第六章地下水数值模拟模型的应用实例xiugaiPPT课件.ppt

地下水数值模拟模型的应用实例 1 地下水数值模拟模型的应用实例 7 1区域地下水流模型及其应用 太原盆地地下水数值模型7 2地下水水源地可开采资源量评价 宿州市水源地数值模型7 3地下水污染预测研究 嘉兴垃圾填埋场地下水溶质运移模型 2 太原盆地地下水数值模型 7 1 3 太原盆地地下水数值模型 为解决太原盆地出现的各种环境问题 1992年 研究工作者们初步解决了太原市和太原盆地岩溶水与孔隙水统一管理的问题 但由于当时的勘探目标是为农田和城市供水 勘探技术 方法和指导思想相对落后 在勘探过程中缺乏地下水系统指导思想和动态观念 大部分勘察项目以行政区为单元 而不是以盆地地下水系统为单元 导致边界不好控制 水量重复计算 忽略了相邻地区的影响和边山地带裂隙水 岩溶水及地表水 地下水相互作用的调查 同时由于缺乏现代先进的数据处理手段 对于钻孔数据和水土样分析数据 地下水监测数据等资料开发 利用程度很低 地下水系统三维空间结构并没有弄清 4 太原盆地实际钻孔位置分布图 太原盆地立体图 太原盆地结构模型 5 太原盆地孔隙介质三维模型 太原盆地孔隙介质结构三维可视化模型 太原盆地结构模型 6 盆地孔隙介质简化三维模型剖面图 盆地孔隙介质简化三维模型 太原盆地结构模型 7 模型范围 周边界 盆地与基岩山区接触带上界 地表下界 人为边界300m 350m深 地下水流动特征 边山岩溶水补给盆地孔隙水 没有稳定隔水层 参考结构图 盆地内部构成统一流动系统 地下水混合开采 因此属于 三维流系统 二 太原盆地数值模型 太原盆地数值模型研究区域范围 8 模型类型 三维流模型构建思路 1 太原盆地地层结构突出 不存在相对稳定的隔水层 难以划分含水层 2 三维建模将模拟区分为若干层 有人称为物理层 各层可以按岩石含水渗透性确定其含水岩组 或隔水岩组分布 3 边界的处理问题底边界 基岩为不透水边界 第四系人为边界为流量边界 模型识别时确定 侧边界 根据地调院调查确定流量 按边界处渗透系数和水力梯度确定各模拟层流量 二 太原盆地数值模型 9 数值模型网格剖分 10 边界条件及初始条件 通过模拟拟合调试后确定准确的边界流量 边界补给的深度通过钻孔资料确定 把侧向补给量分配到相应的层面上 在模拟的过程中有小部分的流量边界 利用水均衡原理做了适当的调节 以便于后期的模拟 1990年1月初始流场 11 模型参数有 渗透系数及储水系数 分层 10 降雨入渗系数 列出公式 岩性 河流入渗系数 沿河流分段 岩性 水位与河 灌溉入渗系数 平面分出 土面蒸发系数 参数分区及参数取值 12 渗透系数 太原盆地参数分区 13 2 晋阳湖渗漏模数按越流公式计算出湖水渗漏量 再除以其面积 则得晋阳湖渗漏模数 河流入渗 1 汾河入渗系数 14 受岩性 水位埋深土壤含水量 灌溉定额的影响 其值可近似用次降雨量入渗补给地下水系数 次 代替 代替的条件是前十天以上时间无降雨 选取的次降雨量要接近灌溉定额 本区稻田及菜地较多 灌溉量大 故取次降雨量为70 150毫米 灌溉回渗补给地下水系数 灌溉回渗补给地下水系数 取值表 15 蒸发排泄系数 浅层孔隙水埋深分区图 当包气带岩性为亚砂土 亚粘土互层时 蒸发极限深度取3 5米 包气带岩性为亚砂土时 取4米 包气带岩性为粉细砂 亚砂土互层时 蒸发极限深度取4 5米 太原盆地各县各月蒸发量资料 16 模型中 工业及城市生活用水 采用深井取水 农村生活用水均采用浅层面源取水 乡村地区的农业用水 按春灌 夏灌 冬浇把取水量分配到整个区域面积上 人工开采量 17 模型识别校正 方法 采用间接法原则及标准 要求 观测孔水位动态趋势基本一致 地下水流场特征相同 水均衡计算相同对比分析 观测孔水位动态对比结果 流场水位分布对比结果 水均衡对比结果 18 太原盆地观测井的拟合 观测孔分布图 52个观测孔2003年12月16日计算值与观测值的比较图 19 井水位校正对比图 图3 5 b 加密网格 有限差分法计算井水位的校正 图3 5 a 初始网格 20 地下水流场对比 2003年12月第3层实测 2003年12月第3层计算 拟合结果1 流场趋势基本一致2 漏斗等重点开采区能反映实际流场状况3 在盆地边缘的山地还有某些区域水头有出入 利用2003年8月和12月分别在研究区做过的两次水位统测 21 水均衡分析对比 22 太原市地面沉降 太原市地面沉降范围为 北纬37 40 38 00 东经112 25 112 45 北起上兰镇 南至西草寨 西起金胜 东至武宿 包括太原市辖区六个区 尖草坪区 万柏林区 杏花岭区 迎泽区 晋源区及小店区 面积约585km2 图1 1 23 24 新构造运动与地面沉降 图3 2太原地区构造图1 活动断裂2 地垒与凹陷边界 我们依据1981 2000年晋祠地震基准台跨断层I等短水准高程实测资料 BM1 BM3水准点 推算出晋祠大断裂下降盘累计位移量为21 88mm 平均为1 15mm a 这与吴家堡沉降中心的96 18mm a的沉降速率相比 似乎说明该地的构造运动与地面沉降关系不大 25 地下水开采与地面沉降 图3 4不同地点地下水开采量 水位降深与地面沉降对比曲线图 26 图3 3太原市1956 2000年地面沉降等值线与2002年中深层水等水位线关系图 27 28 图4 6潜水水平传导系数分区图 K 图4 7潜水垂直传导系数分区图 Kz 图4 8潜水给水度分区图图4 9第一承压 第二承压含水层垂直传导系数分区图 Kz 29 图4 10第一承压 第二承压含水层水平图4 11第一承压 第二承压含水层贮水传导系数分区图 图4 12第一压缩层弹性释水因子图4 13第一压缩层非弹性释水因子分区图 30 2020 1 27 31 图4 14第二压缩层弹性释水因子图4 15第二压缩层非弹性释水因子分区图 图4 16第三压缩层弹性释水因子图4 17第三压缩层非弹性释水因子分区图 32 图4 18第四压缩层弹性释水因子图4 19第四压缩层非弹性释水因子分区图 图4 20第五压缩层弹性释水因子图4 21第五压缩层非弹性释水因子分区图 33 图4 22第六压缩层弹性释水因子图4 23第六压缩层非弹性释水因子分区图 图4 24第六压缩层弹性释水因子图4 25第六压缩层非弹性释水因子分区 34 由于缺少太原市地面沉降分层观测资料 故本次研究仅对太原市地面沉降的总沉降量进行拟合 图4 35至4 42给出了模型对模拟区7个长观孔1981 2000年的净地面沉降量的拟合结果 其中 实测数据序列由1981 1982 1985 1987 1989 1992 1994 1997 2000年的观测数据内插所得 图4 43 4 44 给出了模型对模拟区1981 2000年的净累积沉降量的拟合结果 模型对模拟区地下水位及地面沉降拟合结果表明 1 模型建立地下水流场 沉降的总体形态与实际的基本吻合 2 计算的开采漏斗 沉降漏斗与实测开采漏斗 沉降漏斗的位置 大小 深度及形态基本一致 3 在实测水位点上 计算水位与实测水位接近 这说明 我们所建立的地面沉降模型是可靠的 35 图4 26S123孔水位动态拟合结果 图4 27449孔水位动态拟合结果 图4 2881122孔水位动态拟合结果 图4 29618孔水位动态拟合结果 36 图4 332000年8月中深层混合水 第一承压 第二承压含水层水位 实测等水位线图 图4 342000年8月中深层混合水 第一承压 第二承压含水层水位 模拟等水位线图 37 图4 3513号沉降点的动态拟合 图4 3618号沉降点的动态拟合 图4 3742号沉降点的动态拟合 图4 3861号沉降点的动态拟合 图4 3618号沉降点的动态拟合 38 图4 3963号沉降点的动态拟合 图4 4065号沉降点的动态拟合 图4 4167号沉降点的动态拟合 图4 4268号沉降点的动态拟合 39 图4 431981 2000年累积沉降量实测等值线图 图4 441981 2000年累积沉降量计算等值线图 40 图4 45第一压缩层压缩量等值线图 图4 46第二压缩层压缩量等值线图 41 图4 47第三压缩层压缩量等值线图 图4 48第四压缩层压缩量等值线图 42 图4 49第五压缩层压缩量等值线图 图4 50第六压缩层压缩量等值线图 43 图4 51第七压缩层压缩量等值线图 综上所述 压缩量最大的层位为第一压缩层 第二压缩层和第七压缩层 西张地区沉降量最大层位为第三压缩层 万柏林 下元地区压缩量最大层位为第一 二压缩层 而吴家堡 小店地区的主要压缩产生在第四 五 六 七层 压缩量的不同不仅与抽水有关 而且与粘性土性质 厚度及其组合密切相关 西张地区隔水层几乎都为粉土 仅有一小部分粘土 含水层厚 隔水层相对较薄 而且隔水层几乎没有互层 七个压缩层中 第三压缩层最厚 所以 西张沉降量与水位漏斗吻合 且最大压缩量在第三层 亲贤 武宿 北营一带细粒土层巨厚 且几乎连为一体 中间只夹有小块含水透镜体 岩性多为粉质粘土 且含砾石 颗粒相对来说较粗 当水位下降时 由于巨厚的粘性土连为一体 土体不易排水 所以虽然水位降落漏斗较深 却没有形成沉降漏斗 吴家堡一带 第一 二 三压缩层巨厚 呈整块分布 前三个压缩层几乎没有互层 当水位下降时 颗粒中的水不易排出 所以沉降量很小 但第四 五 六 七层中粘性土颗粒很细 粘性土层很厚 且多互层 当水位下降时 粘性土很容易排水 且颗粒细压缩量较大 所以吴家堡第四 五 六 七层压缩量很大 44 开采方案预测评价 通过检验分析 模型已经能够比较准确的反映实际流场 应用模型做下列预测 方案1 在现有的补排条件不变的状况下2008年水位变化的预测方案2 根据引黄入晋工程的实施状况 对太原市重点开采区地下水位动态变化的影响 45 1 保持现在的开采量 持续开采到2008年7月份 预测的太原市重点开采区的水位等值线图 保持开采量不变开采到2008年7月份太原市中深层等水位线图 2004年1月份 2008年7月份 46 太原市每天压采30万m3对下水位的影响预测 实现2004年1月压采30万米3 天后到2008年7月份太原市中深层水位等值线 2004年月1月 2008年7月 47 2008年7月份纵向过北坞城 过63 57单元 剖面等水头线图 2008年7月份纵向过介休漏斗 过83 21单元 剖面等水头线图 48 7 2宿州市水源地数值模拟 49 宿州市水源地数值模拟 宿州市位于安徽省最北部 属淮北平原区 雨量较少 水资源短缺 多年平均降水量827mm 境内降雨具时空分布不均 丰枯交替发生 年内分配不均等特点 城区水资源供需矛盾日益突出 水资源开发利用存在较多问题 一是水污染程度加剧 另一方面由于城市规模不断扩大用水量猛增 50 主要研究内容和研究思路 1 查明研究区第四纪地质及地下水系统的空间分布与结构 建立宿州市水文地质概念模型 2 根据以上的水文地质概念模型选择合适的数学模型 最后用GMS建立地下水流数值模拟模型 3 对模型进行调参校正 用检验模型分析预测不同开采方案下流场的变化情况 4 结合实际情况 拟定有实际意义的开采方案并模拟 验证 确定合理开采方案 51 区域概况 自然地理概况 宿州市位于安徽省最北部 与苏 鲁 豫三省十一个县市接壤 宿州市自然条件优越 地势平坦 除少量低山残丘外大部分为冲积 洪积平原 主要河流有新汴河 浍河 沱河 濉河等 多年平均降水量827mm 52 区域地质概况 前第四系研究区域前第四系地层除缺失震旦系上统 上奥陶统至下石炭统 中生界 除侏罗系上统毛坦厂组 的地层外 自震旦系倪园组至第三系均有发育 地表出露的地层以下古生界寒武系为主 且基岩出露的面积较小 大部分都为第四系的覆盖区 53 该区域内第四系地层发育 厚80 100m 北薄南厚 其成因类型主要为冲积 次为冲洪积 宿州市及邻近地区第四系分层简表 区域地质概况 第四系 54 查区第四系自上而下可划分为三部分 各部分的地层岩性 厚度和韵律变化各具特色 反映了不同时期沉积环境的差异及水动力条件的不同 地层结构特征 55 含水岩组的划分根据地下水贮水介质的特征 含水空隙的类型 将本区含水岩组划分为四种基本类型 松散岩类孔隙含水岩组 碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组 碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组 岩浆岩类裂隙含水岩组 水文地质概况 56 表3 1含水岩组划分表 57 图3 1第四系含水层三维结构模型立体图 浅层含水层组埋深在31m以上 是一个开放的含水系统 深层含水层组埋深在43m以 是一个半封闭的含水系统 两个含水层组之间的弱透水层分布不稳定 厚薄不均 在宿州市二水厂等处存在天窗 根据松散砂层及粘性土层中地下水动态的长期观测 浅深层地下水联系密切 水文地质结构 58 地下水的动态及补 径 排 浅层水补给方式有降水 地表水 回灌及侧向补给等 其中以降水补给为主 浅层水动态为入渗 蒸发型 水位年变幅2 0m左右 受地形地貌影响浅层水从西北流向东南 水力坡度1 5500 1 6500 59 研究区深层水与浅层水之间存在较为密切的水力联系 使其动态特征与浅层水一致 天然状态下 地下水位埋深在1 3 3 2m间 年变幅1 6m 其动态的影响因素主要是气象和人为因素 天然状态下 深层含水体呈相对饱和状态 此时损失多为迳流损失 水头压力较大 上部浅层水的越流补给较弱 深层水主要通