Numerical simulation and environmental impact prediction of karst groundwater in Sangu Spring Basin,China

The changes of development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin have made the original groundwater resource evaluation unable to meet the needs of future economic development. Based on analysis of existing data, combined with the characteristics of supplement, runoff and draining of regional karst groundwater, the Visual Modelflow software was used to build a numerical simulation model of Sangu spring Basin. The amount of karst groundwater resource and groundwater environment of the Basin were evaluated under different exploitation schemes, and the changes of karst groundwater environment in the future ten years were also predicted. The fitting error which is less than 0.5 m between the calculated value and measured value of the water level in the fitted borehole accounts for 93%. For the lithologically and structurally complex Sangu Spring Basin, the fitting effect of numerical simulation model was ideal. On the basis of the current mining amount of 111.80 million m³/a, the total redistributed exploited amount in the spring region was 61.79 million m³/a. Under the condition that the quantity of recoverable resources reached 173.59 million m³/a and under different precipitation schemes, all constraint conditions were satisfied, such as regional water level drawdown, maximum allowable water level drawdown in every simulated water source area and the flow rate of Guobi Spring. The results will provide a scientific basis for the rational development and utilization of karst groundwater in Sangu Spring Basin.     

泉域地下水数值模拟及泉流量动态变化预测

本文对位于岩溶地区的小南海泉泉域地下水进行了数值模拟和水平衡分析,全面分析了降雨、河、渠、库地表水系入渗对地下水动态变化的影响,模拟了泉流量动态变化与区域地下水关系.在此基础上,分析了不同气候条件和开采方案对泉流量的影响.模型计算结果表明,小南海泉流量多年平均相对变化率与降雨量多年平均变化率基本一致,减少泉域地下水开采量,特别是矿坑排水可有效地增加枯期泉流量.     

北京房山应急水源地地下水数值模拟及河流渗漏量预测

以北京房山岩溶水应急水源地为例,采用等效连续介质体概化地下水流系统,建立地下水流数值模型,评价地下水源汇项,分析地下水系统特征。运用MODFLOW中的河流（渠）子程序包,刻画地表河流和泉水与地下水的交换关系。经参数识别和验证,计算结果与实测数据拟合较好,能够比较准确的模拟水源地岩溶水系统。模拟和预测结果表明,水源地地区地下水与地表水联系密切,应急开采后,地下水系统由向河流排泄转变为河流渗漏补给地下水,可为应急水源地合理开发利用提供科学依据。     

划分地下水源地保护区的数值模拟方法

本文提出了一种划分地下水水源地保护区的方法,首先用地下水模拟系统中的MODFLOW建立研究区的数值模拟模型,获得地下水流场;然后再将水源地划分为3级保护区,用MODPATH确定各保护区的范围;最后根据国家饮用水标准,采用MT3D确定主要污染质在保护区中的可释放阈值,并给出了应用实例。     

基于地下水压力波传播过程的泉水流量灰色系统模型

根据岩溶地下水的运动特征,提出了岩溶地下水压力波形成与传播的概念模型,运用灰色系统理论建立了岩溶地下水的水文模型,包括泉水流量对降水量水力响应时间的求解方法及泉水流量对降水量的响应模型,并以山西柳林泉为研究对象,建立了泉水流量对泉域内不同区域降水量的水力响应时间求解模型。结果表明,泉域南部岩溶裸露区的水力响应时间为1年;泉域北部岩溶覆盖区的水力响应时间为7年,所得结论与泉域地质构造一致。基于南、北二区的水力响应时间,建立了带有时滞的描述泉水流量与降水量关系的GM(1,3)模型,模型回代检验的平均误差为6.05%;模型预测检验的平均误差为12.19%。研究证明,岩溶地下水的运动过程是压力波的形成与传播过程,泉水流量是地下水系统对大气降水的响应;水力响应时间是反映岩溶地下水压力波特性的主要参数,通过它可以实现对岩溶地下水过程的定量化描述和含水层的非均质性识别,基于岩溶地下水压力波传播原理建立的泉水流量对泉域内降水的响应模型可以比较准确地模拟泉水流量,为岩溶地下水资源的开发利用和保护提供了基础资料。     

济南市岩溶泉域地下水化学特征与水环境演化

分析山东省济南市趵突泉泉域的岩溶地下水水化学特征与水环境,揭示各化学指标的区域分布特征、时间变化特征以及相互转化关系,总结出济南地区地下水环境现状与演化规律。结果表明:济南市岩溶地下水水化学类型自东南向西北沿流场方向为:HCO3?SO4-Ca→HCO3?SO4-Ca?Mg→HCO3-Ca→HCO3-Ca?Mg;地下水NO〖_3^-〗-N浓度总体呈增高趋势,总硬度和TDS浓度较高,农业种植区大量使用化肥农药和企业污染物的排放,是引起济南市岩溶地下水水环境问题的主要原因。      

Optimization and rationalization of karst groundwater resource in Feicheng Basin,China

Feicheng Basin is an important energy base in Shandong Province, China. The Ordovician limestone is the main aquifer for water supply in the basin. As a result of the current practice in which individual water users control the exploitation of the karst water, the regional groundwater level has dropped more than 30 m over the last 20 years. The groundwater is overdrawn in approximately 300 km² because of the poor management from 1981. A numerical model with distributed parameters is developed for the karst aquifer to help properly manage the water resource and sustain its utilization. The responding matrix method is used to couple the prediction model and the management model. The objective of the modeling exercises is to obtain the maximum amount of water while keeping the water level drawdown within an acceptable level. The optimum management scheme is selected among two proposed designs. The recommended measures from this study include (1) improvement of water use efficiency in industries, (2) comprehensive utilization of the water pumped from the mines, and (3) improvement of the irrigation practice. When the domestic water supply and corporates water demand take the top priorities, the numerical modeling provides a useful tool to help with the rational distribution of the karst water resources among different water users.     

基于数值模拟的岩溶地下水源保护区划分技术研究

以山东省邹城市某岩溶水源地为例,研究数值模拟方法在岩溶地下水水源地保护区划分中的应用,以及水文地质参数对于水源地保护区划分结果的影响。基于GMS软件构建了研究区三维非稳定流地下水数值模型,采用质点追踪技术,通过反向追踪示踪粒子在运移100 d、1 000 d以及25 a后的位置及迁移轨迹,对该岩溶水源地进行保护区划分;改变数值模型中的主要水文地质参数,以变化后的保护区面积作为衡量参数敏感度的指标,并计算各参数的敏感度系数,研究水文地质参数对于保护区划分范围的影响。结果表明:当参数改变幅度在20%范围内时,一层垂向渗透系数(VK1)的敏感度系数最大可达到2.63×10-3,二层垂向渗透系数(VK2)的敏感度系数最大可达到3.64×10-3;垂向渗透系数的敏感度明显高于其他参数,说明垂向渗透系数对保护区划分范围的影响最大。因此,在应用数值模拟法对岩溶地下水源地进行保护区划分时,应尤其注意模型中各含水层垂向渗透系数取值的准确性和合理性。      

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

大武水源地岩溶地下水开采动态数值模拟分析

综合考虑大武水源地复杂的水文地质条件,运用三维数值模拟技术,采用断层带状剖分方法,在大武水源地建立了地下水流动的三维数值模型.模型采用任意多边形网格有限差分法求解,把断层带作为单独的水文地质参数分区参与模型运算,较好地刻画了断层的性质,模拟计算水位结果与观测水位资料拟合检验效果良好.为了保证大武水源地岩溶地下水能够合理的持续开发利用,在此模型基础上和在不考虑上游太河水库放水条件下,模拟计算得出了平水段和枯水段水源地地下水的允许最大可开采量分别为39.7万m3/d和26.2万m3/d.     

北京张坊地区岩溶地下水运移富集的构造控制分析

北京西山张坊地区碳酸盐岩集中分布,地下水赋存于复杂的构造裂隙网络中,形成岩溶裂隙水。文章从构造空间分布的属性和规律出发,分析了在张坊地区褶皱构造格架控制的岩溶水文地质单元内,地下水赋存富集规律与多期构造演化产生的一系列北东-北西向、南北向断裂及裂隙网络的制约关系。研究表明,本区断裂经历了侏罗世逆冲推覆活动与白垩世的伸展构造,先压后张两期构造作用的叠加,形成了多条区域性断裂,其导水性能大为增强。裂隙中频度较大的NE和NW向是优势裂隙,表现出构造节理的共轭特征,多高倾角或直立,导致雨水的直接下渗;在裂隙交汇带构成了区域地下水的径流通道和存储空间,控制了白岱、甘池-长沟、高庄-石窝富水区的形成以及岩溶泉的出露,具有重要的供水意义。     

张集煤矿灰岩含水层数值模拟及涌水量预测

为了正确评价淮南煤矿张集煤矿灰岩含水层对煤层开采的影响,探明详细的水文地质条件,本文利用–536 m水平放水成果资料,利用GMS建立了张集煤矿C3I 组灰岩含水层水文地质模型及其数值模型,经识别和验证后,获得了灰岩含水层水文地质参数,并结合“突水系数”,进行数值模拟分析,计算水文地质参数,预计灰岩疏水量,并利用数值模拟参数分别模拟计算了–536 m、–565 m 水平、–566 m水平的安全开采下的疏放量,依据此次计算结果,给张集煤矿采煤过程中灰岩水的防治提供了一定借鉴。     

裂隙岩溶含水系统溢流泉演化过程的数值模拟

本文利用非连续裂隙网络介质模型,耦合水动力条件和碳酸盐溶蚀动力条件,建立岩溶含水系统演化的数学模型,并用数值法进行模拟分析。在已建数值模型基础上,构造了两组实例模型(降水入渗补给的裂隙岩溶含水系统和河流补给的裂隙岩溶含水系统)来研究裂隙岩溶系统中溢流泉早期演化过程。模拟发现,裂隙岩溶含水系统演化过程中,裂隙不断被溶蚀拓宽,致使系统中潜水位不断下降,许多小泉被疏干;同时不同裂隙之间存在溶蚀差异,在潜水位及优势通道附近的裂隙溶蚀速度快,而其它位置则相对慢得多,差异溶蚀促使系统形成优势溶管,优势溶管逐渐袭夺水流,形成大泉。另外对比两模型发现,降水入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道从汇向源发育;而河流入渗为主要补给源的裂隙岩溶含水系统,泉管道则由源向汇发育。      

河西走廊地下水系统数值模拟中的几个问题探讨

本文依据河西走廊地下水系统的特点,探讨数值模型中几个关键问题的处理方法,涉及含水层系统结构的概化、河流与地下水的相互作用、潜水蒸发、泉群的处理以及由断层形成的地下水瀑布模拟等问题.以酒泉盆地为例,研究了数值模型在区域地下水系统演化与动态预测中的应用.     

北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系

形成中国北方岩溶的地层主要为奥陶系马家沟组石灰岩和中元古界蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩。上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌主要形成于雾迷山组中,岩溶洞穴发育在马家沟组和雾迷山组中。大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河连为一体,称为石花洞系。石花洞系发育在北岭向斜东北扬起端的马家沟组顶部,与南面的周口店猿人洞系隔着房山闪长岩体。石花洞系中8层不同海拔高度的溶洞可以和永定河的8级阶地进行对比,也可以和8个华北地文期对比,代表了与之相互对应的北京西山新构造隆升的期次。     

北京西山岩溶洞系的形成及其与新构造运动的关系

形成中国北方岩溶的地层主要为奥陶系马家沟组石灰岩和中元古界蓟县系雾迷山组硅质条带白云岩。上新世石林与第四纪岩溶陡壁组合成的房山地貌主要形成于雾迷山组中,岩溶洞穴发育在马家沟组和雾迷山组中。大石河南岸从上游至下游依次分布鸡毛洞、银狐洞、石花洞、清风洞和孔水洞,由一条地下暗河连为一体,称为石花洞系。石花洞系发育在北岭向斜东北扬起端的马家沟组顶部,与南面的周口店猿人洞系隔着房山闪长岩体。石花洞系中8层不同海拔高度的溶洞可以和永定河的8级阶地进行对比,也可以和8个华北地文期对比,代表了与之相互对应的北京西山新构造隆升的期次。     

岩溶高原地下水径流系统垂向分带

大量的矿产资源采掘、地质勘探、洞穴探测、示踪试验等揭露和观测研究发现地下水径流系统的分带性是客观存在的.根据含水层的埋藏条件、地下径流的空间形态、地下水动力性质、地下水循环深度和流程的差异,岩溶高原地下水径流系统垂向上可划分为:浅循环径流带、深循环径流带2大类,进一步划分为:表层径流带、垂向渗流带、季节波动带、潜水—承压水径流带及层状承压径流带、带状承压径流带6个分带.岩溶高原地下水径流系统分带主要由地层沉积旋回、地质构造切割及组合、地形地貌起伏变化、岩溶发育分带特性所决定.     

鲁中南泰莱盆地岩溶地下水赋存特征和找水规律

结合泰安市岱岳区水文地质调查资料和实施27口钻井发现:在鲁中南泰莱盆地西部山区,碳酸盐岩裸露,崎岖不平的峰丛谷地、峰丛洼地地貌导致水力坡度大,地下水沿构造断裂呈线状快速径流,地下水非饱和,无统一水力联系,岩溶地下水分布极不均匀成为钻井取水的难点,寻找有利蓄水构造成为钻井找水关键;在盆地东部和南部靠近河谷的缓丘平原覆盖型岩溶分布区,水文地质单元上处于地下水径流排泄区,岩溶地下水丰富且呈层状、面状分布,水力联系密切,滞流形成饱水带,利于钻井开采地下水资源,但应着重关注火山侵入岩等隔水岩层的展布情况,综合分析岩溶含水层厚度、地下水水位和汇水条件。     

Characteristics of karst groundwater system in the northern basin of Laiyuan Spring area

Guided by the theory of groundwater system, based on the groundwater level data from the northern basin of Laiyuan Spring area, the authors took into account factors such as the lithology, geological structure and topography to study the relationship between groundwater recharge, runoff and drainage in this area. It was concluded that the infiltration of atmospheric precipitation is the main source of groundwater supply in this area; the upper layer of the Spring area is distributed with the Cambrian-Lower Ordovician karst water, and the lower layer is filled with the Jixian system karst water. The upper layer of karst water supplies to the lower layer of karst water or the pore water in loose strata through the fault while the lower layer of karst water runs to the three strong runoff belts from the east and west sides of the watershed, southwards into the basin, partially replenishing the pore water in loose strata, or forming fault Springs (e.g. Nanguan Spring, Beihai Spring) when dolomite movement encounters faults. Replenished by atmospheric precipitation and the upper and lower layers of karst waters, the pore water in loose strata joins the groundwater in the southern basin and then flows eastwards, in the end it flows out of the system in Shangfanpu. Through the analyses of groundwater level data and hydrogeological drilling data, based on groundwater D and 18O isotope test results, the karst groundwater circulation system in the northern basin of Laiyuan Spring area is further verified, which provides hydrogeological basis for water resources development and utilization as well as protection in this area.     

人工神经网络(ANN)模型在地下水资源预测中的应用研究

分析了地下水系统影响因素的复杂性，提出对于研究程度不能满足分布参数模型计算要求的研究区域，更适于从系统的观点出发、建立适宜的集中参数模型，从整体上分析研究，以解决相关问题。结合沈阳市地下水资源评价与管理实例，尝试应用人工神经网络(ANN)技术在水资源系统模型研究中的新模式。构建了基于BP算法的ANN降水量和蒸发量的预测、地下水水位动态模拟、预测及开采量优化方面的应用模型，结果表明模型精度满足要求。