（水文学及水资源专业论文）若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟.pdf

若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 水文及水资源工程专业 研究生：昊媛指导教师：刘国东教授 若尔盖湿地国家级自然保护区位于青藏高原东缘，最高海拔3 6 9 7 m ，最低海 拔3 4 2 2 m ，总面积1 6 6 5 7 0 6 h m 2 。保护区属大陆性高原寒温带湿润半湿润季风气 候。保护区内地表丘状起伏，河沟纵横、蜿蜒曲折，湖泊、沼泽、草甸极为发 育。近半个世纪以来，由于人口增加、经济发展，湿地地下水位下降的很快。 2 0 0 3 年改建的国道2 1 3 线郎木寺至川主寺，公路纵穿若尔盖草原，其中有 6 0 k m 路段位于若尔盖湿地国家级自然保护区的边缘，公路建设对湿地地下水流 场可能会产生一定影响。本次研究依托交通部课题维持湿地生态系统功能的 公路排水系统设置研究，在若尔盖湿地自然保护区边缘阿西牧场内进行地下 水抽水试验。进行了3 个抽水井和1 9 个观测井、设计五种方案的地下水抽水试 验，同时进行表层渗透试验和降雨观测。本文依据实测的试验数据对研究区地 下水流进行数值模拟，并预测分析了三种公路盲管铺设方案缓解公路对地下水 流场的影响。 在系统分析该地区水文地质条件的基础上，将研究区由西向东划分为三个 区，依据实地调查和试验观测，建立了研究区的水文地质概念模型。在此基础 上，进一步建立了研究区完整的三维有限差分非稳定流数学模型，利用国际先 进的可视化地下水模拟软件g m s ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) ，进行模型 参数的识别，获得各区的渗透系数和含水层的给水度。然后利用识别的参数和验 证的模型预测各种情况下的地下水流场。 。 根据预测的地下水流场，找出有无公路两情况下地下水流场的差别，分析 公路的修建对地下水流场的影响程度。设计低密度4 、管径、低密度大管径和高 密度大管径三种公路盲管排水方案，对比分析缓解公路对a t 水流影响的排水 措旅。 关键词：地下水流数值模拟，有限差分，含水层参数，g m s ，若尔盖湿地 公路排水系统 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n z o i g ew e t l a n d o fg r o u n d w a t e rf l o wi n p r o t e c t e dr e g i o n m 硒o r ：h y d r o l o g y w a t e rr e s o u r c e s m s c a n d i d a t e ：w u y u a na d v i s o r ：l i ug u o d o n g z o i g ew e t l a n dn a t u r a lp r o t e c t e dr e g i o n ，w i t h1 6 6 5 7 0 6 h m 2a r e a ，w h i c hi s c h a r a c t e r i s t i z e db yh u m i da n ds e m i h u m i dm o n s o o n ac l i m a t eo fp l a t e a u ，l a c a t e si n t h ee a s t e r nq i n g h a i t i b e t a np l a t e a ua t3 4 2 2 mt o3 6 9 7 m t h e r ea r em o r el a k e s ， r i v u l e t s ，l o w e rh i l l s ，m e a n d e r i n gr i v e r sa n dl a r g em e a d o wi nt h ew e t l a n d w i t ht h e p o p u l a t i o ni n c r e a s i n g a n de c o n o m y d e w e l o p i n g ，w a t e r t a b l ei nt h ew e t l a n d d e s c e n d i n gr a p i d l y t h eg r o u n d w a t e rf l o wi nz o i g ew e t l a n db e e ni n f l u e n c e db yt h en a t i o n a lw a y 2 1 3 ，w h i c hg o e st h r o u g h z o i g eg r a s s l a n df r o ml a n g mt e m p l et oc h u a n z h u t e m p l e ，o fw h i c hs i x t yk i l o m e t e r sh e m e sz o i g en a t u r a lw e t l a n dp r o t e c t e dr e g i o n t o s i m u l a t et h eg r o u n d w a t e rf l o wi nt h ew e t l a n d ，ap u m p i n gt e s tt h a tt h r e ep u m p i n g w e l l sa n dn i n e t e e no b s e r v a t i o nb o r e sw e r ed e s i g n e dw a sd o n ei na x ig r a s s l a n dn e a r t h eh i g h w a ya tk 5 + 5 0 0t ok 5 9 + 5 0 0l a s ty e a r a c c o r d i n g t h e h y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，ac o n c e p t i o n a l m o d e lo f g r o u n d w a t e rf l o wi ss e tu p f o rt h er e s e a r c ha r e at h a ti sd i v i d e dt h r e es u b a r e a s b a s e d o nt h em o d e lw i t ho b s e r v a t i o nd a t af r o mt h ep u m p i n gt e s t ，am a t h e m a t i cm o d e li s e s t a b l i s h e ds ot h a tt h en u m e r i c a lm o d e li so b t a i n e d b ye m p l o y i n gt h ef i n i t e d d i f f e r e n c em e t h o d ( f d m ) g m s ，aw i s u a ls y s t e mo fg r o u n d w a t e rn u m e r i c a lm o d e l i su s e dt oi d e n t i f ya q u i f e rp a r a m e t e r ss u c ha sh y d r a u t i cc o n d u c t i v i t y ( h c ) ，s p e c i f i c y i e l d ( s y ) a n dt r a n s m i s s i b i l i t ye o e f f i c i e n t ( t c ) a n dp r e d i c tt h eg r o u n d w a t e rf l o w f i e l d i ns e v e r a ld e s i g ns c h e m e s h cw i t h2 8 8 m ht o5 9 4m ha n ds y = o 0 2a r ef i r s t d e t e r m i n e di nas y s t e m a t i cm e t h o d t h ei m p a c to fh i g h w a yo ng r o u n d w a t e rf l o wi sq u a n t i t a t i v e l yi n v e s t i g a t e db y a n a l y i n gt h ec h a n g e so fw a t e rt a b l e sw i t hv a r i e dh cv a l u ee q u a lt on e a ra q u i f e r si s f o rn oh i g h w a yb u tz e r oi sf o re x i s t e n c eo ft h eh i g h w a y d i f f e r e n th cv a l u e sa r ef o r h i g h w a yb e i n gp e r m e a b l ew i t hd r a i n g et u b e sb u r i e du n d e m e a t ht h eh i g h w a y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p a c to ft h eh i g h w a yo ng r o u n d w a t e rf l o wi sn o ts e r i o u s w h e r e a sp r o p e rd r a i n g es y s t e mu n d e r n e a t ht h ew a yc a l lr e d u c et h ei m p a c t k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg r o u n d w a t e rf l o w ，f i n i t e dd i f f e r e n c e ， a q u i f e rp a r a m e t e r s ，g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ，z o i g ew e t l a n d ，d r a i n a g ew a t e r o fh i g h w a y 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 1 绪论 1 1 问题的提出 湿地是自然界最富生物多样性和生态功能最高的生态系统。湿地为人类的 生产、生活与休闲提供多种资源，是人类重要的生存环境，水力文明及水生文 明的建立与发展均以湿地为基础；湿地在抵御与调节洪水、控制污染与降解污 染物等方面具有不可替代的作用，被喻为“地球之肾”；湿地又是重要的国土 资源和自然资源，也是野生动植物，尤其是鸟类，最重要的栖息地。湿地生态 系统也因此与森林、海洋一起并称为全球三大生态系统“1 。二十世纪以来，随 着人口的剧烈增长和社会经济的飞速发展，自然湿地愈来愈多地受到人类的干 扰，其总体效果是破坏大于保护，导致湿地面积减少、生物多样性降低、污染 严重、功能退化甚至丧失，湿地生态系统遭到不同程度的破坏，引发了人们对 湿地资源的广泛关注。 水是维持湿地生态功能的决定性因素，要减轻和避免湿地进一步退化，就 需要掌握研究区湿地植物水分、土壤包气带水分及地下水各自的特征和变化规 律及其相互关系。近、二十年来世界各国都在采取积极措施进行研究与实践， 但是研究区多集中在平原河湖湿地和北方泥炭地。1 ，对于我国独有的青藏高原 ( 也是全球气候变化最为敏感的区域之一) 湿地则少有涉及。 若尔盖湿地位于青藏高原东部，是我国独有的青藏高原湿地的一部分，近 半个世纪以来的开发利用导致了若尔盖湿地的生态特征发生改变，湿地的功能 削弱，地下水位下降，土壤退化、沙化甚至荒漠化。其中郎木寺至川主寺公路 ( 简称“郎川公路”) ，就是一项重要的人类活动工程，约1 8 0 k i n 路段横穿若 尔盖湿地，有6 0 k m 路段位于若尔盖湿地国家级自然保护区的边缘。为改善郎川 公路的运输条件，2 0 0 1 年四川省交通厅决定对郎川公路进行改造，并于2 0 0 3 年底正式开工建设。郎川公路位于若尔盖湿地国家级自然保护区边缘，处于湿 地水流上游，公路建设对湿地水循环系统将产生什么影响，由此带来的生态环 境影响如何，是公路建设者和环境保护部门极为关心的问题。为此郎川公路建 设指挥部于2 0 0 3 年向交通部申请了高原湿地公路建设关键问题研究课题， 其中第二专题公路建设中草原环境及湿地保护措施研究专门研究建设对湿 地的影响及其防范措施。本文依据该课题第二专题第三子专题维持湿地生态 四川大学硕士学位论文 若尔盏湿地保护区地下水流数值模拟 系统功能的公路排水系统设置研究的地下水抽水试验，并运用科学的手段， 对研究区地质情况地下水的动态规律进行分析研究，合理地概化研究区的水文 地质条件，建立较能体现研究区真实面貌的水文地质结构模型，采用较为准确 的模拟方法和求解方法，准确的进行研究区的地下水运动数值模拟。 1 2国内外研究现状 1 2 1 模型的发展历史啪m 小”。” 1 8 5 6 年达西( h e n r yd a r c y ) 通过实验提出了水在孔隙介质中运动的达西 定律，这个定律是对地下水渗流运动定量认识的开始，奠定地下水流计算的基 础。1 8 6 3 年裘布依( i d u p u i t ) 在达西定律的基础上研究了地下水的单向稳定 运动和平面径向稳定运动1 9 世纪8 0 年代苏联的茹可夫斯基导出了地下水渗 流的微分方程式。1 9 0 4 年，布西尼斯克( j b o u s s i n e s q ) 导出了潜水不稳定运 动的微分方程。此后在相当长的一个时期内，对地下水的研究主要是集中在稳 定流方面。 到了2 0 世纪3 0 年代，随着地下水的开采规模越来越大，人们才开始注意 到地下水的不稳定流动。1 9 3 5 年泰斯( c v t h e i s ) 非稳定井流公式的出现开 创了现代水文地质计算的新纪元。1 9 4 0 年雅各布( j a c o b ) 参照热传导理论建 立了地下水渗流运动的基本微分方程，成为应用数学模型来研究地下水的开端。 从达西定律问世到上世纪5 0 年代前，研究地下水水流的主要方法基本上只有实 验法和解析法。 2 0 世纪5 0 年代以来，由于电子计算机和由之带来的计算方法的发展，给地 下水水流问题的研究带来了一种崭新的研究方法，即数值方法。在6 0 年代中期， 数值模型被首次用于处理地下水水流问题，并且很快成为分析地下水水流问题 的一个重要工具。 l22 地下水流运动数值模拟方法晒m 3 7 1 数值模拟技术在2 0 世纪6 0 年代以前主要应用于工程科学中，但由于有限 差分法求解微分方程需要大量的运算工作，所以在计算机未出现之前，在水文 地质计算中的应用仅限于少量小规模的水流模拟。6 0 年代初，随着电子计算机 2 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 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 k d e h o e f t ( 1 9 8 6 ) 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，稍后又引入强隐式迭代法 ( s t o n e ，1 9 8 6 ：t r e s c o t t 等，1 9 7 7 ；李竞生，1 9 7 8 ) ，这些方法具有占用内存 少，计算速度快等优点，对地下水流数值模拟起到了促进作用。数值方法不仅 可以有效地解决各类地下水流问题，还能用来解决地下水水质和其他模拟问题。 我国自1 9 7 3 年以来，数值方法逐渐应用于水文地质的各个领域，并取得了一大 批可喜的成果。缩短了与先进国家的差距，并成为解决各类地下水问题无法取 代的工具与手段。 目前的数值方法主要有有限差分法、有限单元法、有限分析法、边界元法、 特征线法等，其中应用最广泛的是有限差分法和有限单元法。 1 2 2 1 有限差分法 有限差分法就是把地下水流微分方程中的导数近似地用差商代替，边界条 件、初始条件也相应地做类似的代替最后便把定解问题的求解化为一组代数方 程组的求解问题。所以这种方法的实质就是把描述地下水运动的偏微分方程j 近似地用和它相对应的差分方程来代替，然后对差分方程求解。在电子计算机 出现以前，差分方法在水文地质计算中的应用主要仅限于少量研究潜水的非稳 定运动。随着计算机的普及与发展，有限差分法已被广泛地应用于生产中。 有限差分的优点： a 在一定的近似程度上，它可以用来计算非均质各向异性及复杂几何边界 条件下的地下水流动问题，且理论浅显易懂、编写程序简单、计算方便。 b 有限差分法的水均衡是建立在每个单元上的，在解决非稳定的地下水流 运动问题时，在时间步长t 较小的情况下，比较稳定，不会出现某些单元质 量不守恒的问题。 有限差分方法也存在自身的缺点，它是从微分算子就结点邻域进行泰勒展 开，截取前几项所得差分近似公式来求解。差分方程计算的数值导数是由差分 值除以结点间的距离。因此有限差分解数值导数的精度总比解微分导数的精度 低。 3 四jr 1 3 v 学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 1 2 2 2 有限元法 有限元法是依据变分原理、或剩余加权法、或均衡原理进行剖分插值，得 出代数方程组，以求解数学模型。它在地下水流问题中的应用始于1 9 6 8 年，并 逐渐成为解决复杂水文地质问题的有效方法。 有限单元法的优点是： a 它能系统地编成程序，比较方便地处理复杂的边界条件，非均质和厚度 变化的岩层、多个含水层组成的含水组等麻烦和困难的问题。 b 有限单元法对第二、第三类边界不必作专门处理，能自动满足，因而便 予处理复杂的边界条件。 c 单元大小随意，形状也有多种，三角形、四边形、四面体、六面体等， 可以视需要选择，有较大的灵活性，能够较准确地逼近复杂的几何边界和研究 区内的分区边界。 有限单元法的缺点是： a 在有限元方法中，常采用低阶多项式作为联系小单元内各结点值的近似 解，然后使构成的近似解满足控制方程的变分形式或加权积分形式。相邻于两 个或三个有限元的公共结点上的数值导数常常不连续，甚至不确定。所以对于 高雷诺数流动要得到精确而稳定的有限元解也有困难。 b 在解决非稳定的地下水流运动问题时，在时间步长t 较小的情况下， 某些单元可能出现质量不守恒，因此引起个别点的水位反常。 1 2 2 3 边界元法 边界元法是上世纪8 0 年代开始广泛应用于工程问题上的一种方法，它是通 过将区域水流的基本微分方程变化为边界积分方程后离散成线性代数方程组的 途径来求解数学模型。 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简称b e m ) 是首先将控制微分方程化 为边界积分方程，再用有限元的基本思想与方法步骤( 在求解域的边界上划分有 限单元) 来处理边界积分方程的方法。其特点是在域内满足微分方程，而在边界 上只是近似满足边界条件。该方法于7 0 年代首先由英国的c a b r e b b i a 提出。 4 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 边界元法的优点是： a 将全域的计算化为区域边界上的计算，维数减少了一个，使三维问题可 化为二维问题，二维问题可化为一维问题，给计算机计算带来了一系列的简化。 b 对渗流、势流等的无限区域问题，有限元法和有限差分法常选取较大的 区域离散化，在有限大的区域边界上近似应用无限远处的边界条件，近似性较 差。此外若区域取得太大，由于计算机内存的限制，无法细分网格，而过粗的 网格又无法满足精度要求。边界元法由于基本解满足无穷远处边界条件，在无 穷远处边界上的积分自动消失( 恒等于零) ，对无限区域问题，无需确定外边界， 只需在区域的内边界上进行离散即可。另外，由于边界元的基本解本身就有奇 异性，故适于解奇异性问题。 c 边界元法的精度一般高于有限元法。有限元法是将全区域化为许多单元， 在单元内采用局部遏近函数，近似范围在全部区域。而边界元法近似范围仅在 区域边界上。在实际计算中单元与结点数相对有限元法要少得多，因此可以合 理的加密网格以提高精度。 边界元法的缺点是： a 虽然边界元法单元数、未知量个数都少、方程组阶次低，但方程组的系 数矩阵不对称并为满阵，有时是近似的奇异阵，求解这类方程组的方法受到限 制，计算机内存和计算时间不能缩短，常常还需数值计算许多奇异积分。 b 边界元法要采用解析函数的基本解，目前只适用于线性问题、以及基本 解已知的问题。对于非线性问题、半无限域问题，特别对区域的角点等处理技 术尚未成熟。 1 2 2 4 有限分析法 有限分析法( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ) 是在有限元法基础上的一种改进， 其基本思想是：在离散单元的解，不再用插值函数式来表达，而是方程局部线 性化后的解析解。是先将待求问题的总体区域划分为许多小的子区域，在这些 子区域中求局部解析解；然后从局部解析解导出一个代数方程，使子区域上的 内结点值与相邻的结点值联系起来；接着把所有的局部解析解汇集在一起，就 5 四川大学硕士学位论文 若尔盏湿地保护区地下水流数值模拟 得到所求问题的有限分析数值解。它是7 0 年代末美籍华人学者陈景仁教授等提 出的一种新数值方法。 有限分析法将分离变量法、快速付里叶变换法等各种解析方法结合进偏微 分方程的数值解中。具有自动迎风性质，能准确地模拟对流项，同时不存在数 值扩散现象，计算稳定性较好，收敛较快的优点。 但有限分析法仅限于解椭圆型方程和抛物线型方程比较有效，对于较复杂 的微分方程，往往计算相当复杂。 1 2 2 5 特征线法 特征线法用来解双曲型偏微分方程比较有效。将特征线法和有限单元法相 结合的特征有限元法以及和有限差分法相结合的特征行限差法是目前求解水质 模型的一种有效方法，尤其是用来求解对流占优势的污染物运移问题极为方便。 但对求解地下水流运动问题效果不佳。 每一种数值方法本身在解决具体问题的过程中不断地被发展和完善。然而， 尽管数值方法本身在不断地发展和完善，但在用于解决具体问题时，往往会出 现“预测不准”等问题，著名地下水流模拟学者a n d e r s o n 和w e s s e n s e r 认为出 现这种情况的原因并不在于模型本身，而在于建模者对水文地质概念模型概化 与实际水文地质条件的认识不足。由于自然界地质体通常为非均质的，其特征 随空间变化，地下水流也随时间和空间变化，其复杂程度无法用数学语言全面 描述。本文将采用有限差分法对研究区地下水流进行数值模拟。 1 2 3 数值模拟软件的发展 1 2 3 1 数值模拟软件的发展”2 m 1 通过近二十年的研究与发展，上实际9 0 年代前后国际上己经形成了一批非 常有影响的地下水模拟d o s 版本的软件，今天它们在国际地下水模拟研究领域 依旧非常活跃，如m o d f l o w 、k f f 3 d 、m o d p a t t f 等，己成为三维地下水流动和污染 物质运移模拟的世界标准。 6 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 m o d f l o w 是由美国地质调查局( u s g s ) 的m c d o n a l d 和h a r b a r g h 于8 0 年代 开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件。 自从它问世以来，m o d f l o w 己经在全世界范围内，在科研、生产、环境保护、 水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用，成了最为普及的地下水运动 数值模拟的计算软件。据统计，自1 9 9 2 年底以来，美国地质调查局运行的2 2 种有关地下水水量水质数值模拟计算的程序中，m o d f l o w 约占总应用次数的 4 1 5 6 ，而其它的绝大多数模型的使用率都不超过5 o 。 近年来，随着w i n d o w s 在操作系统中统治地位的确立，传统的d o s 版地下 水模拟软件纷纷在w i n d o w s 的基础上进行修改、扩充与功能增强，特别是在人 机交互、计算机图形学和可视化等计算机技术的推动下，带有可视化功能的地 下水模拟软件发展迅速，目前己经占据国际地下水模拟软件市场的主流地位。 它们的共同特点是适应的问题广，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、输入或修改各类水文 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。其中较有影响的模型有p m w l n 、w i s u a lm o d f l o w 、 g m s 、f e f l o w 等。 1 2 3 2 主要模型介绍o ”2 “”1 m o d f l o w 包括一个主程序和若干个相对独立的子程序包( p a c k a g e ) 。 m o d f l o w 采用有限差分法对地下水流进行数值模拟，求解方法上有强隐式法 ( s i p ) 、逐次超松弛迭代法( s o r ) 、预调共扼梯度法( p c g ) 等子程序包。 除可用于孔隙介质模拟外，m o d f l o w 还可以用来解决裂隙介质中的地下水流动 问题。经过合理概化，m o d f l o w 还可以用来模拟空气在土壤中的流动问题和诸 如海水入侵等地下水密度发生变化的问题。 m o d p a t h 是研究给定时间内稳态或非稳态流的三维质点示踪模型。在指定 各质点的位置后，m o d p a t h 可进行正向示踪和反向示踪，计算三维水流路径， 从而成为水井截获区和井位警戒研究的理想工具。 7 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 m t 3 d 是模拟地下水中单项溶解组分对流、弥散、源汇项和化学反应的三维 溶质运移模型。m t 3 d 所模拟的化学反应包括线性和非线性吸附、一级不可逆衰 变及生物降解等。 f e f l o w 是加拿大w a t e r l o o 水文地质公司开发的基于三维迦辽金 ( g a l e r k i n ) 有限元的地下水模拟可视化软件包。它能解决非稳态、稳态地下 水流动与溶质运移问题、饱和与非饱和流动、带有非线性吸附作用、衰变、对 流、弥散的化学质量运移等地下水模拟问题。 g m s 是地下水模拟系统( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 的简称，是综合 己有的m o b f l o w ，m o d p a t h ，m t 3 b ，f e 姗a t e r ，r t 3 d 等地下水模型而开发的可视化 三维地下水模拟软件包。可进行水流模拟、溶质运移模拟、反应运移模拟；建 立三维地层实体，进行钻孔数据管理、三维质地统计；可视化和打印三维模拟 结果。 p m w i n ( p r o c e s s i n gm o d f l o wf o rw i n d o w s ) 包括m o d f l o w 、模拟粒子运动 轨迹和传播时间的p m p a t h 和m t 3 d ，可以用来进行三维水量和水质的模拟。 v i s u a lm o d f l o w 是由加拿大w a t e r l o o 水文地质公司在m o d f l o w 的基础上 开发研制的，包含m o d f l o w ，m o d p a t h 和m t 3 d 等模型。是三维地下水流和溶 质运移模拟的可视化软件系统。 尽管世界上地下水模拟软件很多，但由于地下水系统的复杂性，目前还没 有一种地下水软件能解决所有地下水问题。因此模拟时应根据模拟对象和任务 选择合适的软件。不管是p m w i n ，v i s u a lm o d f l o w 还是g m s ，其中都包括地下水 流模型m o d f l o w 。本文将采用b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 开发研制的g m s 系统 模拟若尔盖地下水流运动。 1 2 4 我国地下水模拟的发展趋势“2 ” 根据我国实际，结合国际研究动向，当今我国地下水数值模拟的发展趋势 是： a 有必要加强对水文地质条件，特别是复杂水流条件下如何正确概化、确 定边界条件、建立数学模型的研究。 8 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 b 对包气带的研究以往一般忽略气相的影响，作单相问题处理。以后应多 做从二相流角度来开展包气带水分和溶质运移研究。 c 从模拟方向本身来讲，多种方法相结合( 例如有限元与有限差分、有 限差与边界元不同数值方法之间对比模拟，概率统计模型与数值模型相结合等) 来处理课题是一个值得探讨的方向。 d 裂隙介质模拟理论和方法的研究有待加强，尤其需要开拓新思路、探索 新方法。 e 地下水污染，包括溶解、沉淀在内的地下水中化学反应的数值研究需要 加强。对有微生物参与的生物化学反应的研究有必要开展。 f 在地下水模拟时，单纯使用确定性方法来研究问题可能得不到很好结 果。因而有必要结合随机方法研究地下水水量水质问题。 1 2 5 若尔盖地区地下水流运动的研究 上世纪六七十年代，为提高草原载畜率和草场利用率，位于若尔盖高原的 一些地方在沼泽湿地开沟放水，造成地下水位下降，土壤板结硬化，并迅速向 沙化过渡。引起了各界学者的广泛关注，掀起了若尔盖湿地自然保护区的热潮， 研究方向主要集中在生态环境、土壤中矿物质、生物多样性、草原植被类型、 湿地旅游资源方面的研究，而对湿地地下水方面的研究却非常少。 目前，仅有四川i 省地勘局水文地质工程地质队的周绪纶学者对若尔盖地下 水相关课题进行研究，分析了黑河与白河区间含水层岩性、厚度和地下水类型 之间的关系，主要依据河流干涸、湖泊及沼泽面积便小、植物枯萎、软土层硬 化等方面间接推测地下水位下降，但其无系统的湿地地下水位观测资料。 本次对地下水的研究与以往截然不同，首次采用钻井抽水的方式，直接对 地下水位进行观测，真实准确的测量出研究区湿地地下水流场，并研究其受外 界因素影响而产生的变化。 1 3 本文研究的主要内容及思路方法 9 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 本论文研究的主要任务是利用数值模拟方法对若尔盖湿地自然保护区地下 水系统进行模拟，确定该地区地下水运动特征参数以及土壤渗透能力、初步确 定该地区地下水补给与排泄规律及相互转化关系，为湿地保护提供理论依据。 基本的研究思路如下： a 进行研究区自然条件和水文地质条件调查； b 设计并实施若尔盖湿地自然保护区地下水抽水实验记录试验数据； c 综合分析实验数据，结合研究区的地质和水文地质特征，建立水文地质 概念模型； d 建立与水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型； e 运用g m s 软件建立若尔盖湿地自然保护区地下水流系统可视化计算机 模型； f 运行所建立的模型并对地下水流模型进行识别验证和可靠性分析； g 确定该地区地下水运动特征参数，预测不同情况下研究区域地下水流特 征。 1 4本文的研究特色问题 a 水是湿地的根本，长期以来由于若尔盖湿地地处偏远地区，交通条件和 气候条件较差，人们对其研究较少，仅有的研究也只偏重于湿地生态环境的描 述与简单分析，而对湿地地下水的研究几乎空白。本次研究首次进行较大规模 的地下水抽水试验，并运用先进的模拟技术对抽水试验进行分析，建立研究区 地下水流模型，确定水文地质参数。 b 该课题具有以解决实际问题为主的特点，本文从湿地公路建设生态环境 保护要求出发，设计并实施地下水抽水试验，根据试验数据，采用先进的模拟 技术，研究若尔盖地区地下水流运动特征。 c 应用目前国际上先进的g m s 软件，建立地下水流模型，分析研究区的水 文地质条件。 1 0 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 2 研究区概况 若尔盖湿地是世界上最大的高原泥炭沼泽，也是世界罕见的高原湿地生态 系统。1 9 9 4 年阿坝州批准在若尔盖县境湿地范围内建立若尔盖高原湿地自然 保护区，1 9 9 7 年晋升为省级自然保护区，1 9 9 8 年8 月批准为国家级自然保护区， 且更名为若尔盖湿地国家级自然保护区。主要保护对象为高寒沼泽湿地生 态系统和黑颈鹤等珍稀动物。 2 1 自然地理概况m h 2 3 3 4 3 h 4 6 1 2 1 1 地理位置 若尔盖湿地自然保护区位于青藏高原东缘，四川省阿坝藏族羌族自治州若 尔盖县境内，若尔盖沼泽的腹心地带，地理座标为东经1 0 2 。2 97 1 0 2 。5 9 ， 北纬3 3 。2 5 2 4 。8 0 。保护区东西宽4 7 k m ，南北长6 3 k m ，总面积 1 6 6 5 7 0 6 h m 2 。 研究区位于若尔盖湿地自然保护区边缘阿西牧场，研究方案设计的抽水试 验场位于郎木寺至川主寺公路k 5 7 + 5 0 0 k 5 9 + 5 0 0 公路两侧5 0 0 m 范围，分布在 阿西隆曲两条支流之间，占地面积约2 5 k m 2 。( 详见图2 - 1 ) 2 1 2 水文 研究区属于黄河水系黑河中游。黑河年平均径流总量为5 7 1 0 6 亿m 3 。中、 下游地势比降较小，地面坡度只有0 0 2 0 0 3 ，河流年平均流速只有0 4 2 1 8 0 m s ，水位年变幅只有1 6 m 。地面平坦低洼，加之沉积物质较粘重，排水 能力较差，造成地面长期积水。 研究区e h n 西隆曲的两条支流包围，南侧支流径流方向由东北流向西南， 属于次生溪流，主要补给源为大气降水和沼泽地表水，年平均径流量约1 5 4 2 万m 3 ，平均流速约0 2 1 m s ；北侧支流径流方向由东南流向西北，属于原生溪 流，在研究区内溪流流量除来自上游来水外，其次来自大气降水，年平均径流 量7 2 8 3 万m 3 ，平均流速约0 3 1 m s 。 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 图2 - 1 试验场地地理位置图 2 1 3 气象 若尔盖湿地自然保护区地处青藏高原东部，属大陆性高原寒温带湿润半湿 润季风气候，四季不分，仅有寒暖二季，干湿季节分明。根据四川省气候区划， 本区属“川西北高原寒温带、亚寒带气候区”，平均气温9 c ，1 1 月至翌年4 月为冰冻期，无绝对无霜期，相对无霜期3 0 天左右。年平均气压为6 6 8 毫巴左 右。日照时间相对较长，年总日照时数2 3 5 2 2 4 1 8 h ，光能资源非常丰富，但 因气温较低，生物产量仍属低值区。全区盛行东北及西南风，风力一般不大， 年平均风速只有1 9 2 6 m s ，最大风速1 8 m s ，大风天气主要发生于干冷季节， 平均每年发生8 0 天以上，易造成沙暴和沙灾。年平均降水量6 8 1 1 7 4 9 1 m m ， 1 2 四川_ 人学硕：i 二学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 是黄河流域的多雨区( 全流域多年平均降水量4 6 6 m m ) 。降水主要集中在5 1 0 月，为6 2 1 5 m m ，占全年降水量的8 8 7 2 ，这期间多大雨、暴雨和冰雹，日 最大降水量一般不超过5 0 m m 。区内湿度较大，年平均相对湿度约为6 4 7 3 。 雨季相对湿度多在7 7 9 0 ，冬季相对温度也不低于5 5 6 5 。 2 1 4 地形、地貌 若尔盖湿地自然保护区属高原浅丘沼泽地貌，系黄河水系，地势东南高， 西北低，最高海拔3 6 9 7 m ，最低海拔3 4 2 2 m 。地表丘状起伏，河沟纵横、蜿蜒曲、 折，湖泊、沼泽、草甸极为发育，地貌单元主要由丘状高原和丘问盒地组成。 前者高差较大；后者为黑河、白河、贾曲等主要一级支流的冲积平原，地势平 坦，土层深厚，河床比降小，水流缓慢，河流曲流及牛轭湖发育，构成本区丰 富的湿地和沼泽景观。保护区湿地面积2 2 9 5 3 h m 2 ，占保护区面积的1 3 7 8 。其 中沼泽面积1 9 8 9 2 h m 2 ，占保护区面积的l1 9 4 ，湖泊面积1 2 3 3h m 2 ，占保护区 面积的0 0 7 4 ，河流面积1 8 2 8h m 2 ，占保护区面积的1 1 0 。 研究区位于黑河中游闭流宽谷与 伏流宽谷之中，区内总体地势平坦，地 表为干涸的泥炭沼泽地貌，试验区域西 侧团块状草丘地貌较突出。试验场地周 围以宽谷缓丘为基本特征，地势等级属 中小起伏，山坡多呈凹形，坡面稳定 无冲沟发育，此坡面对泥炭沼泽发育十 分有利。试验场地附近的地形地貌见图 2 2 。 图2 2 试验场地附近地形地貌 2 1 5 土壤 由于地势高，气候冷湿，地表积水，区内广泛分布着高原草甸土及高原沼 泽土。仅在泛滥地分布有生草冲积土，局部地区有高原褐土。 高原草甸土主要分布在周围的山地、区内低山丘陵以及未沼泽化的阶地上 海拔高度在3 4 2 0 4 0 0 0 m ；高原沼泽土主要分布在黑河流域，而且又集中分布 1 3 凹川大学硕l 学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 在黑河流域的中、下游宽谷和湖滨洼地；高原褐土分布在开阔的白河下游阶地 及较干的平坝内；生草冲积土分布于黑、白河流域的河水泛滥地区。 试验区域的土壤属于黑河中游高原沼泽土，成土母质多为质地均匀的粉砂 和亚粘土。泥炭累积较厚，一般为3 m 左右，最厚可达6 m ，泥炭的分解度较低， 有机质含量一般大于5 0 ，全氮含量为5 8 ，土壤呈中性、微碱性反应，p h 值一般为7 o 7 8 ，土壤过渡层较薄，有机质含量急剧减少。而地表潜育层深 厚，质地均匀，组成物质较细，主要是湖相沉积物，也有坡积物及洪积物。 2 1 6 植被 若尔盖高原湿地植被类型主要为沼泽和草甸植被。 试验区域属沼泽过渡带，区内兼有草甸植被和沼泽植被。因土壤以腐殖质 潜育土和泥炭质潜育土为主，泥炭层薄，地表无积水，无机养料丰富，适于藏 蒿草一驴蹄草群落植被生长，植被种类丰富，7 月中旬可达2 0 余种，总覆盖度约 8 0 8 5 。尤以草甸植物种类最多，约1 8 种，占群落总成分的9 0 ，覆盖度约6 0 。 沼泽植物偏少。 草甸植被有：藏蒿草( k o b r e s i at i b e t i c a ) 、金莲花( t r o l l i u sf a r r e i ) 、 珠芽蓼( p o l y g o n u mv i v i p a r u m ) 、银莲花( a n e m o n eo b t u s i l o b a ) 、小唐松草 ( t h a l i c t r u ma l p i n u m ) 、红门兰( o r c h i ss a l i n a ) 、飞蓬( e r i g e r o n m u l t i r a d i a t u s ) 、马先蒿( p e d i c u l a r i so e d e r iv a r s i n e n s i s ) 、地榆 ( s a n g u i s o r b af il i f o r m i s ) 、蓼( p o l y g o n u mh o o k e r i ) 、虎耳草( s a x i f r a g a h e l e o n a t e s ) 、火绒草( l e o n t o p o d i u m ) 、毛莨( r a n u n c u l u sp u l c h e l l u s ) 、 报春花( p r i m u l a ) 和龙胆( g e n t i a n a ) 等。 沼泽植物有木里苔草( c a r e xm u l i e n s i s ) 、石菖蒲( d a n d e l i o n ) 和驴蹄 草( c a l t h as c a p o s a ) 等。 藏蒿草和木里苔草是本区的优势物种。区内群落结构分三层，第一层高1 5 3 0 c m ，为藏蒿草、木里苔草和飞蓬；第二层高3 1 5 c m ，有驴蹄草、金莲花、珠 芽蓼等植物，其中以驴蹄草为主；第三层为真藓属的一种。由于植被种类繁多， 季相变化较为复杂，可分为4 个季相：4 月初至5 月中旬为藏蒿草季相；5 月下旬 1 4 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 至6 月中旬，为驴蹄草季相：6 y j 下旬至7 月下旬为金莲花、地榆季相；8 月上旬 至9 月中旬为藏蒿草、羊茅季相；9 月中旬以后，植被开始枯死。 2 2 若尔盖湿地自然保护区地质背景 2 2 1 地层 若尔盖湿地自然保护区内基岩较为单一，主要是三迭纪灰绿色或黄绿色砂 岩和黑褐色页岩互层，夹有薄层灰岩。砂页岩多已变质，页岩多已变成板岩或 干枚岩，节理发达，岩层破淬，但没有发现火成岩。砂页岩层褶皱成和缓的复 向斜，岩层中小褶皱极多。岩层走向以东北西南向为主。 2 2 2 地质构造 若尔盖高原的构造形态基于海面期，定形于印支期，是在印支弧形褶皱带 的基础上经燕山运动和喜马拉雅运动改造而崛起的新生带断陷盆地，沼泽位于 盆地底部。三叠纪以后的印支运动和其后的喜马拉雅造山运动形成现今的高原 地貌，第四纪又覆盖了一层厚厚的松散堆积物。第四纪以来随着青藏高原的整 体上升，形成于第三纪末和第四纪初的若尔盖准平原相对沉降，成为浅凹状盆 地。全新世以来高原内部有缓慢升抬并一直持续至今。 2 2 3 水文地质背景 2 2 3 1 区域水文地质特征 若尔盖湿地自然保护区内因岩性及构造特征限制，无深层承压水，潜水主 要含于第四纪疏松地层之中。有冲积层潜水、洪积层潜水、坡积层潜水及裂隙 水。冲积、洪积与坡积层潜水多分布在山前洪积与坡积物中。裂隙水分布较普 遍，多在砂页岩节理发达的地方。 研究区内潜水主要表现为洪积层潜水，只有在南侧靠近山坡的地方，零星 分布着裂隙水。由于区内岩层较单一，中间无连续隔水层，可视为统一的含水 层组。 1 5 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水流数值模拟 2 2 3 2 地下水补给、径流、排泄 研究区