基于feflow的洛陽龍門地區(qū)寒武系地下水?dāng)?shù)值模擬研究

基于feflow的洛陽龍門地區(qū)寒武系地下水?dāng)?shù)值模擬研究

0地下水流場(chǎng)模擬結(jié)果研究區(qū)域?yàn)楹幽下尻桚堥T地區(qū)，包括龍門風(fēng)景區(qū)和龍門礦區(qū)。此外，在風(fēng)景如畫的龍門村，還發(fā)現(xiàn)了寒武系的泉水，主要包括：虞王泉、珍珠泉、潛溪寺泉、蓮花洞等。不過這些泉在最近幾年出現(xiàn)了幾次間歇性斷流,到08年10月份以后斷流更加明顯。為了更好的分析景區(qū)內(nèi)泉水?dāng)嗔鞯脑?本文通過應(yīng)用FEFLOW軟件,對(duì)研究區(qū)內(nèi)的寒武系灰?guī)r地下水流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析,較好的解釋了泉水?dāng)嗔鞯目赡茉?為今后的景區(qū)泉水保護(hù)提供了很好的依據(jù)。FEFLOW是由德國(guó)WASY水資源規(guī)劃系統(tǒng)研究所研制開發(fā)的基于有限單元法的地下水模型軟件包,是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。該軟件被廣泛應(yīng)用于地下水流場(chǎng)演化的模擬中,并且軟件中的BudgetAnalyzer(預(yù)算分析器)菜單能系統(tǒng)的分析水量的均衡問題,很適合分析研究區(qū)影響泉群出流的原因。1含水層地下水研究區(qū)屬于佛光——龍門水文地質(zhì)亞單元。該單元東起嵩山斷層,西至龍門一帶。地層傾向北偏西,傾角為20°～30°,并順地層傾向向北偏西的深部延伸,屬單斜構(gòu)造。經(jīng)過資料整理、分析,龍門景區(qū)內(nèi)的禹王泉、珍珠泉、潛溪寺泉、蓮花洞等都是出露在寒武系中上統(tǒng)的灰?guī)r含水層中。該含水層在區(qū)域南部出露直接接受大氣降水補(bǔ)給,中部被第四系松散巖層覆蓋,北部深埋于地下,但是由于該含水層上覆巖層為鋁土巖,是穩(wěn)定的隔水層,所以垂向上的越流補(bǔ)給可以忽略。該含水層水的排泄主要是裸露區(qū)的蒸發(fā),居民、企業(yè)、農(nóng)業(yè)用水,區(qū)域內(nèi)龍門煤礦排水和自流排泄。動(dòng)態(tài)類型主要是降雨入滲-徑流型。2地下水流模型2.1地下水流系統(tǒng)概化為類界面為建立研究區(qū)地下水流數(shù)值模擬模型,首先要對(duì)實(shí)際的水文地質(zhì)條件加以概化,建立水文地質(zhì)概念模型。通過上述水文地質(zhì)條件分析,將研究區(qū)寒武系灰?guī)r含水層概化為單一的、不存在越流補(bǔ)給的非均質(zhì)各項(xiàng)同性的承壓灰?guī)r巖溶地下水含水層。研究區(qū)外圍邊界中,東、西部都是受隔水?dāng)鄬涌刂?概化為第二類的隔水邊界。南部為天然地表水分水嶺,北部為深埋區(qū),地下水流動(dòng)滯緩,同樣也都概化為第二類的隔水邊界。區(qū)內(nèi)伊河概化為第一類的定水頭邊界。綜上所述,將研究區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各項(xiàng)同性二維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),可用下面偏微分方程的定解問題來描述:{ααx(ΤαΗαx)+ααy(ΤαΗαy)+W(x,y)+nΣiQiδi=μαΗαt??(x?y∈Ω)Η(x?y?t)|t0=Η0(x?y?t)??(x?y∈D)Η(x?y?t)=φ(x?y)??t≥t0?(x?y∈Γ1)αΗn=0??t≥t0?(x?y∈Γ2)?????????????????ααx(TαHαx)+ααy(TαHαy)+W(x,y)+ΣinQiδi=μαHαt??(x?y∈Ω)H(x?y?t)|t0=H0(x?y?t)??(x?y∈D)H(x?y?t)=φ(x?y)??t≥t0?(x?y∈Γ1)αHn=0??t≥t0?(x?y∈Γ2)式中:T為導(dǎo)水系數(shù),(L2/T);H為水頭值,(L);W為面補(bǔ)給、排泄量,(L/T);Qiδi泉及抽水井排泄量,對(duì)于泉,當(dāng)水位標(biāo)高高于其地面標(biāo)高時(shí)δ取1;μ為彈性貯水(釋水)系數(shù),無量鋼;Ω為研究區(qū)域;D為初始條件;Γ1為第一類邊界條件;Γ2為第二類邊界條件。2.2水文地質(zhì)條件分析對(duì)模型采用三角網(wǎng)格剖分,共剖分出4766個(gè)單元格,節(jié)點(diǎn)2492個(gè)。根據(jù)水文地質(zhì)條件,將含水層的滲透系數(shù)及貯水系數(shù)分為7個(gè)分區(qū)。降雨入滲系數(shù)分為2個(gè)分區(qū)。模擬區(qū)間為2008年全年,初始步長(zhǎng)為0.001天。2.3模型試驗(yàn)2.3.1模型模擬結(jié)果對(duì)比為了驗(yàn)證所建立的數(shù)學(xué)模型和模型識(shí)別后確定的水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性,利用地震臺(tái)水位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。由于地震臺(tái)是從08年5月底才開始觀測(cè)水位,再結(jié)合模型模擬結(jié)果中的整數(shù)天所對(duì)應(yīng)的水位值,將模擬水位值與實(shí)測(cè)水位值進(jìn)行對(duì)比、檢驗(yàn),見圖1。從圖中可以看出,水位的變化趨勢(shì)以及水位值擬合的比較好,說明模擬模型能夠較好的反映研究區(qū)的水文地質(zhì)響應(yīng)。2.3.2補(bǔ)給量的均衡性經(jīng)過分析,區(qū)域四周為隔水邊界,區(qū)內(nèi)煤礦在開采數(shù)十年至今,其地下水的動(dòng)儲(chǔ)量基本趨于動(dòng)態(tài)平衡,由此分析區(qū)域補(bǔ)給量應(yīng)該基本等于區(qū)域范圍內(nèi)的排泄量。通過調(diào)整區(qū)域的居民企業(yè)用水量,得到各項(xiàng)水量均衡見圖2。從圖中可以看到最后的均衡值為6000m3/a,換算到天為16.4m3/d。由于區(qū)域居民及企業(yè)用水無法做到完全的調(diào)查統(tǒng)計(jì),所以均衡值很難為零。模型調(diào)整到目前,其水量基本平衡。3模擬結(jié)果分析3.1泉點(diǎn)水位下降,其7月10月心理龍門景區(qū)內(nèi)目前有8個(gè)泉點(diǎn),其水位標(biāo)高見下表。經(jīng)過模擬后其泉水位變化見圖3。從圖3中可以看出來,泉水位的整體變化趨勢(shì)是先有小幅度下降,到6月底又開始緩慢上升;從8月開始上升幅度明顯增大;到9月底泉水位又開始大幅度下降。將各個(gè)泉點(diǎn)的水位與其地面標(biāo)高進(jìn)行比較后,可以看出到10月中旬,大部分的泉水位都低于其地面標(biāo)高,換言之,大部分泉點(diǎn)到10月中旬都出現(xiàn)了斷流。這與實(shí)際情況比較吻合,說明了模型的建立是合理的,可以用于實(shí)際。3.2降水、樣品的降水變化此次模擬將一年分為三個(gè)時(shí)段,即半枯季(1月～6月),雨季(7月～9月)和枯季(10月～12月)來進(jìn)行模擬。其模擬結(jié)果見圖4～圖6。圖4反映了模型運(yùn)行到第181天(2008年6月底)時(shí)的地下水流場(chǎng)的水位等值線。從圖中可以看出,研究區(qū)存在兩個(gè)降落漏斗。一是以龍門煤礦為漏斗中心的降落漏斗,二是龍門西山處的降落漏斗。之所以會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)降落漏斗,主要是因?yàn)辇堥T煤礦抽排水造成以其為中心的降落漏斗,而在龍門西山,也就是在景區(qū)范圍內(nèi),存在一定量的抽水井,相對(duì)密度比較集中,致使該處也形成了一個(gè)小范圍的降落漏斗。而這個(gè)時(shí)期的降雨量前3個(gè)月很少,后3個(gè)月有所增加,但量不是很大,屬于半枯季,再加上春季農(nóng)田用水,居民企業(yè)用水增加,在現(xiàn)有的抽水井?dāng)?shù)量不變的情況下,可能會(huì)影響到景區(qū)泉水的流量。圖5反映了模型運(yùn)行到第273天(9月底)時(shí)的地下水流場(chǎng)的水位等值線。由于7～9月是該區(qū)的雨季,降雨補(bǔ)給量比較大,從圖中也可以看出來,地下水的水位明顯上升,而且水流的方向是自東南向西北方向。基本沒有降落漏斗的出現(xiàn),只是在龍門西山偏西處有個(gè)別孤值,但其影響范圍很小。這個(gè)時(shí)期,泉水能夠得到很好的補(bǔ)給。圖6反映了模型運(yùn)行到第365天(2008年12月底)時(shí)的地下水流場(chǎng)的水位等值線。由于從10月以后降雨很少,所以該圖反映的是雨季過后的一個(gè)枯季的地下水流場(chǎng)情況。龍門西山處的降落漏斗依然存在,景區(qū)泉群的位置還是在其影響范圍之內(nèi)。而此時(shí)在河渠(泉群北端)中產(chǎn)生了新的降落漏斗,范圍很小,但是其直接影響比較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象,表明在河渠中可能存在抽水井,之所以在前兩個(gè)時(shí)段,即半枯季和雨季沒有形成這樣一個(gè)降落漏斗的原因可能是因?yàn)榈叵滤畬?duì)該處的補(bǔ)給量能夠滿足其抽水量,該處的地下水能夠得到有效補(bǔ)給,所以不會(huì)產(chǎn)生降落漏斗。但是在枯季,尤其是到了12月份以來,降雨基本為零的情況下,該處的地下水得不到有效補(bǔ)給,而抽水量沒有明顯減少,致使該處產(chǎn)生一個(gè)小范圍的降落漏斗。由于這個(gè)降落漏斗距泉群最近,所以該降落漏斗的形成對(duì)于泉群的影響會(huì)更加明顯。4