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4国内地下水动力学的发展我国地下水动力学研究起步于上世纪50 60

发布时间:2019-06-24 17:28 来源:未知 编辑:admin

  4国内地下水动力学的发展我国地下水动力学研究起步于上世纪50 60年代 是从翻译和学习苏联有关地下水稳定流方面的理论 如卡明斯基的《地下水动力学原理》 这种情况一直延续到70年代。而非稳定流泰斯公式在发表30多年后才在中国地质水文界所了解到 以陈崇希、薛禹群、李俊亭、张宏仁等一批国内学者紧跟最新地下

  4国内地下水动力学的发展我国地下水动力学研究起步于上世纪50 60年代 是从翻译和学习苏联有关地下水稳定流方面的理论 如卡明斯基的《地下水动力学原理》 这种情况一直延续到70年代。而非稳定流泰斯公式在发表30多年后才在中国地质水文界所了解到 以陈崇希、薛禹群、李俊亭、张宏仁等一批国内学者紧跟最新地下水非稳定流研究前沿 陈崇希教授首先提出了裘布衣和齐姆模型的本质区别 黄万利教授从工程实际出发对裘布衣和福稀罕默井流和沟流公式的缺陷 提出了考虑时间因素的影响半径公式 和井壁水位最大降深公式。此外一些学者从分离变量法 贝塞尔函数、级数等数学手段研究井流、沟流、承压和非承压 有界和无界 越流入渗、完整和非完整水渗流问题解析理论计算问题。此外 中国科技大学孔祥言、中科院郭尚平数学力学大师 从更宽泛的角度 应用解析函数、源函数、格林函数 拉普拉斯变换等研究多孔介质的 单相和多相渗流问题 26 30 进入到新世纪我国地下水动力学研究也进入国际先进行列 首先国内以周志芳、柴军瑞等学者针对岩体孔隙、裂隙双重介质渗流问题开展了理论和试验研究。 5地下水动力学数值计算技术的发展在20世纪70至80年代 我国水文地质及数学领域的专家学者先后出版了一些专著 为后来数值模拟方法广泛应用奠定了理论基础 30 40 。如《地下水流的数值模型和数值方法》 1981《水文地质学的数值法》 1979《地下水运动的数值模拟》 1988《地下水污染与地下水水质模拟方法》 杨天行1985 及《地下水运移模型》 朱学愚 1990 《李祖怡等渗流数值计算与程序应用》 。林学钰等人将数值模拟用于石家庄地区地下水水量、水质模拟和预报为城市地下水开发利用和保护奠定了基础。其后出版的《地下水水量水质模拟及管理程序集》 简明论述了建立各种模型的技术方法与求解过程 详细罗列了计算程序与使用指南 对推广和普及数值模拟技术起到重要作用。刘少玉 1998 利用二维侧向流和一维垂向流数学模型模拟了冲洪积扇含水层地下水流动 计算出按工业开采和农业开采 以地下水多年总补排均衡、水位长期稳定为约束条件的地下水可开采量 潘国营 1994 就如何评价地下水数值模拟模型的拟合结果从数值模拟应用条件、实体模型概化的依据与方法、离散尺度、模型拟合标准、预报方法等五个方面进行了定性讨论 许光泉 2001 应用有限元三角差分方法建立了松辽盆地地下水数值模拟模型 通过模型控制水位变化来确定各水源地未来的合理开采量 2000在研究银川市地下水系统特征的基础上 建立了数值模型对地下水位动态进行模拟和预测 进而对开采资源做出评价 杜汉学等 2002 论述了地下水库的概念、蓄水原理及理论基础、蓄水基础条件和方法及重大蓄水效益。建议建设地下水库蓄水示范工程 推广利用地下水库蓄水 以缓解一些地区1 绪论 严重缺水的局面刘建立等 1999 采用有限单元法对山东淄博市进行地下水资源评价以解决评价区供水面积大、精度要求高的矛盾。模型运行稳定 拟合效果比较理想 1998利用Ritz有限元数值分析方法 结合单纯形线性规划 成功地对水源地进行地下水开采模拟 为腈纶工程水源地地下水开采提供了充分的设计依据 2001建立了平面二维区域地下水渗流模型 用于描述柳林泉域的地下水渗流 模拟效果良好。薛禹群、吴吉春、谢春红等将数值模拟用于山东济宁地下水水质模拟及海水入侵研究。邵景力、崔亚莉等人将模拟模型与管理模型有机地结合在一起 成功用于黄河中上游能源基地、华北平原等区域性大规模地下水开发和管理实践中。万力将数值模拟技术用于解决岩体中裂隙水渗流问题 提出并建立了“网络的多边形渗流模型” 解决了黄河小浪底水库裂隙岩体渗流计算问题。武强等将数值模拟技术用于矿井岩溶裂隙水涌水量计算与预测 针对裂隙以及裂隙水系统的强烈非均质和不连续性 提出并建立了广义多重介质渗流模拟模型。应用实践表明 这种方法能够充分体现了煤系裂隙含水系统流场的空间特征 特别是强径流带和局部非连续渗流特征。 目前 在商业化软件方面 我国尚处于落后状态 国际上已经形成了一批非常有影响的地下水数值模拟软件 如MODFLOW、MT3DMS、MT3D99、PEST、MODPATH、UCODE、FEWATER等 其中应用最广的是MODFLOW。MODFLOW Modular Three dimensional Finite Difference Groundwater Flow Model 是由美国地质调查局 GeologicalSurvey 的McDonald和Harbaugh于80年代开发出来的一套专门用于孔隙介质中三维有限差分地下水流数值模拟的软件 它己经在全美甚至在全世界范围内 在科研、生产、环境保护、城乡发展规划、水资源利用等许多行业和部门得到了广泛的应用 成为最为普及的地下水运动数值模拟的计算软件 41 44 6地下水动力学理论的凿井工程问题矿山凿井工程是地下工程中最复杂工程技术之一 不仅遇到不同复杂地层 地层不断加深 上千米 而且水压不断加大 几兆帕到几十兆帕。有史以来的凿井历史中 对于地下水的成功解决方案主要体现在“堵”的技术和理论不断提高 而“疏”的技术和理论发展有限。因为目前凿井工程一般还是以明排为主 即在凿井过程中采用各种水泵进行流入井内的水进行抽排 参见建井手册。这种解决“水”的问题很被动 因为有的导致软弱地层 水的流动导致地层流动和缺失 而且即使对于硬岩 随着建井涌水等量的不断增大 几十方每小时 就会导致支护的失败 所以凿井历史上通过“疏降水”成功的例子很少 很少 而失败的案例比比皆是。所以要发展“疏水”的技术 把水的流动控制在凿井的区域之外。然后纵观上述地下水动力学理论和数值计算的发展 现有的成果、技术、手段方法还不能直接应用到建井工程中 其原因是 也有潜水。有薄有厚有的深 压西安科技大学工程硕士学位论文 力很高得扬程超过地面。而需要的降水是井筒范围含水层的全厚降水而目前地下水动力学涉及的理论和计算都是小降深的 而且主要以二维研究为主 涉及多含水层、群孔干扰的研究还不够深入。 目前深基坑降水中已经暴露出“疏不干”的理论和技术问题未能解决深基坑的深度比凿井深度小2个数量级以上 导致凿井“疏不干”问题理论症结难以确定。 凿井工程中没有水往下流动的空间 需要机械设备把水抽到地面上来 这就要求机械设备有足够的流量和扬程 同时需要借助钻孔技术和水井技术的发展。 研究内容主要以神华宁煤矿区建设工程的实际出发 研究清水营煤矿的地质水文和开采条件 以清水营副立井为突破口 开展疏降水凿井技术研究 主要包括以下几个方面的研究内容 深井疏排水渗流场理论研究全厚降深的地下水渗流规律 控制井筒掘进期间的涌水量小于20m3 600m疏降水井施工技术研究大直径600mm钻孔施工工艺与流程 井管安装完井工艺 600m深孔抽水设备安装和运转工艺抽水设备系统安装 降水设备运转与维护工艺技术 井筒疏排水技术经济分析研究掌握井筒疏降水工艺流程 考核各工序成本费用 确定技术经济指标。 现场调研和数值分析通过深降水非线性井流理论分析含水层的渗透系数 储水系数等地层参数 分析井损或水跃问题 尤其是对参数的准确度所产生的影响 并针对清水营煤矿地层条件及水文地质情况 结合由加拿大Waterloo水文地质公司在Modflow的基础上开发研制的Visual MODFLOW三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统 预计施工过程中降水参数。 通过理论分析和试水试验对不同型号设备进行参数优化 分析高扬程高性能深井潜水泵在深井降水中应用的可行性 将变频技术应用到降水井水泵流量自动控制中来 对比研究了适合超深降水工艺的抽水设备及下放工艺 采用高性能清水泵 从电缆密封绝缘、下放技术、耐水压、流量控制、节能技术等多方面 研究疏降水抽水设备的选型和安装工艺 形成完善的深井泵的安装、调试和运转工艺技术。 600m深孔钻孔技术研究针对现场工程条件 研究疏降水钻孔施工工艺 超深大直径疏降钻孔施工工艺 研究导向钻进技术 二级钻井工艺 确保钻孔直径和钻井深度达到设计要求 并从滤管下放和壁后充填和洗井等研究 实现降水井功能要求。 通过疏降水施工工艺分解成本的考核 对疏降水凿井的技术经济指标进行了研究 对该工法和冻结法凿井进行了技术经济比较。 主要技术路线所示。 主要技术路线工程水文地质条件调研 井筒降水理论分析 群井降水参数数值试验 600m深井疏降水设计与监测 600m深孔钻孔施工工艺 井筒降水工程技术经济分析 深孔抽水设备安装和运转工艺 副立井参数分析 副立井降水设计 降水模型建立及预测 实际降水效果评价 10 西安科技大学工程硕士学位论文 VisualModflow软件简介 Visual MODFLOW由加拿大Waterloo水文地质公司在Modflow的基础上开发研制的Visual MODFLOW 1994 是目前国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。它是专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟 由于其程序结构的模块化、离散方法的简单化以及求解方法的多样化等优点 已被广泛用来模拟井流、溪流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响。 Modflow是一个三维有限差分地下水流动模型 利用格点法差分法 将含水层系统划分为一个三维的网格系统 整个含水层被剖分为若干层 每一层又剖分为若干行和若干列 如图2 1所示。这样 含水层就可以由许多剖分成的小长方体所表示。这些剖分出来的小长方体称为计算单元。每个计算单元的位置可以用该计算单元所在的行号 含水层空间离散有限差分网格……含水层边界 无效计算单元 有效计算单元 ri—行间距 j—列间距vk—层厚 按照图2 1所示的规定 某列j中的一个计算单元沿行方向上的宽度由ir 所表示。某行i中的一个计算单元沿列方向上的宽度由cj 所表示。层中k的计算单元的厚度则由kv 所表示。这样计算单元的体积应为ijkrcv 离散点的确定采用将离散点置于网格中心处在这种情况下 每个网格都相当于均11 建立有限差分方程根据水量均衡原理 对每一个单元来说 流入和流出的水量之差等于单元水量的变化。假设地下水的密度为一个常数 表示水流平衡的连续性方程为 ishQSVt iQ—单位时间内进入单元的水量m3 V—单元的体积m3 表示在t时间内水位变化为h时水量的变化量 若水从单元流出时 水量为负值。 根据达西定律 沿行的方向从单元 同理其他五个面流入单元 六个面进入的水量。为简化起见将网格长度与渗透系数的乘积合并成为一个量导水系数。则方程 CRijkijkijkijkqhh CRijkijkijkijkqhh 12西安科技大学工程硕士学位论文 CCijkijkijkijkqhh CCijkijkijkijkqhh CVijkijkijkijkqhh CVijkijkijkijkqhh 13Pijknijknijkijknahq 14其中 ijkna表示第n个外部水源流向单元 的水量Pijkn和 ijknq分别为常量。 和其相邻的六个单元为了计算外部与含水层的水量交换 如河流、地面补给、蒸发、水井等 需要另外的方程形式 这些水量取决于接受单元的水头 而与含水层其它单元的水头关系不大 或完全取决于接受单元水头。从含水层外部补给的水量可用以下方程式表达 如果有n个外部水源 总的补给量见方程 15将连续性方程 计算从单元相邻六个面进入的水量及外部水源的补给量则方程 16其中 ijkht 为水头对时间微分的有限差分近似表达式sijkS 的贮水率jikrcv 的体积13 井筒降水理论和数值方法分析将方程 15代入方程 模型的求解方程不能独立求解 因为它不仅含有计算单元 的水头值还包含有与其相邻的另外六个计算单元的水头值。即在时段末时刻tm有7个水头值未知。但对网格中每一个活动单元都可以写出这种形式的方程 因而对每个单元只有一个未知水头 这样就可得到n个未知数对应n个方程的方程组。若初始水头、边界条件、水 文地质参数、外部补给均已经 就可求得方程组的解。 迭代过程Modflow采用迭代方法求解有限差分方程。在迭代之前 需给定一个初始水位值 以此为初始条件 计算出下一时间末的水位值 再以此水位值为初始条件代入方程求出下一时间的水位值 直到两次迭代的结果相差足够小为止。 整体几何模型模型长 高为600600 600m 地层由三层组成 上层为200m厚潜水层 中层为200m厚隔水层 下层为200m厚承压含水层 井筒位于模型中央 降水井布置在20m 30m圈径上 降水井设置3个 5个等。其结构及网格模型见图2 群井混合降水数值模型14 西安科技大学工程硕士学位论文 边界条件设置潜水层和承压含水层的四周边界水头高度均为600m 初始条件潜水层和承压水初始水头均为600m。 观测井水位下降规律井筒降水需要关心地下水位 重点关心井筒中心、井帮、降水井、两降水井连线中线的水位下降过程。 观测井水位下降时间曲线个观测井测点水位下降曲线 从图中可以看出降水井的水位最深 比其他测点的水位低9m以上 井帮水位和井中水位基本接近 界点的水位比井筒中心或井帮水位高1 8m左右 说明两水井之间的连线中央是井筒降水的控制点。 井中心纵向剖面水头分布沿着井筒中心作纵向剖面 输出垂直剖面内上下含水层的水头分布图2 可以看出潜水层的水头下降范围比承压水小 等水头线呈现V型 而承压含水层水头扰动范15 井筒降水理论和数值方法分析围较大 等水头曲线呈倒U型。

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