盐城市地下水系统三维数值模拟
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摘要
地下水既是一种宝贵的自然资源，又是环境的基本要素。当今世界所面临的“人口、资源、环境”三大问题，都直接或间接地与地下水资源有关。随着人口的不断增长，城市及工农业的迅速发展，人类对地下水的需求量急剧增加，然而由于对地下水资源缺乏正确评价与科学管理，常常盲目扩大开采，造成地下水位下降，水质恶化，地面塌陷等一系列环境地质问题。因此，对地下水进行正确的模拟评价，是对其科学管理，并进行有效开发利用的前提和基础。
盐城市位于江苏省北部，总面积约14983平方公里。研究区内地下水主要是赋存在松散岩类孔隙中的孔隙水，含水层可分为潜水含水层、微承压(第Ⅰ承压)含水层以及第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层。由于潜水、第Ⅰ承压水水质较差，开采量很少，目前该区主要开采第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层中的地下水。各县市(区)重点城镇由于集中开采，且开采量较大，已形成一定规模的降落漏斗。本论文在系统分析该地区水文地质条件的基础上，将研究区主要开采层划分为五层，由上到下依次为：第一层为第Ⅱ承压含水层，第二层为第Ⅱ承压弱含水层，第三层为第Ⅲ承压含水层，第四层为第Ⅲ承压弱含水层，第五层为第Ⅳ承压含水层。根据实际资料以及部分的插值方法，建立了研究区的水文地质概念模型。在水文地质概念模型的基础上，进一步建立了研究区完整的三维有限差分非稳定流数学模型，利用目前国际上最盛行，且被各国同行一致认可的三维地下水流模拟软件——Visual Modflow对该区地下水的水位和水量进行模拟求解，最后，利用识别的参数和验证后的模型预测了今后的水位变化趋势和可开采量。
建立的三维模型反映了研究区地下水系统的本质特征，再现了地下水的水位动态、运移规律，能为地下水水位预报、资源评价和地面沉降的控制提供科学依据。
Groundwater is a valuable natural resource. And it is a basic element of environment. Population, resource, and environment, being the three major problems that nowadays world is confronting, are directly or indirectly relevant with groundwater. With the increase of population, the development of the urban size, industry and agriculture, the groundwater demand increases sharply. And a series of environmental geologic problems such as regional groundwater table fall, water quality worsening, subsidence and so on, have emerged in the course of exploiting groundwater due to uncontrolled extraction and poor management. So it can be said that for human being exact evaluation of groundwater resource is the premise and base of scientific management and rational utilizing groundwater.
Yancheng city, located in the north of Jiangsu province, covers about 14893sq km. In this area, the groundwater mainly is pore water. Because the quality of the phreatic aquifer and the first confined aquifer is not good, the primary exploitation layers of the research area are the second, the third and the forth confined aquifers. The groundwater exploitation of the area has reach considerable scale at present. Regional cone of depression has come into being due to centralized exploitation and overexploitation in the important towns of each county/district.
In this thesis the geological and hydrogeological conditions of the area are systematically analyzed, and, from top to bottom the primary exploitation layers are divided into five layers in order: the second confined aquifer, the second aquitard, the third confined aquifer, the third aquitard, and the forth confined aquifer. Based on fact data and partly insert method, the concept model of research zone is presented. Then the isoparametric finite-difference three-dimensional transient groundwater numerical model is presented. Visual Modflow, the most popular standard visualization software package approved by the hydraulic scientists and technicians on simulating the groundwater flow is used to simulate and calibrate the groundwater level and quantity of the research area. At last ,the changes of the hydraulic head and the produced quantity in the future were predicted according to the tested parameter and the modified model.
This model reveals the characteristics of the system of the groundwater, reflect the pattern of change and transportation of groundwater, and it can give scientific support to the prediction of groundwater table, evaluation of resources and give scientific support to control the subsidence in Yancheng.
盐城市位于江苏省北部，总面积约14983平方公里。研究区内地下水主要是赋存在松散岩类孔隙中的孔隙水，含水层可分为潜水含水层、微承压(第Ⅰ承压)含水层以及第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层。由于潜水、第Ⅰ承压水水质较差，开采量很少，目前该区主要开采第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承压含水层中的地下水。各县市(区)重点城镇由于集中开采，且开采量较大，已形成一定规模的降落漏斗。本论文在系统分析该地区水文地质条件的基础上，将研究区主要开采层划分为五层，由上到下依次为：第一层为第Ⅱ承压含水层，第二层为第Ⅱ承压弱含水层，第三层为第Ⅲ承压含水层，第四层为第Ⅲ承压弱含水层，第五层为第Ⅳ承压含水层。根据实际资料以及部分的插值方法，建立了研究区的水文地质概念模型。在水文地质概念模型的基础上，进一步建立了研究区完整的三维有限差分非稳定流数学模型，利用目前国际上最盛行，且被各国同行一致认可的三维地下水流模拟软件——Visual Modflow对该区地下水的水位和水量进行模拟求解，最后，利用识别的参数和验证后的模型预测了今后的水位变化趋势和可开采量。
建立的三维模型反映了研究区地下水系统的本质特征，再现了地下水的水位动态、运移规律，能为地下水水位预报、资源评价和地面沉降的控制提供科学依据。
Groundwater is a valuable natural resource. And it is a basic element of environment. Population, resource, and environment, being the three major problems that nowadays world is confronting, are directly or indirectly relevant with groundwater. With the increase of population, the development of the urban size, industry and agriculture, the groundwater demand increases sharply. And a series of environmental geologic problems such as regional groundwater table fall, water quality worsening, subsidence and so on, have emerged in the course of exploiting groundwater due to uncontrolled extraction and poor management. So it can be said that for human being exact evaluation of groundwater resource is the premise and base of scientific management and rational utilizing groundwater.
Yancheng city, located in the north of Jiangsu province, covers about 14893sq km. In this area, the groundwater mainly is pore water. Because the quality of the phreatic aquifer and the first confined aquifer is not good, the primary exploitation layers of the research area are the second, the third and the forth confined aquifers. The groundwater exploitation of the area has reach considerable scale at present. Regional cone of depression has come into being due to centralized exploitation and overexploitation in the important towns of each county/district.
In this thesis the geological and hydrogeological conditions of the area are systematically analyzed, and, from top to bottom the primary exploitation layers are divided into five layers in order: the second confined aquifer, the second aquitard, the third confined aquifer, the third aquitard, and the forth confined aquifer. Based on fact data and partly insert method, the concept model of research zone is presented. Then the isoparametric finite-difference three-dimensional transient groundwater numerical model is presented. Visual Modflow, the most popular standard visualization software package approved by the hydraulic scientists and technicians on simulating the groundwater flow is used to simulate and calibrate the groundwater level and quantity of the research area. At last ,the changes of the hydraulic head and the produced quantity in the future were predicted according to the tested parameter and the modified model.
This model reveals the characteristics of the system of the groundwater, reflect the pattern of change and transportation of groundwater, and it can give scientific support to the prediction of groundwater table, evaluation of resources and give scientific support to control the subsidence in Yancheng.
引文
1. Law A M, Kelton W D. Simulation Modeling and Analysis. New York:McGraw-Hill, Inc, 1991:22-38
2. M.P. Anderson and W.W. Woessner, Applied ground water modeling, simulation of flow and advective transport, Academic Press, 1992
3. W. Gelhor, Stochastic subsurface hydrology, Prentice-Hal1, EnglewoodCliffs, 1993
4. P. Vander Heijde, P.Y. Bachmat, etal. Groundwater management:The use of numerical models. AGU. Washington. D.C. 1985
5．薛禹群，吴吉春．地下水数值模拟在我国——回顾与展望．水文地质工程地质，1997(4)：21-24
6．薛禹群，吴吉春．面临21世纪的中国地下水模拟问题．水文地质工程地质，1999(5)：1-3
7．李俊亭．地下水流数值模拟．地质出版社，1989
8．罗焕炎，陈雨孙．地下水运动的数值模拟．中国建筑出版社，1988
9．吴剑锋，朱学愚．由MODFLOW浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势．工程勘察，2000(2)：12-15．
10．卢文喜．地下水系统的模拟预测和优化管理．科学出版社，1999
11．孙讷正．地下水流的数值模型和数值方法．地质出版社，1981
12．叶淑君，戴水汉．地下水流二维、准三维及三维模型模拟结果比较．水文地质工程地质，2003(5)：23-27
13. Cedergren H.R. Seepage, Drainage and Flownet, John Wiley & Sons, New York, 1989
14．[奥]A．E．薛定谔．多孔介质中的渗流物理．石油工业出版社，1974
15. Verruijt A. Theory of Groundwater Flow.MACMILLAN, 1970
16．王君连．地下水动力学．清华大学出版社，1991
17．雅．贝尔(许涓铭译)．地下水水力学．地质出版社，1985
18. D.L. Strack. Groundwater Mechanics, Prentice Hall Englewood Cliffs, 1989
19．房佩贤．专门水文地质学．地质出版社，1990
20．薛禹群．地下水动力学．地质出版社，1986
21. Harr M.E. Groundwater and Seepage.McGraw-Hill, 1962
22．毛昶熙．渗流计算分析与控制．水利电力出版社，1990
23．薛禹群，谢春红．水文地质学的数值法．煤炭工业出版社，1979
24. C.A.Brebbia. Developments in Hydraulic Engineering (Charpterz). Applied Science Publishers, 1987
25．吴持恭．水力学．高等教育出版社，1983
26．王大纯，张仁权，史毅红．水文地质学基础．地质出版社，1986
27．高正夏．地下水资源评价与计算．河海大学土木工程学院地岩系，1997
28．郭东屏，张石峰．渗流理论基础．陕西科学技术出版社，1994
29. J. H. Cushman, The physics of fluids in hierarchical porous media: Angstrom to miles, Kluwer Academic, 1997
30．姚炳魁等．盐城市地下水资源调查评价报告．江苏省地质环境监测总站，1997
31．顾锋．盐城市水资源状况及其问题．水文，2003(4)：53-55
32. D.C.Major, R.L. Lenton, Applied Water Resources Systems Planning, Prention-Hall, INC, 1979
33. G. Dagan, Flow and transport in porous formation, Springer-Verlag, Berlin, 1989
34．陈葆仁等．地下水动态及其预测．科学出版社，1988
35．李喜先．科学系统论．科学出版社，1995
36．骆祖江，付延玲．模型技术在地下水系统动态预测中的应用．工程勘察，1997(5)：29-33
37．王其藩．系统动力学．清华大学出版社，1996
38．陈江中．地下水资源系统分析．中国矿业大学出版社，1992
39．林学钰，侯印伟．地下水水量水质模拟及管理程序集．吉林科学技术出版社，1988
40．郭卫星，卢国平．MODFLOW三维有限差分地下水流模型．南京大学地球科学系，1998
41．武强，董东林等．水资源评价的可视化专业软件(Visual Modflow)与应用潜力．水文地质工程地质，1999(5)：21-23
42. M.G.McDonald, A.W. Harbaugh. A modular three dimensional finite difference groundwater flow model. 1988
43. User's manual for Visual MODFLOW. Waterloo Hydrogeologic Inc. 1999
44．陈玉田．偏微分方程数值解法．河海大学出版社，1999
45．徐萃薇，孙绳武．计算方法引论．高等教育出版社，2001
46．陈崇喜，唐仲华．地下水流动问题数值方法．中国地质大学出版社，1990
47．顾尔祚．流体力学中的有限差分法基础．上海交通大学出版社，1988
48．陈锁忠．MODFLOW三维有限差分地下水渗流模型的原理．江苏地矿信息，1999(1)：21-23
49．钱家忠，吴剑锋等．徐州市张集水源地裂隙岩溶水三维等参有限元数值模拟．水利学报，2003(3)：37-41
50．宋西平，寇广潮．地下水数值模拟面参数和水文参数研究的重要性．地下水，2001(2)：63-64
51．刘振英，李文鹏，孙鸣．水资源实时模拟管理系统及其在山东临淄地区的应用．地质出版社，1996
52．国家技术监督局．中华人民共和国国家标准(GB／T14497-93)地下水资源管理模型工作技术要求．北京，1994
53．朱学愚，谢春红．地下水运移模型．中国建筑工业出版社，1990
54．朱学愚，钱孝星，刘新仁．地下水资源评价．南京大学出版社，1987
55．张蔚榛．地下水非稳定流计算和地下水资源评价．科学出版社，1983
56．张宏仁等．地下水非稳定流理论的发展和应用．地质出版社，1975
57．金忠青，周志芳．工程水力学反问题．河海大学出版社，1997
58．钱孝星．水文地质计算．水利电力出版社，1995
59．骆祖江．露天煤矿半胶结地层疏干孔排超500m间距疏干机理及最佳布孔研究．煤炭科学研究总院西安分院，1993
60．周念清，朱蓉，朱学愚．Modflow在宿迁市地下水资源评价中的应用．水文地质工程地质，2000(6)：9-13
61．卢文喜．地下水运动数值模拟过程中边界条件问题探讨．水利学报，2003(3)：34-36
62．洪景涛，刘翔，严涛．淄博市大武水源地地下水流场数值模型研究．水文，2003(4)：7-10
63．蒋亚萍，陈余道．MODFLOW——套水文地质学实用计算软件．广西地质，1999(3)：75-78
64．邵景力，崔亚莉等．黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用．吉林大学学报(地球科学版)，2003，33(1)：55-58．
65．骆祖江，付延玲．邯邢水文地质南单元岩溶地下水系统开发优化决策．工程勘察，2002(2)：28-32
66．周念清，朱学愚等．徐州市地下水资源的数值模拟与评价．勘察科学技术，2003(5)：19-23
2. M.P. Anderson and W.W. Woessner, Applied ground water modeling, simulation of flow and advective transport, Academic Press, 1992
3. W. Gelhor, Stochastic subsurface hydrology, Prentice-Hal1, EnglewoodCliffs, 1993
4. P. Vander Heijde, P.Y. Bachmat, etal. Groundwater management:The use of numerical models. AGU. Washington. D.C. 1985
5．薛禹群，吴吉春．地下水数值模拟在我国——回顾与展望．水文地质工程地质，1997(4)：21-24
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7．李俊亭．地下水流数值模拟．地质出版社，1989
8．罗焕炎，陈雨孙．地下水运动的数值模拟．中国建筑出版社，1988
9．吴剑锋，朱学愚．由MODFLOW浅谈地下水流数值模拟软件的发展趋势．工程勘察，2000(2)：12-15．
10．卢文喜．地下水系统的模拟预测和优化管理．科学出版社，1999
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12．叶淑君，戴水汉．地下水流二维、准三维及三维模型模拟结果比较．水文地质工程地质，2003(5)：23-27
13. Cedergren H.R. Seepage, Drainage and Flownet, John Wiley & Sons, New York, 1989
14．[奥]A．E．薛定谔．多孔介质中的渗流物理．石油工业出版社，1974
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17．雅．贝尔(许涓铭译)．地下水水力学．地质出版社，1985
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27．高正夏．地下水资源评价与计算．河海大学土木工程学院地岩系，1997
28．郭东屏，张石峰．渗流理论基础．陕西科学技术出版社，1994
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32. D.C.Major, R.L. Lenton, Applied Water Resources Systems Planning, Prention-Hall, INC, 1979
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34．陈葆仁等．地下水动态及其预测．科学出版社，1988
35．李喜先．科学系统论．科学出版社，1995
36．骆祖江，付延玲．模型技术在地下水系统动态预测中的应用．工程勘察，1997(5)：29-33
37．王其藩．系统动力学．清华大学出版社，1996
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39．林学钰，侯印伟．地下水水量水质模拟及管理程序集．吉林科学技术出版社，1988
40．郭卫星，卢国平．MODFLOW三维有限差分地下水流模型．南京大学地球科学系，1998
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42. M.G.McDonald, A.W. Harbaugh. A modular three dimensional finite difference groundwater flow model. 1988
43. User's manual for Visual MODFLOW. Waterloo Hydrogeologic Inc. 1999
44．陈玉田．偏微分方程数值解法．河海大学出版社，1999
45．徐萃薇，孙绳武．计算方法引论．高等教育出版社，2001
46．陈崇喜，唐仲华．地下水流动问题数值方法．中国地质大学出版社，1990
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48．陈锁忠．MODFLOW三维有限差分地下水渗流模型的原理．江苏地矿信息，1999(1)：21-23
49．钱家忠，吴剑锋等．徐州市张集水源地裂隙岩溶水三维等参有限元数值模拟．水利学报，2003(3)：37-41
50．宋西平，寇广潮．地下水数值模拟面参数和水文参数研究的重要性．地下水，2001(2)：63-64
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52．国家技术监督局．中华人民共和国国家标准(GB／T14497-93)地下水资源管理模型工作技术要求．北京，1994
53．朱学愚，谢春红．地下水运移模型．中国建筑工业出版社，1990
54．朱学愚，钱孝星，刘新仁．地下水资源评价．南京大学出版社，1987
55．张蔚榛．地下水非稳定流计算和地下水资源评价．科学出版社，1983
56．张宏仁等．地下水非稳定流理论的发展和应用．地质出版社，1975
57．金忠青，周志芳．工程水力学反问题．河海大学出版社，1997
58．钱孝星．水文地质计算．水利电力出版社，1995
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60．周念清，朱蓉，朱学愚．Modflow在宿迁市地下水资源评价中的应用．水文地质工程地质，2000(6)：9-13
61．卢文喜．地下水运动数值模拟过程中边界条件问题探讨．水利学报，2003(3)：34-36
62．洪景涛，刘翔，严涛．淄博市大武水源地地下水流场数值模型研究．水文，2003(4)：7-10
63．蒋亚萍，陈余道．MODFLOW——套水文地质学实用计算软件．广西地质，1999(3)：75-78
64．邵景力，崔亚莉等．黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用．吉林大学学报(地球科学版)，2003，33(1)：55-58．
65．骆祖江，付延玲．邯邢水文地质南单元岩溶地下水系统开发优化决策．工程勘察，2002(2)：28-32
66．周念清，朱学愚等．徐州市地下水资源的数值模拟与评价．勘察科学技术，2003(5)：19-23
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