各向异性承压含水层地下水流半解析数值模拟

运用半解析数值分析理论和伽辽金法,构建了满足隔水边界条件的地下水降深试探函数,提出了隔水边界条件下层状各向异性承压含水层中地下水流的有限层方程,完善了地下水流计算的有限层法。在利用数值算例的解析解和有限差分解验证了有限层法的正确性基础上,进一步探讨了有限层法求解各向异性含水层、多层结构含水层、越流含水层中地下水流问题的适用性。研究表明:半解析数值方法适于层状承压含水层中地下水流问题的分析,在求解效率上较传统全局离散数值方法具有明显的优势。     

抽降承压水引起的地层二维变形解析研究

基于Biot固结控制方程以及完全承压含水层和越流承压含水层中完整井抽水的特点,应用平面应力假设模型,Laplace积分变换技术,求解得到了完全承压含水层及越流承压含水层侧向无限延伸两种情况下,抽降水引起的水位降深解析解,并应用土力学原理,获得了两种条件下的完整井抽水引起地层的二维变形解析解。利用该解析解可以计算在稳定流和非稳定流抽水作用下承压含水层的径向和竖向变形,为准确计算抽灌承压水引起的水位降深及地层沉降提供理论依据。     

封闭式路堑U型槽结构抗浮设计水位计算方法探讨

封闭式路堑U型槽结构作为纯地下建筑,抗浮问题非常突出。本文以北京某封闭式路堑U型槽结构工程为例,在对场区进行水文地质条件分析及远期最高水位预测的基础上,建立适用的水文地质概念模型及地下水流定解数学模型,使用FEFLOW软件建立了场区三维数值模拟模型,利用该模型进行抗浮设计水位预测。模型建立过程中考虑了场区各含水层的非均质性及场区潜水最高水位接近自然地面的工程特点。     

基于Neuman理论获取潜水含水层系统参数的简化方法

本文通过对考虑流速垂直分量和弹性释水的Neuman潜水完整井流模型解析解的数值分析,给出了模型的数值计算过程,并结合加速遗传算法(AGA)获取了潜水含水层系统参数,通过应用实例表明,可以取得很好的参数估算效果,并且对比传统配线法可知:所得结果与配线法结果近似一致;利用参数计算的降深与实测降深的拟合优于配线法;不必分抽水初期、末期分别拟合,避免了配线法初期和末期导水系数不一致的问题;实现了利用Neuman潜水流模型获得参数的自动优选,简化了参数估计过程。     

地震地下流体监测井水文地质参数求解与分析

地震地下流体监测井监测的是承压含水层中渗流的变化,这种变化是由渗透系数和导水系数反映出来的,其精度的高低直接影响着地震预测的准确性。本文简述了配线法、直线图解法、水位恢复法及数值模拟法求解承压含水层水文地质参数的原理与步骤。结合具体工程实例,从基本理论、计算过程、计算精度、资料收集等方面对几种求解方法进行了对比研究,为不同工作条件下选择合理的求解水文地质参数方法提供一定借鉴。     

武汉古河道承压水井流理论及在基坑降水中应用

在分析武汉市古河道特殊水文地质条件的基础上,建立古河道水文地质模型,将古河道承压水井流问题概化为带状承压含水层中地下水向抽水井的运动问题;然后结合镜像法原理,引入吉林斯基势函数,推导出古河道承压、承压-无压完整井稳定流解析表达式。基于此,将其应用于基坑降水工程中,提出适用于古河道承压含水层中基坑涌水量计算方法;最后以武汉梨园广场地下停车场深基坑工程为例进行计算分析,并将结果与传统方法计算结果和实际监测数据分别进行对比,结果显示所述计算方法所得结果与基坑实际涌水量相对误差仅为7.4%,而采用传统大井法相对误差达到54.5%,验证了所提出计算方法的合理性。研究结果对于认识古河道承压含水层地下水井流规律以及指导基坑降水设计具有重要意义。     

二元结构含水层悬挂式帷幕深基坑降水计算方法研究

帷幕结合基坑内降水的方案是深基坑工程中地下水控制的主要趋势,而至今业内对悬挂式帷幕降水条件下的设计尚无统一的计算方法。本文以汉口长江I级阶地某基坑工程为实例,基于二元结构含水层特点,提出了承压—无压条件下的修正大井法,并分别运用修正大井法、半封闭承压含水层非稳定流半解析法和数值模拟等方法,对不同帷幕深度条件下基坑涌水量和降深进行了计算,并开展对比分析。研究结果表明:承压—无压修正大井法较其它大井法更能刻画二元结构基坑降水帷幕的实际作用;半封闭承压含水层非稳定流半解析法在小程序辅助下,可实现水位降深的计算,且与数值解吻合度较高,可满足此类基坑降水设计的便捷计算需求。     

考虑非均匀表皮效应的承压稳态井流差分解

鉴于现有的井流模型理论通常将竖井井周的表皮层视为各向同性、厚度竖向均匀分布,与工程实际不符合,其对承压层水头降和竖井产能的计算和分析产生较大误差,笔者考虑了井周表皮层非均匀分布、竖向越流作用和承压层各向异性,建立了相应的承压含水层地下水稳态井流模型,采用有限差分方法,将三维渗流偏微分方程转化为矩阵微分方程,通过矩阵理论求得承压层渗流数学模型的半解析解。应用数学软件编制程序,将得到问题解应用于实例分析,结果表明:承压层表皮层扰动区半径、渗透系数及其竖向分布形态对承压层水头降及竖井产能都有明显的影响。     

基于Neuman理论的神经网络优化确定水文地质参数

针对利用非稳定流抽水试验资料确定潜水含水层参数传统方法的不足,系统分析考虑垂直分量和弹性释水的Neuman潜水井流模型解析解的基础上,利用实码加速遗传算法(RAGA)和自适应BP神经网络模型相结合对Neuman潜水井流模型解析解进行优化求解,提出确定潜水含水层水文地质参数的Neuman-BP法。以计算实例表明,Neuman-BP法不需分抽水时间———降深过程的前、后段分别进行参数确定,避免了前、后段所求导水系数T的不一致,既充分利用了抽水试验数据,又获得了较高精度的参数,简化了参数确定过程。     

数值模型中无界边界的转化

地下水系统数值模型都要求模拟域为有界且边界条件是已知的。本文引入计算边界将无界含水层划分为有界的研究域和半无界的非研究域两个子空间 ,通过求解非研究域定解问题确定计算边界的边界条件 ,使无界含水层转化为有界的研究 (模拟 )域。这个方法应用到轴对称井流和二维平面流数值模型中无界边界条件的转化。     

复杂巨厚第四纪松散沉积层地区深基坑降水三维渗流场数值模拟——以上海地铁4~#线董家渡段隧道修复基坑降水为例

针对长江三角洲地区分布有复杂巨厚第四纪松散沉积层,且具有较高的承压水位,其深基坑降水的模拟、预测难度大。以上海地铁4#线董家渡段隧道修复基坑降水为例,建立基坑降水三维渗流模型,并采用有限差分数值模拟方法,模拟在多层含水层复合存在、含水层最深底板埋深达150 m、基坑周围挡水连续墙埋深达65 m、抽水井埋深达59 m、抽水井过滤器埋深为44～59 m及30口抽水井联合降水情况下,基坑中心下伏第2承压含水层中部降压段水位降至埋深43.35 m时的地下水复杂流动状态。经后续工程验证,该结果正确、可靠,该理论用于模拟预测此类地区深基坑降水引起的地下水流场变化具有较高的可信度。     

地下水位变化的数值模拟新方法

 尽管地下水数值计算技术和计算方法发展很快,地下水数值模拟仍然存在着大量的理论问题和实际问题需要研究解决,仍有很多局限性,由此可知,地下水模拟过程中充满了各种各样的不确定因素。如何利用和改进现有技术,减少模型的不确定性,提高数值模拟过程的有效性和预测结果的可靠性,是该研究领域具有挑战性的问题之一。在传统地下水数值模拟的基础上,提出一种预测地下水位变化的新的方法。该方法可以在拥有较少现场资料的情况下,对地下水水位的变化直接进行的预测。本研究的创新点在于减少模拟过程及模型校正过程中对输入数据的需求,简化边界条件;同时引入反复迭代方法求解控制方程,减少计算误差。该研究成果应用到实践中去,可以大大提高对地下水位的预测能力,此项研究及其成果将对水资源管理产生重大影响,对岩土工程设计及施工提供指导。     

南水北调供水前后北京西郊地区地下水流场趋势预测研究

本文对北京西郊南水北调受水区进行了地下水数值模拟和流场趋势预测,为其地下水合理开发利用提供了依据。首先建立了研究区水文地质概念模型,将模型概化为潜水含水层和承压含水层。运用地下水模型软件GMS建立了地下水数值模拟模型,并对模型进行了模拟和预测。预测结果表明,在南水北调供水前,地下水位持续小幅下降;南水北调供水后,地下水储存量增加了4．2×10^8m3,地下水位平均上升幅度为6．24m。其中,在研究区北部地下水集中开采区地下水上升幅度最大,一般为8—10m,在研究区南部上升幅度较小,一般为3～4．5m。     

柱坐标系下地下水非稳定流模拟的有限层法

在柱坐标系下,利用贝塞耳函数和基函数提出了满足地下水流动边界条件的降深试探函数;采用伽辽金法原理,推导了层状非均质各向异性越流承压含水层中地下水非稳定流的有限层方程,建立了地下水流动的有限层分析方法。在此基础上,编制了相应的计算程序实现了有限层方程的求解。经典算例的解析解与有限层解的对比分析验证了本文方法的正确性和有效性。     

Modelling of recharge and pollutant fluxes to urban groundwaters

Urban groundwater resources are of considerable importance to the long-term viability of many cities world-wide, yet prediction of the quantity and quality of recharge is only rarely attempted at anything other than a very basic level. This paper describes the development of UGIf, a simple model written within a GIS, designed to provide estimates of spatially distributed recharge and recharge water quality in unconfined but covered aquifers. The following processes (with their calculation method indicated) are included: runoff and interception (curve number method); evapotranspiration (Penman-Grindley); interflow (empirical index approach); volatilization (Henry's law); sorption (distribution coefficient); and degradation (first order decay). The input data required are: meteorological data, landuse/cover map with event mean concentration attributes, geological maps with hydraulic and geochemical attributes, and topographic and water table elevation data in grid form. Standard outputs include distributions of: surface runoff, infiltration, potential recharge, ground level slope, interflow, actual recharge, pollutant fluxes in surface runoff, travel times of each pollutant through the unsaturated zone, and the pollutant fluxes and concentrations at the water table. The process of validation has commenced with a study of the Triassic Sandstone aquifer underlying Birmingham, UK. UGIf predicts a similar average recharge rate for the aquifer as previous groundwater flow modelling studies, but with significantly more spatial detail: in particular the results indicate that recharge through paved areas may be more important than previously thought. The results also highlight the need for more knowledge/data on the following: runoff estimation; interflow (including the effects of lateral flow and channelling on flow times and therefore chemistry); evapotranspiration in paved areas; the nature of unsaturated zone flow below paved areas; and the role of the pipe network. Although considerably more verification is needed, UGIf shows promise for use: in providing input for regional groundwater solute transport models; in identifying gaps in knowledge and data; in determining which processes are the most important influences on urban groundwater quantity and quality; in evaluating existing recharge models; in planning, for example in investigation of the effects of landuse or climate change; and in assessing groundwater vulnerability.     

Dimensionierung wasserwirtschaftlicher Vorranggebiete in Kies-Grundwasserleitern unter Berücksichtigung von Schadstofftransport

Delineating of areas surrounding designated drinking water protection zones provides an administrative tool for preventing groundwater contamination. This delineation can be difficult for gravel aquifers due to their extended catchment areas and high groundwater flow velocities. A practical approach is proposed based on a combined consideration of aquifer characteristics such as surficial cover, recharge rate, surface area, groundwater flow velocity and those for common contaminants (transport, sorption and degradation behaviours). The possibility of applying this method to delimit the broader III and III B protection zones is also suggested.     

Ermittlung des Grundwasserdargebotes der Berliner Wasserwerke mittels regionaler numerischer Grundwasserströmungsmodelle

Using available observed and digital data from the hydrogeological systems within the Berlin region, two regional numerical groundwater flow models were developed using a common methodology. These models encompass for the first time an entire area of about 1,300?km² of the groundwater flow system within the common sub-surface catchment area of the Berlin water works. The hydrogeological model and the model aquifers were developed using a unique approach from the available hydrogeological maps and sections of the Geological surveys from Berlin and Brandenburg. The numerical models were calibrated using equipotentials of the pumped aquifer for representative conditions of groundwater extraction as well as using hydraulic information. The models were applied to predict the groundwater yield of eleven water works for the Berlin government water agency.     

地下水开采导致总应力变化对地面沉降的影响

地下水开采引起总应力的变化特征取决于所采地下水所处的层位。本文以抽取典型多层含水层系统不同层位的地下水为例,分别计算出了潜水含水层、弱透水层和承压含水层中总应力的表达式,得出了抽取不同层位地下水总应力的变化规律,并且根据有效应力原理,分析不同层位的有效应力变化特征,最后结合有效应力与地面沉降量计算之间的关系式,归纳出抽取不同层位地下水时总应力的变化对地面沉降的影响。通过分析得出,抽取承压含水层地下水(仍处于承压状态下),总应力不随抽水发生变化;而抽取潜水层的地下水,总应力是变化的。本文最后通过数值试验的方法验证了抽取潜水含水层中的地下水,总应力随着抽水时间逐渐减小,地面沉降量也会随着总应力的下降而减小。并且计算得出在600天的模拟时期内,总应力变化较总应力不变的情况下,累积沉降量要小将近30%。     

上海地区的承压含水层降水设计方法

简要论述了上海地区的地下水对地下工程建设的主要不利影响。提出了承压含水层降水概念设计新方法,包括安全承压水位埋深的修正计算公式、承压含水层降水方案的选用原则等。归纳、总结了针对不同水文地质条件与降水工程特征的承压含水层降水设计计算方法。工程实例表明,合理、可行的降水方案能够保证承压含水层降水效果与有效控制降水引起的周边环境变形。