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地下水流數(shù)值模擬基礎(chǔ)第七章數(shù)值模型一般步驟及對(duì)勘查資料的要求概念模型(模型概化):對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)地下水流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行概化.指出地下水類型(孔隙水、裂隙水、巖溶水或其他混合)指出含水層類型(潛水、承壓水、潛水-承壓水等)指出地下水流態(tài)(達(dá)西流、非達(dá)西流、穩(wěn)定流、不穩(wěn)定流)指出地下水流場(chǎng)維數(shù)(一維、二維、三維、擬三維等)指出含水層均質(zhì)-非均質(zhì)性特征、各向異性特征用必要的平面圖和剖面圖進(jìn)行輔助說(shuō)明。數(shù)學(xué)模型:用數(shù)學(xué)方程描述實(shí)際問(wèn)題。一旦上述問(wèn)題確定了,就可以將實(shí)際問(wèn)題用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。一、數(shù)值模型研究一般步驟第七章數(shù)值模型一般步驟及對(duì)勘查資料的要求2數(shù)值方法:有限差分法或有限單元法?;诰匦尉W(wǎng)格的有限差分法基于三角形剖分的有限差分法三角形有限單元法程序設(shè)計(jì)或軟件選擇上述數(shù)學(xué)模型是一個(gè)偏微分方程定解問(wèn)題,通常只能用數(shù)值方法求解,常用的數(shù)值方法有:有限差分法和有限單元法。目前有一些軟件可以直接用于求解地下水流動(dòng)問(wèn)題,如果不是自己編寫(xiě)程序,可以選擇合適的軟件,建立數(shù)值模型。如果用軟件,則需對(duì)軟件功能作簡(jiǎn)要介紹,論述軟件的適用性。一、數(shù)值模型研究一般步驟(續(xù))第七章數(shù)值模型一般步驟及對(duì)勘查資料的要求3建立數(shù)值模型網(wǎng)格剖分:根據(jù)確定的數(shù)值方法和軟件,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分。對(duì)于平面二維流問(wèn)題,一般將研究區(qū)剖分成矩形或三角形網(wǎng)格;對(duì)于剖面二維流問(wèn)題,一般也是將剖面區(qū)域剖分成矩形或三角形;對(duì)于三維流問(wèn)題,一般先在垂向上分成若干層,而在每層剖分成矩形或三角形。邊界條件:初始條件:含水層參數(shù):滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)、給水度、孔隙度源匯項(xiàng):降雨入滲、河流補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄、地表水體、溝渠滲漏、灌溉回滲等。一、數(shù)值模型研究一般步驟(續(xù))第七章數(shù)值模型一般步驟及對(duì)勘查資料的要求4模型檢驗(yàn):利用實(shí)際觀測(cè)資料驗(yàn)證模型正確性。將模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際進(jìn)行對(duì)比。主要有以下幾個(gè)方面:流場(chǎng)對(duì)比觀測(cè)孔水頭對(duì)比水均衡對(duì)比模型應(yīng)用建立好的模型由于地下水資源評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)工程應(yīng)用等方面。一、數(shù)值模型研究一般步驟(續(xù))第七章數(shù)值模型一般步驟及對(duì)勘查資料的要求5地下水?dāng)?shù)值模型建模過(guò)程地裂縫地質(zhì)水文氣象及水文地質(zhì)條件邊界敏感性分析數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格化概念模型介質(zhì)類型、結(jié)構(gòu)特征、含水層分布地下水補(bǔ)、徑、排特征數(shù)值模型基本模型的建立邊界條件初始條件源匯項(xiàng)降雨入滲地表水體入滲灌溉、渠系蒸發(fā)排泄人工開(kāi)采介質(zhì)參數(shù)觀測(cè)孔動(dòng)態(tài)擬合流場(chǎng)擬合水均衡對(duì)比分析觀測(cè)孔動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)流場(chǎng)檢驗(yàn)水均衡對(duì)比檢驗(yàn)擬合調(diào)參模型應(yīng)用水資源量評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)開(kāi)采方案研究環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題地面沉降地下水污染研究大型工程對(duì)環(huán)境的影響模型識(shí)別模型檢驗(yàn)識(shí)別結(jié)果不符合要求修正概念模型檢驗(yàn)結(jié)果不符合要求修正概念模型預(yù)測(cè)開(kāi)采方案參數(shù)敏感性分析二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求(一)計(jì)算區(qū)的范圍、邊界條件和地下水流動(dòng)類型的確定(二)潛水含水層底面等高線圖、承壓含水層頂、底面等高線圖以及含水層內(nèi)部巖性分層界面等高線圖資料的收集或編制(三)初始水位的確定(四)邊界條件的確定(五)
源匯項(xiàng)的確定(六)參數(shù)的確定:含水層系統(tǒng)巖性非均質(zhì)性的分層與分區(qū)7二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求(一)計(jì)算區(qū)的范圍、邊界條件和地下水流動(dòng)類型的確定1.勾劃模型范圍的基本原則:在模型范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件應(yīng)當(dāng)基本清楚,或考慮投入新的勘查工作。否則,未知因素過(guò)多,缺乏水文地質(zhì)約束,將來(lái)在模型識(shí)別中增加了多解的可能性;
反演模型的范圍盡可能與正演模型的范圍一致。前者既要考慮后者的需要,也要考慮提供資料的可能性和水文地質(zhì)勘探成本費(fèi)用問(wèn)題。
82.確定計(jì)算區(qū)的垂直范圍、含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及地下水流動(dòng)方程的類型地下水流動(dòng)所涉及的含水層的層數(shù),因而關(guān)系到含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型。含水層系統(tǒng)是單層的還是多層的;含水層是承壓的還是無(wú)壓的,還是承壓一無(wú)壓的;多層結(jié)構(gòu)的層間水力聯(lián)系是面狀越流、“巖性天窗”溝通,還是兩者均有的形式;上部含水層是均質(zhì)結(jié)構(gòu)、二元結(jié)構(gòu),還是多層非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。
二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求(一)計(jì)算區(qū)的范圍、邊界條件和地下水流動(dòng)類型的確定92.確定計(jì)算區(qū)的垂直范圍、含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及地下水流動(dòng)方程的類型確定的垂直范圍、含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu),再分析地下水的補(bǔ)給、排泄〈包括抽水井和礦坑排水等〉形式等因素,可以確定地下水流動(dòng)屬于二維的、準(zhǔn)三維的還是三維的。進(jìn)一步考慮地下水的動(dòng)態(tài)特征,是穩(wěn)定的還是非穩(wěn)定的。
從而把地下水流動(dòng)方程的類型確定下來(lái)。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求(一)計(jì)算區(qū)的范圍、邊界條件和地下水流動(dòng)類型的確定10(二)潛水含水層底面等高線圖、承壓含水層頂、底面等高線圖以及含水層內(nèi)部巖性分層界面等高線圖資料的收集或編制這些等高線主要利用鉆孔資料來(lái)編制或計(jì)算機(jī)成圖。它們用來(lái)計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)和確定給水度的性質(zhì)及取值層位。就后者來(lái)說(shuō),若是承壓含水層,首先比較水頭與含水層頂面的高低,以判斷該層地下水屬于承壓或無(wú)壓狀態(tài),從而選擇對(duì)應(yīng)的彈性給水度μe或重力給水度μd;
若是層狀無(wú)壓含水層,則首先比較該層水位與各層界面的標(biāo)高,以確定μd參數(shù)的取值層位。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求11(三)初始時(shí)間及初始水位的確定地下水不穩(wěn)定流數(shù)值模型要求給出初始時(shí)刻各結(jié)點(diǎn)的水頭值。
通常是通過(guò)觀測(cè)所有觀測(cè)孔、抽水井和有關(guān)地表水體的水位,編制地下水等水位線圖,再對(duì)各結(jié)點(diǎn)插值而得。要注意的是:若結(jié)點(diǎn)處有抽水井,則該結(jié)點(diǎn)水位的取值與抽水井的處理方法有關(guān)。有時(shí),由于計(jì)算區(qū)太大而觀測(cè)孔數(shù)又過(guò)少,特別是山區(qū),不可能繪制等水位線圖。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求12
(四)邊界條件的確定邊界條件是與計(jì)算區(qū)的范圍同時(shí)確定的考慮計(jì)算區(qū)的范圍時(shí),必須同時(shí)確定邊界條件的性質(zhì);反之,邊界的位置一旦確定,計(jì)算區(qū)的范圍自然也就確定下來(lái)了。合水層的邊界分為自然邊界與人為邊界兩類當(dāng)研究的合水層系統(tǒng)(包括弱透水的含水層)與非含水層相接觸時(shí),其界面(線)稱為自然邊界;當(dāng)在含水層系統(tǒng)內(nèi)部劃出一個(gè)界面(線)作為計(jì)算區(qū)的邊界時(shí),這種邊界稱人為邊界。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求13
(四)邊界條件的確定與地下水有水力聯(lián)系的地表水體的水邊線(面),通常取為第一類邊界;地表水的水位就是該邊界處的地下水水頭。
然而,切忌見(jiàn)河流就將其作為第一類邊界處理。例如,我國(guó)北方有些河流,特別是位于沖洪積扇頂部、中部的,往往河水以不連續(xù)的形式補(bǔ)給地下水,使地下水面形成水丘的形態(tài)向兩側(cè)流動(dòng),我們?cè)Q這類形式的補(bǔ)給為“
滲水式補(bǔ)給”
。對(duì)于水平二維飽和流動(dòng)模型來(lái)說(shuō),這類河流的水邊線不能取為第一類邊界;通常將河流對(duì)地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度作為源匯項(xiàng)處理。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求14
(四)邊界條件的確定對(duì)于三維飽和流動(dòng)問(wèn)題,則宜用第二類邊界條件表示這類"滲水式補(bǔ)給"的條件。順便提一下,如果采用三維飽和-非飽和流動(dòng)模型(當(dāng)然,這是對(duì)該條件下地干水流動(dòng)的最真實(shí)的刻畫(huà)),那么這類地表水體的水邊面屬于第一類邊界。由此可見(jiàn),邊界類型的選取并非一成不變,而是與模型的類型(取決于模型的簡(jiǎn)化程度)有關(guān)。河流,實(shí)際上絕大部分都屬于非完整型。如果這類河流排泄地下水或以"注水式"補(bǔ)給地下水,則在河流附近的地下水明顯地呈現(xiàn)出三維流動(dòng)的特征。然而離河流一定距離處,則轉(zhuǎn)變?yōu)槎S流動(dòng)。這種情況下數(shù)值模型如何處理?若按三維流模型建立,則會(huì)大大增加工作量,可能遇到種種困難;若按二維流建摸,則傍河區(qū)的地下水流動(dòng)又如何刻畫(huà)呢?如果河流位于計(jì)算區(qū)中部,通常采用兩種方法處理:一種是將其作為第一類邊界,但傍河局部三維流區(qū)要按上述方法處理。另一種是按源匯項(xiàng)處理。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求15含水層與隔水層、阻水?dāng)鄬拥慕佑|面通常取為零流量邊界,即第二類邊界的特殊情況。
自然界中絕對(duì)隔水的巖層、斷層是不存在的,但是,當(dāng)弱透水巖層、斷層的滲透系數(shù)K或?qū)禂?shù)T很小,以致該邊界的進(jìn)出水量與邊界處結(jié)點(diǎn)控制均衡區(qū)的其它進(jìn)出水量相比可以忽略不計(jì)時(shí),則可視為隔水邊界。因此,取隔水邊界要慎重。當(dāng)?shù)乇硭w和隔水邊界不能將計(jì)算區(qū)自閉起來(lái)時(shí),最好在離水源地或礦區(qū)中心較遠(yuǎn)的弱透水部位
如弱透水?dāng)鄬?、灰?guī)r含水層的巖;在不發(fā)育地段等,取人為邊界。
這里強(qiáng)調(diào)一下,所謂"弱透水邊界"并非自然邊界,而是人為邊界。若含水層巖性比較均一,且分布廣闊,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)弱透水層的存在,則宜在離水源地或礦區(qū)中心足夠遠(yuǎn)處用觀測(cè)孔控制,取人為邊界。
(四)邊界條件的確定二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求16(五)源匯項(xiàng)的確定籠統(tǒng)地說(shuō),
計(jì)算區(qū)內(nèi)所有的點(diǎn)、線和面狀補(bǔ)給和排泄均可處理為源匯項(xiàng)。具體地說(shuō),
可以包括抽水井、排水礦井、泉、河流、灌渠、農(nóng)田灌溉、水塘和水稻田的入滲或排泄。它們的流量或強(qiáng)度應(yīng)有系統(tǒng)的觀測(cè)資料。在多水塘、水稻田的南方,如何確定它們的入滲強(qiáng)度成為水文地質(zhì)勘探中的一個(gè)問(wèn)題。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求17(六)含水層系統(tǒng)巖性非均質(zhì)性的分層與分區(qū)滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)、給水度、孔隙度可根據(jù)巖性結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖溶裂隙發(fā)育程度以及鉆孔簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)、小型抽水試驗(yàn)、等水位線圖和水位動(dòng)態(tài)等資料來(lái)初步劃分。對(duì)于第四系孔隙含水層系統(tǒng)來(lái)說(shuō),一般問(wèn)題不大。但是,對(duì)于裂隙、巖溶含水層,則要認(rèn)真對(duì)待。若分區(qū)劃得不佳,則會(huì)大大地增加模型識(shí)別的過(guò)程。
模型設(shè)計(jì)者應(yīng)出具有較高理論水平和豐富經(jīng)驗(yàn)的水文地質(zhì)工作者擔(dān)任。設(shè)計(jì)者應(yīng)精細(xì)地分析有關(guān)資料,以獲得較符合實(shí)際條件的分區(qū)圖。二、數(shù)值模型設(shè)計(jì)及對(duì)資料和水文地質(zhì)勘探的要求18(一)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(二)抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)(一)含水層剖分注意事項(xiàng)(一)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題19(一)含水層剖分注意事項(xiàng)(1)剖分精細(xì)程度,既要考慮刻畫(huà)水文地質(zhì)條件和集水構(gòu)筑物特征的需要,也要考慮計(jì)算機(jī)的容量與計(jì)算速度滿足求解問(wèn)題的可能。(2)每個(gè)單元內(nèi)含水層參數(shù)要較均一。特別是在礦區(qū)中,當(dāng)巖層傾角較大,地下水水位降深又較大,存在隨時(shí)間而移動(dòng)的承壓流與無(wú)壓流的分界線時(shí),考慮到在該分界兩側(cè)的彈性給水度與重力給水度在數(shù)值上可相差幾個(gè)數(shù)量級(jí),這種條件下,在承壓-無(wú)壓分界線的移動(dòng)區(qū)內(nèi),含水層剖分宜適當(dāng)加密,以便較好地刻畫(huà)給水度這個(gè)參數(shù)的分布。(3)重要工程的地段,水力坡度大的地段,剖分適當(dāng)細(xì)一些。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題20(4)如何對(duì)厚度不大的弱透水層或斷層帶進(jìn)行剖分?一般可采取兩種方法:如果弱透水層具一定厚度,可采取常規(guī)的剖分方法,只是在弱透水層區(qū)段用小單元剖分。它們可作為參數(shù)的單獨(dú)分區(qū)。如果弱透水?dāng)鄬訋Ш鼙?難以剖分出小單元時(shí),則可近似用斷層線〈嚴(yán)格地講應(yīng)是斷層面兩側(cè)含水層連通面各中點(diǎn)水平投影的連線〉將含水層分為兩區(qū),置該線上的結(jié)點(diǎn)為重迭結(jié)點(diǎn),并采用雙編號(hào)(它們的X、Y坐標(biāo)相同)。它們分別與斷層兩側(cè)其它結(jié)點(diǎn)的聯(lián)系采用常規(guī)方法處理,而重迭結(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系則可采取類似越流的方法處理。如果斷層是隔水的,則兩重迭結(jié)點(diǎn)之間無(wú)水力聯(lián)系,各自成為隔水邊界。
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(一)含水層剖分注意事項(xiàng)21(二)巖性天窗”位置的劃定承壓含水層隔水頂板的間隔區(qū)稱為“巖性天窗”。它是上下兩含水層地下水的主要通道。為了較精確地確定主要“巖性天窗”過(guò)水能力的參數(shù),在該“巖性天窗”附近的主含水層和鄰含水層中最好各布置一個(gè)觀測(cè)孔。通過(guò)“巖性天窗”的流量
Qz為式中
Kz為“巖性天窗”的垂向滲透系數(shù);Mz為“巖位天窗”垂向滲流長(zhǎng)度;ω為“巖性天窗”的橫裁面積。H為含水層的水頭值;Hz為鄰含水層的水位值;
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題22然而,“巖性天窗”的橫截面積在勘探中難以控制,ω值不能給定,預(yù)測(cè)時(shí)Qz也就無(wú)法計(jì)算。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,可以把ω與Kz和Mz合成一個(gè)綜合性參數(shù)---稱為“天窗”流量系數(shù)Cz,即在地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)中所要求的參數(shù)也無(wú)須將其分解為kz、Mz和ω,仍然可直接利用“天窗”流量系數(shù)Cz計(jì)算通過(guò)“天窗”的流量,即
Qz=Cz(Hz–H)
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(二)巖性天窗”位置的劃定23在地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)中,特別在礦坑涌水量預(yù)測(cè)中,往往其水頭降深相當(dāng)大,使得地下水由原來(lái)的承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)壓狀態(tài),從而涉及重力給水度μd
這個(gè)參數(shù)。
總之,承壓含水層地下水開(kāi)采后可能轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)壓狀態(tài)的水源地或礦區(qū),其μd
值的獲取應(yīng)在勘探設(shè)計(jì)中預(yù)先加以考慮。
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(三)承壓轉(zhuǎn)化為無(wú)壓24無(wú)壓流動(dòng),或由承壓流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)壓流動(dòng)之后,隨著抽水時(shí)間的延續(xù),滲流厚度將逐漸減小,因而含水層的導(dǎo)水系數(shù)T也發(fā)生變化。這里涉及改變了的導(dǎo)水系數(shù)如何計(jì)算的問(wèn)題。 式中:
Td和Tc為分別是無(wú)壓流和承壓流的導(dǎo)水系數(shù);Zu
和Zl分別是承壓含水層的頂面和底面的標(biāo)高;H為轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)壓流之后的水位。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(三)承壓轉(zhuǎn)化為無(wú)壓25
在巖溶裂隙含水層地區(qū),勘探資料表明,其巖溶裂隙率在垂向上有明顯的變化,從而滲透系數(shù)也隨之而變。如何利用上式來(lái)計(jì)算導(dǎo)水系數(shù)?顯然,問(wèn)題的關(guān)鍵是如何從已知的各分段的巖溶裂隙率有依據(jù)地引出各分段〈層)的滲透系數(shù)Ki。對(duì)于層狀非均質(zhì)含水層-一巖溶裂隙含水層通常被概化為這一類含水層,其導(dǎo)水系數(shù)為
式中:Mi是第i層厚度;N是最上飽和層序號(hào)〈各層由下而上編號(hào))。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(四)巖溶區(qū)導(dǎo)水系數(shù)26(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)
(1)主井位置的選擇主井最好位于未來(lái)生產(chǎn)井的位置,或直接利用生產(chǎn)井或礦井作抽(放)水試驗(yàn)。這樣的設(shè)計(jì),使得滲流主要部位——主井附近的水位降深較大,從而使參數(shù)的計(jì)算較為準(zhǔn)確。其次,由于非均質(zhì)分區(qū)界線與實(shí)際條件難以完全一致,因此所求得的各區(qū)滲透系數(shù),實(shí)際上具平均意義,而平均滲透系數(shù)與滲透途徑有明顯的關(guān)系,同一的某種滲透系數(shù)的分布,如主井的位置不同,其平均滲透系數(shù)也不同。對(duì)于滲流主要部位為非均質(zhì)的情況,求參數(shù)時(shí)與預(yù)測(cè)時(shí)該區(qū)段的流向一致〈主要取決于主井的位置〉是十分重要的。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題27(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(續(xù)1)
(1)主井位置的選擇(續(xù))另外,對(duì)于裂隙巖溶含水層,主井附近的裂隙巖巖溶發(fā)育程度對(duì)平均滲透系數(shù)的影響格外大,故抽水井如能位于未來(lái)生產(chǎn)井或礦坑位置,就可使這些難以考慮的局部非均質(zhì)因素,能夠比較等效地反映到“平均滲透系數(shù)”中來(lái)。對(duì)邊界條件認(rèn)識(shí)上的差異,也同樣存在上述類似的情況。事實(shí)上,人們所確定的邊界條件和參數(shù)等,不可能與實(shí)際的水文地質(zhì)條件完全一致,特別是巖溶裂隙地區(qū)。只不過(guò)是尋找一個(gè)與實(shí)際條件盡可能等價(jià)的模型。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題28(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(續(xù)2)(2)觀測(cè)孔的布置首先說(shuō)明,對(duì)于水平二維流動(dòng)來(lái)說(shuō),觀測(cè)孔可以是完整型的或非完整型的;但是對(duì)于三維流或剖面二維流,觀測(cè)孔必須是測(cè)壓計(jì)式的。一般地來(lái)說(shuō),觀測(cè)孔宜較均勻地分布在全區(qū),每一非均質(zhì)區(qū),特別是對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)的結(jié)果影響較大的區(qū)段,最好設(shè)有觀測(cè)孔;重要“巖性天窗”的上下含水層,最好各有一個(gè)觀測(cè)孔,以提高求參精度;人為邊界處,要相應(yīng)布置觀測(cè)孔,可控制水頭或水力坡度。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題29(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(續(xù)3)(3)抽水試驗(yàn)前水位動(dòng)態(tài)的觀測(cè)利用抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)求含水層參數(shù),不管是用解析法還是數(shù)值法,在抽水試驗(yàn)之前都應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的水位觀測(cè)。兩者的一個(gè)相同的目的是查明是否存在地下水的固體潮效應(yīng),或其它因素。如果所采用的地下水流動(dòng)問(wèn)題數(shù)學(xué)模型均未考慮這些因素所引起的水頭波動(dòng),就需要加以校正。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題30(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(續(xù)3)(4)抽水試驗(yàn)流量設(shè)計(jì)抽水試驗(yàn)一般只需做一次大流量〈最好是定流量〉長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn),不必做“三次降深”試驗(yàn)。若勘探抽水井將作為未來(lái)的生產(chǎn)開(kāi)采井而需確定井損系數(shù)和有效井徑時(shí),則需另作設(shè)計(jì)。
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題31(五)抽水試驗(yàn)設(shè)計(jì)(續(xù)4)(5)大型抽(放)水試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則為了較精確地確定合水層的滲透系數(shù)或?qū)禂?shù),在模擬的范罔內(nèi)水力坡度不能過(guò)??;為了較精確地確定越流系統(tǒng)(包括“巖性天窗”)弱透水層的垂向滲透系數(shù)kz和“巖性天窗”的水平面積,要在模擬范圍內(nèi)該弱透水層和“巖性天窗”的上下兩含水層之間形成一定的水頭差;為了較精確地確定含水層的給水度,要在模擬范圍內(nèi)有一定的水頭升降幅度
(人為的或天然的)。顯然,對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)的觀測(cè)數(shù)據(jù),是不可能反求含水層給水度這個(gè)參數(shù)的。要指出,內(nèi)部無(wú)己知流量項(xiàng)而邊界又全為第一類邊界或(和)零流量邊界的模型,利用觀測(cè)孔水頭信息求得的含水層參數(shù)不是唯一的。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題32(六)抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)
原則上,抽水井可以放在結(jié)點(diǎn)上,也可放在單元內(nèi)。盡可能地放在結(jié)點(diǎn)上。這是因?yàn)椋?/p>
放在單元中的抽水井,按有限單元法最終將其流量分配到該單元的3個(gè)或4個(gè)結(jié)點(diǎn)上,也就是說(shuō),1個(gè)抽水井變成了3個(gè)或4個(gè)抽水井,分解成3個(gè)或4個(gè)虛構(gòu)抽水井對(duì)任一觀測(cè)孔(特別是鄰近觀測(cè)孔)的作用,不可能比原來(lái)單個(gè)抽水井的作用更真實(shí)。泉、礦坑突水點(diǎn)和注水井等點(diǎn)源匯,其情況與抽水井相類似。當(dāng)某結(jié)點(diǎn)處有抽水井或泉時(shí),數(shù)值法所解得的該結(jié)點(diǎn)的水頭值,并非表示該抽水井或泉眼的水位值。若不加特殊處理,抽水井或泉所在結(jié)點(diǎn)處計(jì)算得到的水頭值不能使用。一般情況下,計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)離于實(shí)測(cè)值。不少人忽視了這一重要概念。
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題33(六)抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬設(shè)計(jì)(續(xù)1)
若某單元中放置有抽水井,則此單元結(jié)點(diǎn)上不應(yīng)放置觀測(cè)孔;若這類結(jié)點(diǎn)上已放置觀測(cè)孔,則這些觀測(cè)孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)不得用來(lái)與計(jì)算水位擬合求參數(shù)。在建立地下水流動(dòng)微分方程的過(guò)程中,曾有“水頭下降引起地下水從儲(chǔ)存量中的釋放是瞬時(shí)完成的假定”,這一假定與實(shí)際情況有出入。為避兔這種理論與實(shí)際條件的差異對(duì)參數(shù)確定的影響,抽水初期的觀測(cè)數(shù)據(jù),最好不用來(lái)擬合求參之用。數(shù)值模擬抽水過(guò)程,在抽水初期,抽水井附近結(jié)點(diǎn)的模擬水位通常具明顯的波動(dòng)。這種波動(dòng)顯然違背了抽水過(guò)程的水力實(shí)質(zhì),它是數(shù)值解法本身帶來(lái)的誤差。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō),抽水初期的數(shù)值模擬結(jié)果不宜用來(lái)與實(shí)測(cè)水位擬合求參數(shù)。
三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題34在地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)中的一個(gè)重要任務(wù)是計(jì)算開(kāi)采井中的水位
這是地下水資源評(píng)價(jià)和管理中不可缺少的內(nèi)容。然而,目前一些計(jì)算將未加處理的一般數(shù)值法所得的結(jié)點(diǎn)水位認(rèn)為就是該結(jié)點(diǎn)抽水井的水位。實(shí)際上,如果模型沒(méi)有對(duì)此做特別處理的話,當(dāng)抽水井流量已知時(shí),一般地說(shuō),結(jié)點(diǎn)水位要高于該結(jié)點(diǎn)上的抽水井的水位。預(yù)測(cè)水源地的允許開(kāi)采量和地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)時(shí),如果有人為的定水頭邊界,切忌在此邊界上布置設(shè)計(jì)開(kāi)采井。
也不允許在緊鄰此邊界的單元(即該單元的一邊為人為定水頭邊界〉內(nèi)布置開(kāi)采井,其道理是顯而易見(jiàn)的。
(七)開(kāi)采井中的水位三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題35一些水源地或礦坑建在泉眼附近,對(duì)這些水源地作地下資源評(píng)價(jià)或礦坑涌水量預(yù)測(cè)時(shí),應(yīng)當(dāng)對(duì)由于抽取地下水而引起泉流量的衰減進(jìn)行預(yù)測(cè)。
如果只考慮新設(shè)水源地能采出多少水量,而不預(yù)測(cè)由此引起的泉流量減少多少流量,是不能對(duì)該水源地作出正確評(píng)價(jià)的。同樣,不考慮礦坑排水后會(huì)引起附近泉流量的減少,礦坑涌水量也是難以預(yù)測(cè)的。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(七)開(kāi)采井中的水位36許多水源地,特別是第四系孔隙水水源地,大多是多層含水層越流系統(tǒng)
水源地的開(kāi)采井,特別是民井,大多采用混合抽水形式開(kāi)采。然而,目前的地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),大多將其作為一個(gè)含水層來(lái)對(duì)待,僅計(jì)算出一個(gè)地下水降落漏斗。應(yīng)當(dāng)注意,兩個(gè)〈三個(gè)〉含水層的混合開(kāi)采,實(shí)際上存在著兩個(gè)〈三個(gè)〉地下水降落漏斗。因此多層含水層系統(tǒng)混合開(kāi)采條件下的地下水資源評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)分層計(jì)算出各自的漏斗?;旌祥_(kāi)采分層評(píng)價(jià)的反問(wèn)題是,多含水層系統(tǒng)混合抽水試驗(yàn),分層求參(確定各分含水層的參數(shù))。兩者對(duì)水文地質(zhì)計(jì)算均具十分重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題(七)開(kāi)采井中的水位37水文地質(zhì)模型中常見(jiàn)的泉眼如何設(shè)計(jì)?泉眼的出水面按上述定義也應(yīng)屬于自然邊界,由于泉的流量和水位是可測(cè)量的,因此泉眼可以是第一類邊界或第二類邊界。注意:通常容易忽視泉眼的非完整性。應(yīng)引起注意的是:若以己知的泉水位將泉眼作為第一類邊界處理,則計(jì)算出來(lái)的泉流量往往大于實(shí)測(cè)的泉流量;反之,若以已知的泉流量將泉眼作為第二類邊界處理,則計(jì)算出來(lái)的泉眼所在結(jié)點(diǎn)的水位往往高于實(shí)際的泉水位;兩者的差異可能十分大。對(duì)于水平二維模型,泉也可作為源匯項(xiàng)處理。(八)泉的處理方法三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題38(九)混合觀測(cè)孔的水位三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題39(十)疏干與恢復(fù)問(wèn)題三、數(shù)值模型設(shè)計(jì)中一些特殊問(wèn)題40預(yù)測(cè)是在地下水流動(dòng)方程基本類型和邊界條件的檢驗(yàn)以及含水層參數(shù)的確定基礎(chǔ)上進(jìn)行的。預(yù)測(cè)模擬與反問(wèn)題模擬在許多方面是相似的。一般地說(shuō),已經(jīng)肯定了的條件、參數(shù)等在預(yù)測(cè)中不再變動(dòng)。預(yù)測(cè)自身的特點(diǎn):預(yù)測(cè)模擬中,人為邊界條件可能發(fā)生變化;某些參數(shù),特別是某些等效參數(shù),也許不能保持其原來(lái)的參數(shù)值;有些預(yù)測(cè)時(shí)需用到的參數(shù),在反求參數(shù)過(guò)程中是不可能獲得的。這些,正是預(yù)測(cè)問(wèn)題的困難所在。四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題1、預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)問(wèn)題的特點(diǎn)41邊界分為自然邊界和人為邊界兩類。就反問(wèn)題來(lái)說(shuō),模型的邊界取自然的和人為的均可,只是后者一般應(yīng)有觀測(cè)孔控制,需動(dòng)用勘探工作量而已。
求參模型中的自然邊界用于預(yù)測(cè)模型是較簡(jiǎn)單的,特別是隔水邊界,不作任何變更,可直接使用。但是,對(duì)于預(yù)測(cè)問(wèn)題則不同,人為邊界要經(jīng)過(guò)合理的處理才可利用,否則是不允許的。注意:
地下水分水嶺并非隔水邊界。雖然地下水分水線在求參模型中與隔水邊界一樣,也屬于零流量邊界;
但在預(yù)測(cè)模型中,由于新開(kāi)采井的加入等因素,這條求參時(shí)的分水線可能會(huì)移動(dòng)。
2、關(guān)于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的邊界條件問(wèn)題四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題42前面提到地表水體常取為第一類邊界。這類自然邊界用于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),一般不會(huì)有太大的困難,特別是大流量的河流,直接采用預(yù)測(cè)期對(duì)應(yīng)的河水位動(dòng)態(tài)即可。但是,當(dāng)傍河區(qū)開(kāi)采地下水激發(fā)河水補(bǔ)給地下水的水量占河水流量的相當(dāng)比例時(shí),則對(duì)原河水位要作一定的處理。當(dāng)傍河取水量過(guò)大,以致河水被疏干,或早季河水?dāng)嗔鲿r(shí),那么這條邊界就不再存在了。這類問(wèn)題的處理比較復(fù)雜,要視條件和問(wèn)題的性質(zhì),具體分析和處理。四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題2、關(guān)于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的邊界條件問(wèn)題43處理邊界最困難的要算是人為邊界了。人為邊界對(duì)于求參模型來(lái)說(shuō),由于預(yù)先設(shè)置有觀測(cè)孔,其水位或流量(或水力坡度)是已知的,在求參數(shù)值模擬過(guò)程中不成問(wèn)題。但是對(duì)于預(yù)測(cè)模型來(lái)說(shuō),原先人為邊界處的水位或流量(或水力坡度)一般不能預(yù)先給出,無(wú)法作為已知的邊界處理。嚴(yán)格地說(shuō),這種情況應(yīng)將邊界擴(kuò)展至地下水流域的邊緣。然而這么做往往因計(jì)算面積過(guò)大而出現(xiàn)資料不足和計(jì)算機(jī)容量、計(jì)算速度不能滿足計(jì)算要求等問(wèn)題。這是一個(gè)尚未得到解決的難題。下面提出幾種處理方法,供參考。四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題2、關(guān)于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的邊界條件問(wèn)題44①人為地在一定距離處劃一隔水邊界,然后試算此隔水邊界處的水頭下降值,當(dāng)該值超過(guò)預(yù)先規(guī)定數(shù)值時(shí),再將此界線向外推移一定距離,如此重復(fù)計(jì)算至滿足要求為止。也可將上述隔水邊界改為第一類邊界,然后試算通過(guò)比邊界的地下水徑流量,如果該流量值處在事先依水文地質(zhì)條件和問(wèn)題的性質(zhì)等規(guī)定的某個(gè)范圍內(nèi),則采用此邊界,否則重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程,直至滿足要求為止。這兩種處理方法與要求,可同時(shí)用于同一人為邊界,以提高預(yù)測(cè)精度。四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題2、關(guān)于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的邊界條件問(wèn)題45②對(duì)于人為的弱透水邊界的一種處理方法預(yù)測(cè)模型的邊界位置可與求參模型一致,但其未來(lái)的水力坡度,采用抽水試驗(yàn)期間獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)統(tǒng)計(jì)建立一定的關(guān)系式,再外推而得。但使用此法要注意,在地下水形成穩(wěn)定流動(dòng)或擬穩(wěn)定流動(dòng)之前后,其關(guān)系式或其系數(shù)值往往是不一致的,用于長(zhǎng)期預(yù)報(bào)要考慮這個(gè)問(wèn)題。四、數(shù)值模型預(yù)測(cè)中一些特殊問(wèn)題2、關(guān)于地下水開(kāi)采動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的邊界條件問(wèn)題46③“無(wú)限含水層”的另一處理方法是,在某一
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