。 2 1 2 地形、地貌 研究区区域上属于典型的簸箕状地形，东、西、北三面被群山环抱，向南开阔，汾 河贯穿于中部，形成广阔的冲洪积平原。东部属太行山系，称罕山，俗称东山，海拔1 3 6 0 1 7 0 0 m ，相对高度为5 0 0 8 0 0 m ，最高峰为天翅脑；北部由东山和西山相接组成，棋子山 最高，海拔1 4 1 8 m ；西部为吕梁山山脉中段东翼，称西山，地形高峻，山峦起伏，沟谷 纵横，海拔一般在2 0 0 0 2 5 0 0 m ，相对高度为8 0 0 1 9 0 0 m 。 在山区分布有两个山f h j 断陷盆地，即黄大衙地和泥屯笳地。区内太原断陷往地部分 称为西张断陷盆地或称城北凹陷区，海拔高度为7 7 0 8 2 0 m ，平均坡降1 2 0 0 0 ，地势平 坦，土地肥沃，经济发达。 按成因和形态特征，区域地貌分为三种类型 1 剥蚀构造地貌 区内剥蚀构造地形地貌主要为以侵蚀、溶蚀为主的石灰岩中低山区，分御于东、西 山区。上兰村西北部地区，出露地层主要为奥陶系和寒武系扶岩，海拔高度为l o o o 2 0 0 0 m ，相对高度2 0 0 l2 0 0 m ，山顶窄小旱尖凌角状，山脊呈锯齿状，多悬崖峭壁，坡 角2 0 一+ 4 0 “，沟谷多呈“v ”字型或山火谷谷【f 1 谷、跌水陡坎、怂谷发育，可见数层岩溶、 太原理工大学硕士研究生学位论文 溶洞；东部山区山顶平缓，呈馒头状，四周多黄土环绕或覆盖，如山中孤岛。 图2 - 1 太原市西张盆地交通位置图 f i g 2 - i t h et r a f f i cl o c a t i o no f x i z h a n gb a s i n 2 侵蚀堆积地貌 侵蚀堆积地貌包括黄土丘陵、岗地及黄土台塬区。切割强烈的卯梁状黄土丘陵区在 太原东西山边缘都有分布，海拔高度为8 5 0 1 0 0 0 m ，相对高度5 0 2 0 0 m ，顶面较平坦， 轻微倾向盆地，坡度5 lo o ，冲沟较发育；切割轻微的黄土岗地展布于泥屯河两侧的泥 屯断陷内，海拔高度为8 0 0 1 0 0 0 m 。泥屯断陷内台面微倾向泥屯河，坡度4 6 。，冲沟 多呈东西向直线，沟深1 0 3 0 m ，将台面切成块状。 3 流水堆积地貌 流水堆积地形地貌主要表现为冲、洪积平原和山间河谷地貌。洪积倾斜平原分布于 东、西山区边缘，海拔高度为8 0 0 8 3 0 m ，西部洪积扇短小呈裙状分布，坡度3 矿；东 部开阔平缓，坡度2 酽，由边山向河床向倾斜。汾河冲积平原地形平坦，略向南倾， 】o 太原理：大学硕十研究生学位论文 海拔高度为7 7 0 8 1 0 m ；冲、洪积交接洼地位于倾斜平原和平原的交接地带，呈窄条状 南北向分布于盆地两侧，宽2 0 0 1 0 0 0 m ：山| 日j 河谷分布于东、西山区，谷宽3 0 0 1 5 0 0 m ， 现代河床两岸有河漫滩，一级和二级阶地，分别高出河床0 5 1 5 m 、2 o 5 o m ，河漫 滩和级阶地呈带状分布，二级阶地则呈零星分布。 西张盆地包括侵蚀堆积和流水堆积两种地貌类型，但以流水堆积地貌为主。地势的 总体特征是：北高南低，东西两侧高，中间低。地形特点是从山区向盆地呈阶梯状下降， 由于新构造运动的差异性，盆地东西两侧地形具有明显的不对称性，西侧山区与盆地间 地形突变，两者直接相接，边山洪积扇呈裙状起伏，扇小而坡降大：东侧地形缓慢变