章丘市官庄地区地下水数值模拟研究论文(97)

1山东科技大学泰山科技学院本科毕业设计（论文）题目章丘市官庄地区地下水数值模拟研究系部名称资源与土木工程系专业班级地质工程（科本）12-2学生姓名王秉顺学号201241020222指导教师王熙2016年5月2摘要章丘市官庄地区距章丘城区约9km，由于其地处地下水补给区，且第四系覆盖较薄，属于水资源匮乏地区。近几年由于连年干旱，水位大幅下降，人畜饮水问题日趋严峻。解决群众生活用水问题成为当地政府和学者共同关心的问题。主要的研究内容有：第一、通过调查和阅读相关资料，初步查明区内含水层（带）的空间分布及其补给、径流、排泄与赋存条件，进行地下水位动态观测。第二、探明该区域的构造地质条件，确定边界条件。第三、通过勘察出的水文地质资料建立该区水文地质概念模型，进一步建立研究区域非均质各项异性三位非稳定流数学模型，利用等参有限元技术进行地下水数值求解。第四、验证地下水数值模拟结果并分析，对官庄地区可能富水的地段最大可开采量进行概略评价，为解决当地用水问题提出依据。关键词：数值模拟渗流场参数分区三维数学模型降水量3AbstractZhangqiuAlfredchuangareaofabout9kmfromthechaptergravecity,islocatedinthegroundwaterrechargeareaduetoitsandquaternarycoveristhinner,belongstoawaterarea.Inrecentyearsduetoyearsofdrought,waterhasfallensharply,humanandanimaldrinkingwaterproblemhasbecomeincreasinglyserious.Tosolvethewaterproblembecomethecommonconcernofthelocalgovernmentandscholars.Themainresearchcontentsareasfollows:First,throughtheinvestigationandreadingrelevantinformation,findingtheaquiferinthearea(with)thespatialdistributionandrecharge,runoff,dischargeandoccurrenceconditions,undergroundwaterleveldynamicobservation.Second,hasproventheregiontectonicgeologicalconditions,boundaryconditionsweredetermined.Third,throughtheinvestigationofthehydrogeologicaldataestablishingthehydrogeologicalconceptualmodel,furtherestablishtheresearchareaofinhomogeneoustheoppositesexthreemathematicalmodelofunsteadyflow,groundwaternumericalbyisoparametricfiniteelementtechnology.Fourth,verifytheresultsofnumericalsimulationandanalysisofgroundwater,Alfredchuangareamightrichwaterareageneralassessmentcanbemined,thelargesttosolvetheproblemoflocalwaterisputforwardonthebasisof.Keywords:numericalsimulationofseepagefieldparametersofthreedimensionalmathematicalmodelofprecipitation4目录1绪论...........................................11.1研究背景及目的.........................................1.2数值模拟研究现状.......................................1.3官庄地区地下水资源研究概况及研究程度...................2研究区域水文地质条件研究概况.....................2.1位置、地形地貌及水文特征...............................2.2地质构造...............................................2.3区域水文地质特征.......................................2.4普查区水文地质特征.....................................2.5研究区域内的抽水实验...................................3地下水运动的数值模型及数值求解...................3.1地下水数值模拟的基本方法...............................3.2边界条件的处理.........................................3.3抽水井的处理...........................................4研究区内地下水数值模拟............................4.1研究区模拟范围..........................................4.2含水层概化..............................................4.3边界条件概化............................................4.4地下水源汇项处理........................................4.5数学模型................................................4.6模型拟合和验证..........................................4.7地下水位预测...........................................51绪论1.1研究背景及目的山东省章丘市官庄地区位于章丘市的东南，据章丘城区约9km，该地区内物华天宝，资源丰富。境内地质地貌十分特殊，南部山峦起伏，主要为灰岩裸露区，多石灰石、铁矿石，向北地势逐渐平缓，逐渐过渡为山前冲洪积平原。由于地处地下水补给区，且第四系覆盖较薄，属水资源匮乏地区，经济条件比较落后。近几年由于连年干旱，水位大幅下降，人畜饮水问题日趋严峻。为查明该地区地下水资源情况，解决群众生活用水问题，建立地下水模型，通过地下水数值模拟的方法预测和评价官庄地区地下水资源。1.2数值模拟研究现状地下水系统数值模拟是基于地下水系统概念模型概化和抽象出的数学模型，用以描述地下水系统各参数、度量之间的数量关系,在对数学模型识别和验证的基础上进一步验证地下水系统的行为和功能的适应性，从而深化对地下水系统特性的认识。地下水数值模拟作为预测、评价地下水资源的工具在解决具体的水文地质问题过程中起着日益重要的作用。1、国外地下水数值模拟的发展最早对地下水进行动态分析，采用的是比较直观也是最为简单的水均衡方法以及水文地质比拟方法。十九世纪中叶，法国人达西盯在总结前人实践的基础上，通过试验提出了水在孔隙介质中渗透的线性渗透定律，即达西定律稍后，袭布衣（J.Dupuit，1863）以达西定律为基础，研究了单向和平面径向稳定运动，奠定了地下水稳定流理论的基础。1905年E.梅勒第一次用解析法论证了泉水流量的预测方法。1935年泰斯（C.V.Theis）6提出了地下水向承压水井的非稳定流公式，开创了现代水文地质计算的历史。五十年代，随着深层承压水的开发利用，代雅柯布（C.E.Jacob）、汉土什（M.S.Hautush）等人研究了有越流补给的情况，接着出现了考虑无压含水层迟后反应、非完整井等情况下的解析解。同时把稳定流计算中己经行之有效的叠加原理、映射法应用到非稳定流计算中来，以解决井群干扰和边界的影响以及抽水流量呈阶梯式变化等非稳定流动问题。20世纪50年代后期,卡门斯基在解析法分析群孔潜水动态的基础上，系统地研究了存在降水入渗条件下的有限差分法，并用它来预测地下水动态的变化。六十年代后期随着计算技术的进步数值模拟方法应用到地下水计算中来，理论和工程上分析地下水的能力都取得了突破性的进展，先后出现了二维流平面（剖面）模型、准三维流模型、三维流模型、耦合模型等。同时数值法在应用过程中也得到了发展，从最初的有限差分法(FDM)和有限单元法(FEM)，发展到后来的有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)和有限分析法(FAM)等多种方法并存。每一种数值方法在解决地下水问题的过程中被不断地发展和完善，如有限单元法派生出混合有限元法(HFEM)、特征有限元法(CFEM)、以及随机有限元法(SFEM)等。2、国内地下水数值模拟的发展国内地下水数值模拟起步较晚，经过多年来数学工作者肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等和水文地质工作者（林学任、朱学愚、薛禹群、陈崇希）等以及科研院所的共同努力，地下水数值模拟在我国经历了从无到有、从简单的水流模型到比较复杂的物质和热量运移模型。现在我国己经建立了囊括国际地下水模拟中心(IGwMc)P.vednerHiejde分类中所有模型，即预报模型(包括水流模型、热量运移模型、形变模型、多目标模型)、管理模型和识别模型。研究范围涉及到饱和带、非饱和带与饱和—非饱和带，基本满足了我国国民经济建设发展的需要。随着非稳定流理论7的发展，以及电子计算机的广泛应用，使得各种复杂条件下的地下水运动都可应用数值法求解。1.3官庄地区地下水资源研究概况及研究程度章丘市官庄地区内盛产煤炭及黏土等矿产，所以地质及水文地质工作开展的较早。1959年5月北京地质学院实习队，完成了章丘幅1/20万综合水文地质测绘，覆盖本区，并编制了1/20万综合水文地质图及图幅说明书，这是本区最早的综合水文地质调查，但未经审批验收。1977年12月山东省地质局第一水文地质队，进行了济南市、淄博市、泰安市等区域水文地质调查，并提交了1/20万水文地质调查报告，对区内地层及水文地质特征进行了系统的研究。1988年起山东省地质矿产局八0一水文地质工程地质大队在文祖断裂以西进行了1/5万水文地质调查，于1990年10月提交了《山东省济南市白泉—武家水源地供水水文地质勘探报告》。1996～1999年中国地质大学（北京）淄川区调队按地层层序完成了文祖幅1/5万地质图的测制，并于1999年经山东省地质矿产勘查开发局审查批准。淄博矿务局岭子煤矿及章丘市煤炭局先后在本区进行了煤炭普查工作，施工了大量钻孔，基本查明了区内二叠及石炭系地层分布。近几年，章丘市水务局在明水泉水保护方面作了大量工作，另外宝山水源地、杨古水源地、科利水泥有限公司供水井勘探等工作，均积累了丰富的相关资料，为本次普查工作提供了宝贵的借鉴资料。82研究区域水文地质条件研究概况2.1位置、地形地貌及水文特征2.1.1位置、地形地貌普查区位于泰沂山脉北麓，自然地势南高北低，总体向北西方向倾斜，最高点位于孟家峪西南，海拔594m，最低点位于大阎满村北，海拔174m，普查区内东南西三面环山、呈向北西敞开的“簸箕”状。地貌可划分为两种类型，东部、南部及西部为构造剥蚀低山丘陵，并接近深切割地形；由山前向北、向西，地形渐平缓过渡为山前冲洪积平原地貌。图2-1交通位置图92.1.2气象及水