（水文学及水资源专业论文）若尔盖湿地保护区地下水运动特征.pdf

若尔盖湿地保护区地下水运动特征 水文学及水资源专业 研究生向雪梅指导教师刘国东 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡区域，因其巨大的生产能力和环境 功能，湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统。湿地在气候、人类活动和 环境变迁等因素的影响下，其生态功能严重受损，正在经历着前所未有的退化 演变。若尔盖湿地保护区位于青藏高原东缘，地处若尔盖沼泽的腹心地带，是 青藏高原高寒湿地生态系统的典型代表。由于自然和人为因素的作用，若尔盖 湿地正在加速萎缩退化，水域和沼泽面积不断缩小，地下水位持续下降，水源 的补给和供给严重受损，草地日益沙化，湿地环境正面临着向沙漠化、荒漠化 演替的趋势。 作为我国两大江河重要的水源涵养地以及重要的生态功能保护区，若尔盖 湿地对长江、黄河上游地区的生态建设和环境保护以及若尔盖地区的可持续发 展都起着举足重轻的作用。水的存在是湿地存在的根本条件，而地下水作为湿 地水循环的重要组成部分，它的动态变化既是该地区生态环境变化的一部分， 同时，又直接影响着湿地生态系统中土壤、植被等因素的演替。因而，开展该 区地下水的研究对若尔盖湿地的水源保护、湿地退化及生态系统功能的恢复将 具有重要的理论和现实意义。 本次研究区域选择在黄河一级支流黑河流域中游、若尔盖阿西乡境内、国 道2 1 3 线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，其中 公路东侧位于阿西牧场，西侧位于若尔盖湿地保护区内。在现场调查和多井多 时段抽水试验的基础上， 因而开展对湿地地下水的研究就显得尤其重要。 一直以来，我国对湿地的研究主要集中在东北三江平原区湿地、长江中下 游地区湖泊及河口湿地以及沿海的滨海等湿地，而对若尔盖湿地的研究相对较 少。而研究对象主要集中在若尔盖湿地的植被、土壤、生活于该区域的动物、 该区整个生态系统的结构和功能、若尔盖湿地的生态旅游等方面，而对该区水 的研究特别是地下水的研究少有涉及。 本文以交通部科研课题“湿地地区公路建设关键技术研究”第二专题公 路建设中草原环境及湿地保护措施研究子题三一维持湿地生态系统功能的 公路排水系统设置研究为依托，通过对该区域典型地区进行多井、多时段的 抽水试验和地下水位观测，探讨若尔盖湿地保护区地下水水文特征。通过试验， 初步确定了研究区域潜水埋藏深度，潜水流向，水力梯度；获得了研究区域漏 斗曲线规律；并根据泰斯近似公式，利用最小二乘法和遗传算法求出了含水层 参数；同时，根据地表渗透和土壤渗透试验，初步掌握了研究区域的地表渗透 率和土壤渗透率。 若尔盖湿地保护区位于四川省若尔盖县境内，总面积1 6 6 5 7 0 h m 2 ，平均海 拔约3 4 0 0 m 。若尔盖湿地是世界罕见的高原湿地生态系统，在其特殊的地理位 置上发挥着独特的生态功能。由于自然因素和人为因素的影响，若尔盖湿地面 临着向沙漠化、荒漠化演替的趋势。因而，开展该区地下水的研究对若尔盖湿 地的水源保护、湿地退化及生态系统功能的恢复将具有重要的理论和现实意义。 本次研究区域选择在黄河一级支流黑河流域中游、若尔盖阿西乡境内、国 道2 1 3 线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，其中 公路东侧位于阿西牧场，西侧位于若尔盖湿地保护区内。在现场调查和多井多 时段抽水试验的基础上，得出了如下结论： ( 1 ) 研究区属高原中浅切割的构造剥蚀残山与山问盆地和冲洪积准平原 相问分布地貌，地处松潘一甘孜三角地块。区内主要由第四系全新统、更新统 冲、洪积层及三迭系上统侏罗系板岩、砂页岩组成，表层为厚约5 0 c m 的高原草 甸土，黑色、松散、富含草根；其下为粉土、粉质粘土，黄色、黄褐色，局部 含粉细砂，软塑状，厚2 2 5 m ；下部主要为砂卵、砾石层。 ( 2 ) 研究区域多为第四系松散层中的孔隙潜水，含水层厚度稳定，约为 4 0 5 0 m 。地下水埋深一般为2 5 3 m ，主要为砂卵石层孔隙潜水，水量丰富。 研究区域地下水水力坡度平缓，水流方向主要从东南流向正西，水力梯度 值约为0 0 0 1 9 ，在观测井g 1 8 和g 1 9 的区域可能存在一个地下水分水岭。 ( 3 ) 通过地表渗透和土壤渗透试验，得到公路东侧地表渗透系数为 0 0 2 8 m h ，土壤渗透速率为o 0 0 5 m h ；公路西侧地表渗透系数为0 0 3 4 m h ，土 壤渗透速率为0 0 3 9 m h 。 ( 4 ) 通过单井、双井和三井联抽试验，得到研究区域漏斗曲线规律。不论 是单井抽水还是多井抽水，其抽水降深时间曲线( 双对数坐标) 平坦，部分曲 线显示出了潜水含水层的三阶段特征，但不十分明显；曲线的第二阶段时间较 长，且基本水平，说明该区域滞后效应显著，重力释水作用较大；漏斗深度在 抽水试验的时间内，下降较小( 最大为1 2 2 2 m ) ，漏斗形状基本对称，在平面 反映为同心圆，但延伸宽度不大，大致约5 0 l o o m 。多井联抽时，由于受到互 相干扰，主井水位降深值都大于单井抽水时的叠加。 ( 5 ) 根据泰斯近似公式，利用最小二乘法和遗传算法分别计算含水层参 数，运用遗传算法求解水文地质参数，提高了计算精度。运用最小二乘法求得 的试验区含水层导水系数t 、渗透系数足和给水度4 ，范围分别为9 3 0 3 7 1 8 5 8 7 0 m 2 h 、4 6 5 2 9 2 9 4 m h 、0 0 1 0 0 0 2 6 4 ；采用遗传算法求得的含水层参 数导水系数孔渗透系数世和给水度+ ，范围分别为8 9 2 4 0 1 6 3 7 8 0 m 2 h 、 4 4 6 2 8 1 8 9 m h 、0 0 0 6 2 0 0 2 7 9 。两种算法的结果大致接近。 。 根据求得的含水层参数，对各次抽水主井的邻近观测井后期的实测值和计 算值做了比较和误差分析，结果是遗传算法的求解结果相对误差小于最小二乘 法的相对误差。遗传算法求解结果的相对误差最小为0 0 0 7 ，最大为0 0 1 8 ；而 最小二乘法求解结果的相对误差最小则达o 0 2 4 ，最大达o 1 7 1 。多井联抽的降 深时间曲线由于早期和晚期皆不明显，拟和误差相对较大，最大达o 1 9 6 。 关键词：若尔盖湿地地下水运动含水层参数 r e s e a r c h e so nt 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 d m a j 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 ：x i a n gx u e m e i a d v i s o r ：l i ug u o d o n g w e t l a n di st h et r a n s i t i o nr e g i o nb e t w e e nt e r r a n e o u se n v i r o n m e n ta n da q u a t i c e n v i r o n m e n t b e c a u s eo fi t sg r e a tp r o d u c t i v i t ya n de n v i r o n m e n t a lv a l u e s ，w e t l a n d 、 f o r e s ta n do c e a na r et h et h r e el a r g e s te c o s y s t e mo ne a r t h a st h er e s u l to fc l i m a t e c h a n g ea n dh u m a na c t i v i t i e s ，t h ee c o l o g i c a lf u n c t i o no fw e t l a n dd e c r e a s e ss e r i o u s l y z o i g ew e t l a n dl i e si nt h en o r t h e a s t e r np a r to fq i n g h a i - t i b e tp l a t e a n i ti s a t y p i c a lw e t l a n de c o s y s t e mo fp l a t e a u h o w e v e r , z o i g ew e t l a n di sd e g e n e r a t i n gi n s p e e dw i t ht h ec o n t i n u e dr e d u c t i o no fw e t l a n da r e a ，d e s c e n to fw a t e rt a b l e ，s o m e i m p a c t so nw a t e rr e c h a r g ea n dd e c r e a s eo fb i o d i v e r s i t yb e c a u s eo ft h ee x c e s s i v e h u m a na c t i v i t i e s a sa ni m p o r t a n te n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r e ao ft h ey a n g t z er i v e ra n dy e l l o w r i v e r , z o i g ew e t l a n da c t sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o no ft h et w o r i v e r sa n di ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nt h i sr e g i o n t h ee x i s t e n c eo fw a t e ri st h e b a s i cc o n d i t i o no fe x i s t e n c eo fw e t l a n d a sp a r to fh y d r o c y c l e ，g r o u n d w a t e rh a s i m p o r t a n te f f e c t st os o i l ，p l a n t s ，a n i m a l sa n do t h e rf a c t si nw e t l a n d s o ，s t u d yo f g r o u n d w a t e rf l o wi si m p o r t a n tt oz o i g ew e t l a n d t i l ln o w ，t h ew e t l a n dr e s e a r c h e si no u fc o u n t r ya r em o s t l yc o n c e n t r a t e di n n o r t h e a s tt h r e e r i v e r - p l a i n 、t h el a k e sa n do u t f a l l so fy a n g t z er i v e rd o w n s t r e a m r e g i o na n dt h el i t t o r a l a r e a se x c e p tz o i g ew e t l a n d ，a n db e s i d e s ，m o r ea t t e n t i o ni s p a i dt ot h ep l a n t s 、s o i l 、a n i m a l sa n do t h e re c o s y s t e mf e a t u r e so fz o i g ew e t l a n d t h e u n d e r g r o u n dw a t e ri sl e s sc o n s i d e r e d t h er e s e a r c h e si nt h e p a p e ri ss u p p o r t e db yt h ei n v e s t i g a t i o no fo p t i o n a l d r a i n a g ed e s i g nt oh i g h w a yi nw e t l a n d ，w h i c hi sp a r to f “t h ek e yt e c h n o l g g i e so f h i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nw e t l a n d i sf u n d e db ym i n i s t r yo fc o m m u n i c a t i o n b a s e d o nt h eg r o u n d w a t e rp u m p i n gt e s tw i t hm o r ew e l l sa n do b s e r r a t i o nh o l e s ，t h ef e a t u r e s o fg r o u n d w a t e ri nt h ew e t l a n da r er e v e a l e d g r o u n d w a t e rf l o wp a r a m e t e r ss u c ha s h y d r o a l i cc o n d u c t i v i t y , s p e c i f i cy i e l da n dt r a n s m i s s i b i l i t yc o e f f i c i e n ta r eo b t a i n e db y t h e i sm o d e lc o m b i n e dw i t hl e a s ts q u a r ee s t i m a t i o na sw e l la sg e n e t i ca l g o r i t h m s e a r c h k e y w o r d s ： z o i g ew e t l a n dg r o u n d w a t e rf l o w a q u i f e rp a r a m e t e r 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水运动特征 1引 言 1 1 立题背景和依据 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡区域。按照湿地公约对湿地的 定义，湿地系指不问其为天然或人工，长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地 带，带有或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不 超过6 m 的水域。其三个基本特征是：水成土壤，季节性水以及与此环境相适 应的植被。湿地具有物质“源”、“汇”及“转换器”的功能，它不仅为人类 的生产、生活提供多种资源，而且有巨大的环境功能和效益，在抵御洪水、调 节径流、蓄洪防旱、控制污染、调节气候、控制土壤侵蚀、除淤造陆、美化环 境等方面有其它系统不可替代的作用，被誉为“地球之肾”，受到全世界范围的 广泛关注。在世界自然资源保护联盟( i u c n ) 、联合国环境规划署( u n e p ) 和世界 自然基金会( w w f ) 世界自然保护大纲中，湿地与森林、海洋一起并称为全球三大 生态系统。1 。 湿地与人类的生存、繁衍息息相关。但在近代，湿地受到人类活动的影响 越来越剧烈，天然湿地面积日益减少。由于沼泽疏干和湖泊围垦，湿地蓄水大 大减少，其调节径流、控制洪水等功能受到了很大的削弱；由于工业废水和生 活污水的排放，湿地的水质污染日益严重；由于对湿地的过渡开发利用和索取， 湿地土壤盐碱化和沙化现象严重，生物多样性也大幅度降低。湿地作为生态系 统，在气候、人类活动和环境变迁等因素的影响下，其生态功能严重受损，湿 地正在经历着前所未有的退化过程，中国的湿地资源也在遭受着严重的损害。 湿地的重要性及现状使得湿地研究与保护越来越受到重视。1 9 7 1 年，国际 社会在伊朗的拉姆萨尔召开国际湿地保护会议，发布了著名的拉姆萨尔公约 ( 湿地公约) ，目的就是通过国家行动和国际合作对湿地进行保护与合理利用； 我国于1 9 9 2 年加入了该公约，并将中国湿地保护与合理利用列入中国2 1 世 纪议程中国2 l 世纪人口、环境与发展白皮书和中国生物多样性保护行 动计划优先发展领域；2 0 0 0 年7 月，国务院联合各相关部门，编制通过了中 国湿地保护行动计划，这是中国往后一个时期内实施湿地保护、管理和可持续 第一章引言 利用的行动指南，更是中国政府认真履行湿地公约势在必行的重大举措o3 。 据初步统计，全世界有湿地8 6 1 0 8 h m 2 ，占世界陆地面积的6 4 。中国 湿地面积约6 5 9 4 万h m 2 ( 不包括江河、池塘等) ，占世界湿地的1 0 ，位居亚 洲第一位，世界第四位，其中天然湿地约2 5 9 4 万h m 2 ，人工湿地约4 0 0 0 万h m 2 。 若尔盖湿地于1 9 9 8 年被国务院批准为国家级自然保护区，2 0 0 1 年被国家 环保总局批准为国家级生态功能保护区。该区位于青藏高原东缘，地处若尔盖 沼泽的腹心地带，是青藏高原高寒湿地生态系统的典型代表，也是长江、黄河 上游源区重要的水源涵养地，总面积1 6 6 5 7 0 h m 2 。区内气候寒冷湿润，泥炭 沼泽广泛发育，沼泽植被发育良好，生境复杂，生态系统结构完整，生物多样 性丰富，是世界高山带物种最丰富的地区之一。由于自然和人为因素的作用， 若尔盖湿地正在加速萎缩退化，水域和沼泽面积不断缩小，地下水位持续下降， 水源的补给和供给严重受损，草地日益沙化，湿地环境正面临着向沙漠化、荒 漠化演替的趋势。为了挽救处于危机之中的湿地，中国湿地保护行动计划将 若尔盖高原湿地资源保护与合理利用纳入了行动计划的优先项目之中。 作为我国两大江河重要的水源涵养地以及重要的生态功能保护区，若尔盖 湿地对长江、黄河上游地区的生态建设和环境保护，以及若尔盖地区的可持续 发展都起着举足重轻的作用。因而，对若尔盖湿地的研究已显得刻不容缓。水 的存在是湿地存在的根本条件，而地下水作为湿地水循环的重要组成部分，它 的动态变化既是该地区生态环境变化的一部分，同时，又直接影响着湿地生态 系统中土壤、植被等因素的演替。本论文以交通部科研课题“湿地区公路建设 关键技术研究”第二专题公路建设中草原环境及湿地保护措施研究子题三 一维持湿地生态系统功能的公路排水系统设置研究为依托，通过对该区域 典型地区进行多井、多时段的抽水试验和地下水位观测，探讨若尔盖湿地保护 区地下水运动特征。 1 2 湿地及地下水研究与发展 1 2 1 湿地研究 人类对湿地的认识最初起源于沼泽，我国对湿地的认识则最早可以上溯至 商周。最初对湿地的研究可以追溯n 1 7 世纪。t 6 5 2 年，g b o a t e 最早阐述了沼 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水运动特征 泽的分类；到1 9 世纪8 0 年代以前，湿地研究一直处于以泥炭利用为主的萌芽时 期。1 。进入1 9 世纪8 0 年代后，湿地研究逐渐形成一定的规模，这时人们对湿地的 研究开始由感性到理性，并走向综合化和系统化；研究对象主要集中在欧洲的湖 泊和沼泽上，这个过程一直持续到2 0 世纪5 0 年代。从2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代， 湿地研究得到了很大的发展，研究的中心也从欧洲转向北美加拿大和美国等国 家和地区，研究内容从滨海盐碱沼泽、红树林以及淡水湿地研究扩展到河口湿 地、海滨湿地等研究。1 9 8 2 年，在印度召开了第一届国际湿地会议，标志着全球 湿地研究进入了一个新的发展阶段。w j mi t s c ha n dj g g os s e l i n k 在1 9 8 6 年合作撰写了w e t l a n d s ( 湿地) ，该书的出版填补了湿地科学的空白。 我国对湿地的研究起步于2 0 世纪5 0 年代，当时研究的主要对象是沼泽和湖 泊。这个期间，我国对湿地的研究主要集中在对沼泽和泥炭资源、长江中下游 浅水湖泊水生生物以及海岸和河口三角洲的综合调查。随后，一大批调查研究 成果相继出现，出版了中国沼泽( 1 9 8 3 ) 、中国沼泽研究( 1 9 8 8 ) 、中 国湿地研究( 1 9 9 5 ) 、中国湿地植被( 1 9 9 9 ) 等一系列重要文献。“。湿地研 究进入了一个蓬勃发展时期。 当前，国际对湿地的研究主要集中在以下几个方面o 川：( 1 ) 湿地的基础 研究，即湿地分类系统、分布、发生学及演化规律和湿地过程的研究，以及自 然湿地和人工湿地生态系统结构与功能研究；( 2 ) 湿地应用技术研究，即湿地 保护技术，湿地恢复重建模型，持续利用技术及管理技术研究、湿地效益评价 指标体系和湿地与水旱灾害关系等的研究；( 3 ) 湿地资源的保护与合理开发利 用研究，即注重湿地生物多样性保护以及区域湿地保护研究，特别是已退化的 湿地生态系统整治、恢复及重建技术的研究等；( 4 ) 人为管理和开发对湿地生 物多样性影响的研究、湿地的环境调节功能与生物多样性价值研究；( 5 ) 湿地对 全球变化的影响研究等。 国内当前湿地研究的前沿则主要集中在“1 ：( 1 ) 湿地生态系统研究，包括 对横断山区沼泽与泥炭研究”1 、三江平原以及海岸河口和青藏高原的典型湿地 物质循环和地球化学结构的研究。“”、红树林生态系统研究“”；( 2 ) 湿地与全 球环境变化研究，主要是湿地碳、氮、氧、硫等元素循环和温室气体与全球环 境变化的研究等“”；( 3 ) 湿地可持续发展研究，湿地环境变化的现代过程、 第一章引言 湿地资源的合理利用、湿地生态系统的管理、立法与保护等“”2 “。我国的湿地 研究正逐步与国际接轨。 1 2 2 若尔盖湿地研究现状 一直以来，我国对湿地的研究主要集中在东北三江平原区湿地、长江中下 游地区湖泊及河口湿地以及沿海的滨海等湿地，而对若尔盖湿地的研究相对较 少。其中较早的先后有柴岫，郎惠卿、孙广友、张文芬等”1 对若尔盖高原沼泽 类型植被演替以及生态环境变化开展了研究。 近年对若尔盖湿地的研究逐渐升温，但研究对象主要集中在该区的植被、 土壤、生活于该区域的动物、该区整个生态系统的结构和功能、若尔盖地区的 生态旅游等等，而对该区水的研究特别是地下水的研究少有涉及。田应兵等 采用野外调查和室内分析结合的方法研究了若尔盖高原湿地生态恢复过程中土 壤有机质的数量、分布及质量变化，并采用野外调查方法研究了若尔盖高原湿 地不同生境下的植被类型及其分布规律；河池全等o ”通过川西北高寒湿地的自 然概况及其形成原因，分析了该区湿地的主要生物多样性价值，提出了相应的生 物多样性保护和可持续利用对策；杨旭煜。”等对若尔盖沼泽区的野生动物资源 进行了综合调查；梅燕。”通过对若尔盖湿地的旅游资源的分析，提出了若尔盖湿 地生态旅游资源保护性开发的对策；杨永兴。”剖析了沼泽区生态环境恶化、沼 泽退化与人类活动干扰、自然因素作用的关系，阐明人类活动干扰是沼泽区生态 环境恶化、沼泽退化的主要原因。周绪纶“1 结合自己现场考察及9 1 5 地质队的部 分地质资料，探讨了若尔盖红原地区湿地退化及灾变的水文地质原因是局部含 水层和水盆结构被破坏，以及不合理的抽取地下水。 1 2 3 地下水运动研究 1 2 _ 3 1 地下水运动研究发展 人类利用地下水已有几千年的历史，但对地下水运动规律的认识却经历了 一个漫长的历史过程。在1 9 世纪以前、还谈不上对地下水进行科学的定量计算。 1 8 5 6 年，法国人达西根据水在砂中的渗透试验，提出了水在孔隙介质中的层流 线性渗透定律，即著名的达西定律。这个定律是定量认识地下水运动的开始。 一4 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水运动特征 1 8 6 3 年，裘布依( j d u p u i t ) 以d a r c y 定律为基础，结合天然状态下含水层中 地下水稳定运动的特征，推导出了地下水单向和平面径向稳定流公式，奠定了 地下水稳定运动的理论基础。裘布依公式的出现，对当时水文地质计算理论的 发展和生产实践起了推动作用，直到今天仍有定的实用价值。但稳定流理论 仅仅是在特定条件下，地下水运动经过较长时间所达到的一种平衡状态，它不 包括时间这个变量，因而不能反映不断发展、变化的地下水实际运动状态。 随着地下水开发利用规模的扩大，地下水运动状态随着时间不断变化，稳 定流理论在这方面是无能为力的，这就促进了非稳定流理论的产生和发展。 1 9 2 8 年，迈因策尔通过试验研究，说明承压含水层是可压缩的，且具有弹 性，并说明由于抽水，承压水头下降，含水层产生释水；1 9 3 1 年，温策尔根据 大量长期观测资料分析，解释了潜水含水层中发生非稳定运动过程与含水层被 疏干等有关。迈因策尔、温策尔在三十年代初就为承压水和潜水的非稳定运动 准备了比较丰富的实践基础：而热传导理论的发展又为非稳定流理论准备了数 学工具，这样为非稳定流理论出现打下了基础。 1 9 3 5 年，泰斯( c v t h e i s ) 在此基础上提出了地下水流向承压水井的非 稳定流公式。t h e i s 公式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元。 1 9 4 0 年雅各布( c e j a c o b ) 提出了承压含水层弹性释水理论。紧接着1 9 5 4 年，博尔领( n s b o u l t o n ) 提出了重力疏干给水理论，并发表了潜水非稳定 流第一公式。1 9 5 5 年，汉图什( n s h a n s t u s h ) 和雅各布提出了越流承压含水 层的越流理论，进一步发展了非稳定流理论。1 9 5 9 年，汉图什提出了定降深非 稳定流抽水公式。1 9 6 1 年，汉图什又提出了非完整井非稳定流抽水公式。1 9 6 3 年，博尔顿提出了滞后给水理论，并发表了潜水非稳定流第二公式，进一步改 进了潜水非稳定流理论。1 9 6 4 年，汉图什提出了考虑强透水层释放水的非稳定 流抽水公式。1 9 6 7 年，帕帕多布洛斯( i s p a p a d o b u l o s ) 首先提出了考虑抽水 井容量的非稳定流抽水公式。1 9 6 9 年，纽曼( s p n e u m a n ) 年l 威瑟斯庞提出了 双层承压含水层、越流含水层水流通用理论。1 9 7 2 年，纽曼提出了潜水含水层 的延滞反应理论；三年后，他又提出了潜水含水层的非稳定流理论。从而逐渐 形成了泰斯一博尔顿一汉图什一纽曼的非稳定流抽水试验的理论与方法。他们 的研究极大地丰富了地下水运动理论的内容。 第一章引言 我国对地下水的大规模研究是从上世纪5 0 年代开始的。1 9 5 8 年，张有龄对 稳( 定) 流与非定稳流抽水试验进行了理论分析，最早引入了非稳定流抽水试验 的理论。在此后的几十年里，我国水文地质工作者在地下水运动方面做了许多 工作，并在求解新方法上做了大量探索和研究。 2 0 世纪8 0 年代至现在，地下水的研究重点逐渐从水流转向水质，在解决人 类面临的众多资源一环境问题中发挥着关键作用。”，从而开拓了地下水研究的 新视野。 1 2 3 2 描述地下水运动的数学模型 1 基本微分方程 地下水运动的数学模型是用一组数学关系式来刻画地质体地质条件和水文 地质条件的数量关系和空间形式，从而反映所研究地质体的地质、水文地质条 件和地下水运动的基本特征，达到复制或再现一个实际水流系统基本状态的目 的。”。这包括两方面的内容：描述地下水运动的微分方程、定解条件。 目前，描述地下水运动方程( 不管是稳定的还是非稳定的) 都是基于质量 守恒定律的连续性方程建立起来的，即： 一降+ 掣+ 剡a x a y a z = 未b 酬m - ， l 孤a ya zi a f ” 。7 式中，为p 水的密度，n 为孔隙度。 对于承压水，其基本微分方程形式如下： 未( 置警) + 专卜警1 + 未( k 警) = 雎鲁 ( 1 _ 2 ， 描述潜水运动的基本微分方程是b o u s s i n e s q 根据裘布依假设给出的。对有 入渗补给的潜水含水层中地下水非稳定运动的基本方程： 旦f h 塑1 + 一w ：旦塑 ( 一维) ( 1 3 ) 和 孤孤j kkm 杀( 罢 + 专卜等1 + 詈= 告警仁缈 ( 1 4 ) 在无入渗补给条件和柱坐标系中其基本微分方程形式为： 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水运动特征 世陪卜警 + h 警i = t 警 s ， 为了从大量可能解中求得和所研究特定问题相对应的唯一的特解，还需要 提供上述偏微分方程本身所没有包括的一些补充信息，即定解条件。它们是。”： ( 1 ) 方程中有关参数的值方程中总是包含一些表示含水层水文地质特征 的参数，如导水系数r 、贮水系数口等，有时还包括表示含水层所受天然或人 为影响的源汇项w ； ( 2 ) 渗流区的范围和形状； ( 3 ) 边界条件即渗透区边界所处的条件，用来表示水头日( 或渗流量q ) 在 渗流区边界上所应满足的条件，也就是渗流区内水流与其周围环境相互制约的 关系； ( 4 ) 初始条件就是在某一选定的初始时刻渗流区内水头日的分布情况。 一个或一组数学方程与其定解条件加在一起，就构成了一个描述某实际问 题的数学模型，通过这样的模型就可以用来再现一个实际水流系统。 2 潜水运动 潜水向完整井的非稳定运动与承压水情况相比较具有不同的特点。在潜水 含水层中抽水时，潜水面是一个随抽水时间不断变化的可动边界，这就决定了 潜水向完整井运动的的复杂性。这些复杂性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 在潜水含水层中抽水时，近井范围地下水流具有明显的三维流特征， 因而需顾及渗流速度的垂直分量； ( 2 ) 在潜水含水层中，由于厚度是时间t 及井径r 的函数，因此导水系数z t = 删( h 为含水层厚度) 也是t 和r 的函数； ( 3 ) 在潜水含水层中抽水井抽取的水主要来自含水层的疏干，但含水层的 疏干并不是随着水位降低而立即发生、瞬时完成的，所以在潜水含水层中抽水 时，含水层具有“滞后疏干”或“延迟给水”的特点。 1 9 6 0 年沃尔顿根据从潜水含水层中抽水所得到的实际水位降深历时曲线 进行了“三阶段”分析： 第一阶段，为抽水初期。这一阶段的持续时间可只持续几分钟，水位降深 随抽水时间的延续而增大。降深历时曲线特征和承压含水层的泰斯曲线相一致。 第一章引言 即潜水含水层对抽水的响应与无越流补给、贮水系数很小的承压含水层的响应 相同。这是由于抽水引起的潜水面下降不能通过重力排水瞬时疏干含水层，疏 干落后于水位下降，井中抽出的水主要是来自水头降低而引起弹性贮存的瞬时 释放，水流特征为水平运动。 第二阶段，为水位下降的中间阶段。该期间水位下降随时间的变化有稳定 的趋势。反映在降深历时曲线上，明显地偏离泰斯曲线，斜率趋近零，出现短 时间的稳定状态。降深历时曲线的这一特征与有越流补给时承压含水层的标准 曲线相类似。此时潜水含水层对抽水的响应和有越流补给的承压含水层的响应 相同。这是由于疏干水量开始起作用，井中抽出的水是由沿垂向缓慢移动的琉 干水量供给，潜水含水层似乎得到一种补给，使潜水面降落速度减慢，出现水 位暂时的稳定状态。 第三阶段，为水位下降的后续阶段。这个阶段的降深一时间曲线又与泰斯 曲线重合。说明重力排水已跟得上水位下降，迟后疏干影响逐渐变小，可以忽 略不计。抽水量来自重力排水，降落漏斗扩展速度增大。此时，给水度所起的 作用相当于承压含水层的贮水系数决定于含水层的条件。这一阶段可以从抽水 后的几分钟到几天后开始。 近年来，国内外对潜水含水层的井流有了许多研究，取得了一些成果，但 至今尚未有能同时考虑上述三个特点的、在潜水含水层中抽水时计算地下水向 井运动的公式。 3 主要求解模型 当前，描述潜水非稳定运动的数学模型主要有三个，即近似的泰斯模型、 b o u l t o n 模型以及纽曼模型。 ( 1 ) 近似的泰斯模型 承压含水层中，地下水向完整井运动的方程是依据下列假设条件建立的： a 含水层均质、各向同性、等厚、隔水底板水平埋藏，含水层侧向无界； b 没有垂直方向的渗入或越流补给，抽水前潜水面水平，从水平隔水底板 算起的水头初值为如； c 近井范围内呈三维流，只有当抽水井的降深与含水层的厚度相比不大 时，才可忽略渗流速度的垂直分量，三维流简化为二维流； 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水运动特征 d 定流量抽水，其水量来自含水层的瞬时疏干，渗流服从达西定律； e 井径无限小。 在上述假设条件下，抽水后将形成以井轴为对称轴的下降漏斗，其降深 j = f ( r ，t ) 应满足下式 3 2 s1 i g s i t 3 s a ，2 。r 西 rm 因为初始水头是水平的，即当t = o 时，在渗流区内任何一点的水头是常数， 降深为零。在远离漏斗中心的地方 根据d a r c y 定律有 降深也为零，l i m 。d s ：0 。抽水井处 r - - * ud ， 烛篆 这样单井定流量的承压完整井流，可归纳为如下的数学模型 其解为 厂鲁+ ! 妻：譬至 f o 。 。 似( 1 1 3 ) l ls ( r ，o ) = oo r 0 ( 1 1 5 ) l l 耐r 羚篆 伽 m 峋 其解为 s = 杀r 秘e 1 卜+ 骂竽咖：m 寺x 卜 m 忉 式中：广定流量抽水，距抽水井为r 处t 时刻的降深： 第一章引言 盯塑竽otto_r2(1+x2)-4rx2 v = 厚= 胨譬 d ：、三疏干因素( 量纲为l ) ； v 掣 i z + 贮水系数5 “给水度； 上延迟指数； j o ( x ) 第一类零阶b e s s e l 函数。 b o u i t o n 潜z k 完整井流标准曲线卵。图i 一2 。 t h ew sj l l i 线 一j 一 一一 n 。l i 歹 彳鬟 _ ：彳矿 缮豸覆 t h e l s i l # 够 夕”一 一 图1 2 b o u i t o n 潜水完整井流标准曲线 ( 据t ap r i c k e t t ) ( 3 ) 考虑流速垂直分量和弹性释水的n e u m a n 模型 其假设条件为： a 含水层均质各向异性、侧向无限延伸，坐标轴和主渗透方向一致，隔水 层水平： 一1 n 0 y 四川大学硕士学位论文 若尔盖湿地保护区地下水运动特征 b 初始潜水面水平； c 水流服从d a r c y 定律； d 完整井，定流量抽水； e 抽水期间自由面上没有入渗补给或蒸发，潜水面降深和含水层厚度相比 小得多，因此在建立潜水面边界条件时可忽略水头对x ，y 的导数或对，的导 数。 t 眵料k 鲁钒享 s ( r ，z ，0 ) = 0 s ( o o ，z ，t ) = 0 k ：未s ( r ，正，。，r ) = 一未s ( r ，。，r ) 嘞肛挚= 一轰 0 z h o o 0 式中， k ，水平径向渗透系数： k ，垂向渗透系数； 从贮水率； 给水度； 日。潜水流初始厚度。 通过积分变换，可求得上述定解问题的解。降深胡；无量纲参数( 卢，d ，z 。，t ，) 表示为： 如，z ，归艺r 4 州妒z ，陋，+ 善啪，p m z s ， 式中： ) 峋 蚴 叫 四 0 0 q 0 厂，、 第一章引言 啪，= 击黠耥若将 啪，= 群耥鲁黼 其中， 。，。分别为下列两个方程的根： o y o s h ( t o ) 一( y 2 一r ；) c h ( r o ) = 0昧 y 2 回，几s i n ( n ) + ( y 2 + 露) c o s ( 以) = 0 此处，( 2 n - 1 ) 昙 n 7 r n 1 盯= 管，k = 鲁，z 一= 毒 = 争 卜孝一= 争玉h a a = 象卜万一2 矿川2 2 蔬 当抽水井和观测孔都是完整井时，由式( 1 - 2 3 ) 式确定的观测孔中的降深 s ( r ，t ) 包括三个独立的无量纲参数0 ，口和t ( 或功。一般地讲，它们不能绘在一 张图纸上。为了便于作图，必须减少独立参数的个数。为此，设远小于， 令0 = 0 ，使独立参数减为两个，得到两组标准曲线，见图1 3 。 图卜3潜水完整井流标准曲线( 定流量) ( 据sp n e u m a n ) 四川大学硕士学位论文若尔盖湿地保护区地下水运动特征 1 2 3 3 非稳定流求解方法 研究地下水运动规律的主要方法有数学模型法和物理模型法。计算机的广 泛应用使数学模型法得到迅猛发展并占据了统治地位，求解方法主要有解析法 和数值模拟法。解析法是用数学上的积分法或积分变换等方法直接求数学微分 方程的解，是渗流研究的传统方法；数值模拟则是通过计算机用离散化的方法 求解。虽然数值法适于求解条件比较复杂的问题，是进行区域地下水开采及资 源评价的一种有效方法，也为地下水渗流计算做出了卓越的贡献，但是用数值 法求解地下水渗流的定解问题，仅仅是给出了求解区域中有限个离散点的水头 值，并且对井孔附近的水位计算容易产生较大误差；而解析法因其理论的严密 性、能直接反映渗流机理、计算公式的物理概念清晰，能够获得求解区域内任 一点的精确解等特点，在国内外仍得到广泛的应用。 应用解析解求取含水层参数的方法主要有配线法、直线图解法。”、切线法、 微分图解法、试验法、迭代和拟合优化法”“。配线法是根据观测的降深时 间曲线与标准曲线对比，从而求得相关参数。它的主要优点是，能较充分地利 用实测数据，减少观测误差的影响，尤其当实测的降深曲线偏离泰斯公式而服 从其他公式时，就可在图上直观地看出来。配线法的不足之处是，当实测的降 深值变化不大时，会给配线带来很大的随意性，影响计算结果的精度。当u o o l 时，可利用简化的求解公式求解，其降深s 与l g t 、s 与衄、s 与蹭t ? 均呈线性关系，利用它们的直线斜率和该直线在零降深线上的截距可求得水文 地质参数。直线图解具有作图和计算简便的优点；但由于受条件的限制，常使 某些数据特别是抽水时间短或距抽水井远的观测孔的数据点偏离直线段而无法 利用。 随着科学技术的发展，一些新的技术方法也运用到水文地质求参计算中。 h u a n g ( 1 9 9 6 ) 利用非线性最小二乘法和有限差分牛顿法( n l n ) 确定了潜水含水 层的水力特征参数：陈喜等“( 1 9 9 8 ) 根据潜水井流降深时间过程分为前、后段 分别采用单纯形法在计算机上自动优选潜水含水层系统参数；l e n g c h ( 2 0 0 3 ) “”利用扩展的卡尔曼滤波器和三次样条函数插值推求了潜水含水层系 统的参数；除此以外，人工神经网络运用于水文地质参数的求解得到了一定的 应用和发展h 3 卜m 1 ，模拟退火算法m m 7 也在近年逐渐兴起，遗传算法m 卜咖也逐 第一章引言 渐应用于水文地质参数的求解中。遗传算法是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的 通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。它是通过在模型群体中做有结构的、 随机的信息交换，开发和利用群体中最适应环境的成分，以形成具有某些智能 特点的搜索能力，在搜索过程中只需讲算目标函数，并利用复制、交换、突变等 操作，使优胜者繁殖，劣败者消失，一代一代地重复同样的操作，最终找出最 优解。 1 3 研究目的及意义 若尔盖湿地在1 9 9 8 年8 月被国务院批准为国家级自然保护区，保护对象 主要为高寒沼泽湿地及其黑颈鹤等野生动物。该保护区位于四川省阿坝藏族羌 族自治州若尔盖县境内，涉及辖曼、唐克、嫩洼、红星