数值模拟方法在隐伏岩溶水源地保护区划分及污染治理中的应用

文章以北京市东南郊大兴迭隆起隐伏岩溶水子系统内的两个水源地（大兴念坛水源地与通州龙旺庄水源地）为例,研究数值模拟方法在隐伏岩溶地下水水源地保护区划分中的应用。研究基础为基于GMS建立的包括第四系与岩溶含水层在内的三维非稳定流地下水数值模拟模型,采用的主要技术手段为质点追踪技术,结合溶质质点迁移100 d与1 000 d的距离划分水源地的一级与二级保护区,并提出相应的污染防控措施。研究得出,对于隐伏岩溶水大部分来自上覆第四系松散孔隙水越流补给的情况,岩溶水源地保护区即是上覆松散含水层的保护区范围,应加强第四系孔隙含水层地下水污染的防治,以保护岩溶水不受污染。      

渭北西部黄土塬隐伏岩溶区地下水资源评价及其开发利用研究

通过野外调查及已有资料的收集分析,划出了渭北西部黄土塬隐伏岩溶区不同类型的岩溶泉域系统,采用数值模拟技术模拟以及理论频率计算方法,计算出各泉域系统的开采资源量,提出了岩溶地下水的合理开发利用方案。      

大兴迭隆起隐伏岩溶水资源评价及开采方案预测

大兴迭隆起地区隐伏岩溶地下水是北京市的重要水源,为保障水源地能持续为大兴、通州地区提供优质的城镇生活用水,需对研究区岩溶地下水进行水资源评价和开采规划预测分析。利用数值模拟法,应用GMS模拟软件对研究区岩溶水系统进行地下水流数值模拟及水位变化预测。建立的岩溶水系统模型分为5层,模拟验证期为12年9个月。由模型评价的岩溶水系统补给资源量为14 425.74×10^4m3/a,可开采资源量为14 310.52×10^4m3/a,其中岩溶含水层可开采量为2 309.36×10^4m3/a。在模型识别验证后,分4种开采方案对水源地进行开采预测,通过对典型观测孔水位过程线拟合和研究区水均衡分析可知,按2020年之前维持现状开采,2020年后停采念坛水源地,2025年后全区按可开采量进行开采的开采方案最为合理,可分批逐次实现水源地的采补平衡。     

陕西渭北东部岩溶水环境同位素

陕西渭北东部岩溶水系统是一个复杂的地下水系统，碳酸盐岩大面积隐伏与深埋。使用传统手段和方法勘查岩溶地下水和研究可持续开发利用方案遇到诸多困难，不仅费时，而且耗资大。本文通过系统分析研究陕西渭北东部地区岩溶地下水T、D、^180、^14C环境同位素特征，揭示岩溶水的补给迳流排泄条件、岩溶水系统边界性质以及岩溶水与黄河洛河地表水、黄河岩溶泉与洛河岩溶泉之间的补排关系。结果显示环境同位素方法简便有效，能够达到预期目的。     

北京西山黑龙关泉域岩溶水系统边界与水文地质性质

北方岩溶水系统具有固定补给范围和资源要素,是岩溶地下水进行独立循环的基本单元,控制了岩溶水的运移富集、水化学演化特征、资源构成以及环境地质问题。开展岩溶水系统研究的首要任务是确定系统边界位置及其水文地质性质。以北京西山黑龙关泉域岩溶水系统为研究对象,采用地质学、岩溶动力学、流体动力学、水文地球化学、地球物理勘探等方法,确定黑龙关泉域岩溶水系统是由南部大石河背斜岩溶水子系统和北部百花山向斜南翼岩溶水子系统2个次级系统组成;其含水岩层分别为蓟县系铁岭组、雾迷山组和青白口系景儿峪组、奥陶系、寒武系碳酸盐岩。根据边界的水文地质性质可以划分为地表分水岭边界、地下分水岭边界、隔水边界、岩溶含水层深埋滞流性边界等类型。     

大兴迭隆起隐伏岩溶水资源保护措施分析

以大兴迭隆起地区隐伏岩溶含水系统为研究对象,通过对地质、水文地质条件、地下水开发利用现状的分析论述,从水均衡的角度利用反算法开展资源计算评价,评价结果显示基岩岩溶水处于严重超采状态,并进一步结合岩溶水补径排条件分析了按照目前开采状况将可能引起的环境问题,从可持续利用角度提出大兴迭隆起岩溶地下水的保护措施。     

昆明吴家营岩溶水系统边界的水文地球化学分析

西南岩溶水系统边界条件复杂,其中水头隔水边界在水动力条件改变的情况下具有不稳定的隔水特性。文章以昆明吴家营岩溶地下水系统为例,通过水化学组分动态序列图解法、数理统计法及水文地球化学模拟等方法对研究区边界特性进行了研究。研究结果表明该岩溶水系统水动力条件丰水季优于枯水季,并存在与边界外发生水力联系的越流通道;丰水季时岩溶槽谷区地下水在高水力梯度的驱动下向下绕过玄武岩隔水层,通过下部阳新灰岩对系统内岩溶水进行越流补给,枯水季受深部滞流阻水影响,越流补给现象不明显;由此得出此类水头边界的隔水特性会随水动力条件的改变而具有动态响应特征。研究成果对当地岩溶水资源量的评价和合理开发利用提供科学依据。      

根据地面塌陷寻找隐伏岩溶水的经验

主要介绍在石灰岩分布地区广东省英德市寻找隐伏岩溶水的多种经验方法。根据地面塌陷的成因、特点以及找水标志，设计供水井位，寻找岩溶水，取得了较好的成果。研究和利用这些经验，对于寻找隐伏岩溶水具有较大的实际意义。     

北方岩溶大泉地下水系统的圈划:以太原盆地东西山地区为例

运用地下水系统分析理论, 以山西省太原盆地东西山地区为实例, 利用GIS技术对区内岩溶大泉地下水系统进行了圈划.运用岩相古地理、地质构造和水文地质分析方法, 首次提取了研究区岩溶含水系统的区域隔水底板等高线、边山断裂两壁投影图及岩溶水系统图等定量或半定量水文地质信息, 圈划出了东西山岩溶水系统的局部饱水带、饱水带和碳酸盐岩非饱水带.研究结果表明, 西山地区兰村泉、晋祠泉属于同一个岩溶子系统; 西冶泉岩溶子系统是相对独立的岩溶水系统; 东山基岩山区大部分属于娘子关泉岩溶子系统, 且东山岩溶水子系统与盆地地下水有密切水力联系而与兰村泉-晋祠泉岩溶子系统无直接关系.这些为模拟盆地地下水系统和评价北方岩溶地下水资源提供重要的科学依据, 对前人就太原盆地边山岩溶水系统边界的确定和内部结构的划分提法有了新的认识.      

古堆泉岩溶地下水系统特征及系统圈划

古堆泉是汾河流域内唯一的中低温地热泉,研究其水文地质特征、划定岩溶地下水系统边界是进行岩溶地下水资源评价和地热水成因研究的基础。通过对古堆泉岩溶地下水系统的地质结构特征、水文地质结构特征和岩溶地下水循环演化规律分析,初步圈划了古堆泉岩溶地下水系统及其子系统。研究结果表明：系统内地质结构复杂、火成岩侵入和隐伏断裂发育,总体上可以将其概括为南北和东西向均"三隆三陷"的地质格局;古堆泉岩溶地下水主要接受塔儿山、二峰山及中条山碳酸盐岩裸露区的降水入渗补给,南梁泉和海头泉是系统内2个岩溶地下水的局部排泄点,古堆泉是最终排泄点。根据水文地质结构特征和岩溶地下水循环特征确定了古堆泉岩溶地下水系统边界及其水文地质性质,圈定的古堆泉岩溶地下水系统面积为2 942 km²,并进一步将其划分为4个相对独立的岩溶地下水子系统：塔儿山-九原山古堆泉岩溶水子系统、佛岭山-高显海头泉岩溶水子系统、中条山南梁泉岩溶水子系统、侯马盆地深循环岩溶水子系统。     

柱状危岩体崩塌产生涌浪的物理试验与数值模拟分析

柱状危岩体是三峡库区常见的一种典型地质灾害隐患,其崩塌产生涌浪给库区航运、旅游、生产生活以及人员财产造成巨大威胁和损害。文章基于野外柱状危岩体的成生及运动边界条件,开展了颗粒柱体崩塌产生涌浪的物理试验和数值模拟。结果表明:该数值模型能较好地模拟崩塌涌浪的形成过程、矢量信息以及与水体的相互作用;速度曲线定量地展示了能量的传递;物理试验和数值模拟涌浪高度偏差约3~4 cm;数值模拟堆积区堆积角比物理试验大5%;比前缘运动距离小7%。为柱状危岩体崩塌产生涌浪灾害的预测和预警提供了重要依据。      

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用领域的研究等。     

高效优化非分裂PML边界二阶标量波方程数值模拟方法

卷积完全匹配层（convolution perfectly matched layer,CPML）吸收边界是一种高效处理波动方程数值模拟中人工边界反射波的方法。本文基于传统的一阶系统CPML吸收边界条件推广并推导了新的二阶系统CPML边界条件（NCPML）。与常规二阶系统CPML边界条件不同,新边界条件推导的核心思想是在复数-频率域中忽略部分衰减因子空间变化特性,避免其在时间域产生复杂卷积算子,然后反变换至时间域得到基于CPML吸收条件的二阶标量波方程,并应用于二阶标量波方程数值模拟。均匀介质模型测试验证了NCPML吸收条件在内存使用上相对于常规二阶系统CPML与SPML（split PML）吸收条件更少。在对人工边界反射的吸收效果上,NCPML稍逊色于常规二阶系统CPML,但二者均相对于SPML优势明显。最后通过层状模型和Marmousi模型测试验证了NCPML的稳定性及其在效率上的优势。     

黄土暗穴对路面结构变形响应的影响分析

基于动力学基本方程,运用有限单元法（FEM）和NEWMARK隐式积分方法,对动荷载（FWD荷载）作用下路基下伏黄土暗穴对路面结构变形响应的影响进行了弹塑性数值分析。考虑到人工截断边界上波反射对计算结果的影响,分别用传递边界和半无限单元来处理侧面和底面边界。主要考虑了动荷载周期、暗穴洞径和埋深3个影响因素,并在计算结果的基础上分析总结了它们对路面结构变形响应的影响规律。     

裂隙岩体流-热耦合传热的三维数值模拟分析

通过对潘西煤矿水文地质条件的分析,基于裂隙岩体的流-热耦合数学模型,描述了裂隙岩体渗流场分布和水流及岩体的温度场分布,并结合边界条件及计算参数对裂隙岩体的流-热耦合传热进行了数值模拟和分析。数值模拟结果表明,岩体内裂隙水流所引发的热量迁移,对裂隙岩体的温度场分布有重要影响。断裂带及地下水流的存在改变了岩体的原有温度场分布。在渗流初期,温度梯度矢量沿渗流方向向两侧岩体方向流动,由于两侧岩体的渗透性系数低于断裂带处的渗透性系数,右侧等温线及温度梯度矢量方向逐渐向渗流方向移动,改变了两侧岩体的温度场分布。通过对断裂带内裂隙水流渗透性系数的折减,分析渗透性系数发生变化时对岩体温度场分布的影响,渗透性系数越大,伴随的热量迁移增大,对岩体的温度场分布的影响也越大。     

曲线坐标系下的完全匹配层吸收边界条件

在地震波数值模拟中,需要采用吸收边界条件以吸收人为边界反射。本文针对曲线坐标系下的二阶弹性波方程提出了一种完全匹配层(PML)吸收边界条件。与直角坐标系下的PML吸收边界条件类似,曲线坐标系下的PML吸收边界条件是一种在频率域中给出的人工边界条件,由相应的复坐标变换得到。在变换到时间域后,完全匹配层中将出现复杂的卷积运算。为了避免这些卷积运算,引入了4个中间变量。为了简化自由边界条件,采用正交贴体网格对起伏地表模型进行网格剖分。数值算例表明,该方法可以有效消除人为边界反射。     

Summary and Prospects of Numerical Simulation Research of the Atmospheric Boundary Layer

As an important bridge between the underlying surface and the free atmosphere, the atmospheric boundary layer is not only closely related to the development of various weather processes, but also plays a key role in local and regional weather and climate changes. In view of the complexity of the atmospheric boundary layer, the numerical simulation of the atmospheric boundary layer has always been a hotspot and difficulty in the numerical simulation research of the atmosphere. In this paper, the three numerical model development stages of the atmospheric boundary layer in recent decades were summarized and the important advances in arid and semi-arid areas, Tibet Plateau, urban complex underlying surface, and special typhoon boundary layer were reviewed. At present, there are still five scientific problems to be solved urgently, including cloud and boundary layer interaction, boundary layer parameterization, model resolution, boundary layer data assimilation and boundary layer development mechanism. Moreover, it was pointed out that in this field we need to strengthen the understanding of different types of atmospheric boundary layer processes, boundary layer bottom and top interface exchange, boundary layer development mechanism in special regions, improve boundary layer parameterization scheme and give full play to the advantages of LES in boundary layer simulation.     

基于聚类的煤矿井下钻孔瞬变电磁异常响应边界成像方法

为了提高煤矿井下钻孔瞬变电磁反演成像结果中的异常响应边界识别和解译能力,完成掘进工作面前方隐伏水害精准刻画、隐蔽致灾因素精细分析等地球物理解释,提出应用无监督机器学习中的聚类方法分析钻孔瞬变电磁处理成果。根据电阻率数值分布特征和2种聚类方法的特点,选择K-Means聚类算法对电阻率成像结果进行聚合分类;在聚类计算过程中,应用最远距离原则确定类簇的初始质心,选用欧氏距离作为距离计算方法,采用基于组内平方误差和的肘部法则确定聚类数目。针对掘进工作面前方的隐伏水害,分别采用三维数值模拟和井下现场应用实例进行了实用性和有效性验证。研究结果表明:该方法可自动识别最佳类簇数目,对电阻率实现准确聚类,聚类成像结果能改善原始成像模型的光滑过渡问题,突出异常响应边界,清晰显示异常响应形状和位置,有效帮助对钻孔瞬变电磁超前探测反演结果中的隐蔽致灾水体进行识别和归类。      

公路黄土暗穴临界稳定埋深回归的预测方法及其程序实现

基于动力学基本方程,运用有限单元法（FEM）和NEWMARK隐式积分方法,对动荷载（FWD荷载）作用下路基下伏黄土暗穴动力稳定的临界埋深进行了弹塑性数值分析,考虑到人工截断边界上波反射对计算结果的影响,分别用传递边界和半无限单元来处理侧面和底面边界。在此基础上,对利用有限个数值分析结果进行不同洞径及位置暗穴临界稳定埋深的预测方法和步骤进行了分析,提出了一种基于洞径和中心距的双变量临界稳定埋深计算方法,并用VB6.0编制了计算程序LDMC。为验证程序的有效性,用3 m和5 m洞径的暗穴进行了对比分析,表明计算结果具有较高的精度,完全可满足实际工程的要求,同时指出了使用时应注意的问题。     

地下水水平井流的模型及数值模拟方法—考虑井管内不同流态

评述用线汇刻画水平井管可能存在的问题, 并用理想模型证明.提出考虑井管不同流态(线性流与非线性流) 水流阻力的水平井流的模型, 并将内边界取在水平井的出水口处, 避免了采用线汇刻画水平井管时假定其流量分布和水头分布的困难.运用作者提出的等效渗透系数的概念与确定方法, 将水平井-含水层系统视为含有圆柱形透镜体的非均质含水层, 给出新的水平井流的数学模型.求解了一个理想模型, 得出河下水平井开采地下水的动态.