地下水资源评价及数值模拟-陈崇希.pdf

地下水资源评价地下水资源评价 及数值模拟及数值模拟 中国地质大学（武汉环境地质研究所 陈崇希陈崇希 电话010-8232 2725电话010-8232 2725 一 一 地下水资源评价地下水资源评价的的理论基础理论基础 ─地下水动力学广义地下水动力学广义的的研究内容研究内容 提纲提纲 1.1 流体 1.1 流体 1.2 含水介质1.2 含水介质 1.3 研究方法1.3 研究方法 1.4 当前课程设置──主要考虑流体类型1.4 当前课程设置──主要考虑流体类型 和研究方法的组合和研究方法的组合 1.1 流体1.1 流体 1.1.1 均匀流体物理性质密度，粘滞系数 1.1.2 不均匀流体； 1可溶混流体（淡水与海水） 2不可溶混流体（水与油或气） 1.2 含水介质1.2 含水介质 1.2.1 孔隙介质 1.2.2 裂隙介质、裂隙-孔隙双重空隙介质 1.2.3 岩溶管道、岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质 1.3 研究方法1.3 研究方法 1.3.1 解析法 1.3.2 物理模拟 1.3.3 数值模拟数值仿真 1.4 当前课程设置1.4 当前课程设置 1.4.1 地下水动力学狭义 ──均匀流体解析法 物理模拟 1.4.2 地下水流动数值方法 ──均匀流体数值方法 1.4.3 地下水溶质运移理论及水质模型 ──可溶混流体解析法、 数值方法 1.4.4 地下水非饱和动力学 ──不溶混流体解析法、数值方法以 及包气带溶质运移问题 1.4.5地下水优化管理──地下水动态预测最优化方法 二二 有关地下水定量的其它若干方法有关地下水定量的其它若干方法 2.1 统计方法2.1 统计方法 2.2 系统方法黑箱方法2.2 系统方法黑箱方法 2.3 灰色系统方法2.3 灰色系统方法 2.4 模糊数学方法2.4 模糊数学方法 2.5 神经网络方法2.5 神经网络方法 上述诸法一般不宜作为定量评价地下水资源的主导方 法，可作为辅助方法，如边界处理等。 三三 地下水地下水资源资源-环境环境系统定量评 价中的应用 系统定量评 价中的应用 地下水资源评价的关健是抓什么 [地下水开采水利工程运转-地质环境演变] 流场动态 ──等水头线。 解决三水转化及地质环境的演变（生态环境退 化、地面沉降、海水入侵、污染地下水的迁移、 及岩溶塌陷 等等。 什么方法能获得流场 提纲提纲 3.1 3.1 “ 统计类统计类 ” 的方法 3.2 水文地质水均衡法 3.3 解析法 3.4 数值模拟法 的方法 3.2 水文地质水均衡法 3.3 解析法 3.4 数值模拟法 3.1 3.1 “统计类统计类”的方法的方法仅就地下水资源-环境而言 3.1.1 统计方法3.1.1 统计方法 3.1.2 系统方法黑箱法3.1.2 系统方法黑箱法 3.1.3 灰色系统方法3.1.3 灰色系统方法 3.1.4 模糊数学方法3.1.4 模糊数学方法 3.1.5 神经网络3.1.5 神经网络 共同的缺点 ①不讲机理模型认别时,其参数不受约束； ②不能给出流场。 优点资料要求相对较少 3.2 水文地质水均衡法3.2 水文地质水均衡法 3.2.1原理3.2.1原理 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ 河河 F t QQ⋅ Δ − ⋅− H1H2 μ 泄补 3.2.23.2.2可用来确定历史上某个未知量当其它量已知时； 但一般不能用来预测地下水开采动态──允许开采量 3.3 解析法3.3 解析法 3.3.13.3.1 优点优点 ①建立在一定机理之上； ②能给出流场和开采井中的水位； 3.3.23.3.2 缺点缺点 应用条件苛刻，许多问题尚无解析解。 3.3.3 解析法是非常重要的方法。3.3.3 解析法是非常重要的方法。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国 地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误▲ ▲ 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（1）（1） Dupuit 模型是地下水稳定井流最基本的模型（1863 年由法国学者 J. Dupuit 提出），其它稳定井流模型以该模型为基础派生而成；它也 是地下水资源评价的理论基础。平原和盆地地区普遍采用的“平均布 井法”井距等于 2 倍影响半径计算地下水的可采资源量（允 许开采量、可持续开采量），就是对 Dupuit 模型的直接应用。因 此， Dupuit 模型在水文地质学中具有极其重要的地位。 然而，20 世纪 50 年代它由前苏联以“影响半径模型”传入我 国。这个 Dupuit“影响半径模型”作为地下水最主要的模型在我国沿 用了数十年。 后来了解到，当时欧美也将 Dupuit模型刻画为“影响半径模 型”。直至 1972年，国际顶级学者 J. Bear著的多孔介质流体动力 学也还如此提法。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（2）（2） 2 1954年我国地下水动力学（苏.卡明斯基 著）教材, 2 1954年我国地下水动力学（苏.卡明斯基 著）教材, 裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型是“是“影响半径模型影响半径模型”” s t sw Q R 3 1961年去广东凡口矿实习出现一件怪事3 1961年去广东凡口矿实习出现一件怪事 按裘氏公式按裘氏公式 Q QD D πK πK 2H-s2H-s s s/ /lnln R R/ /r rw wR6000 mR6000 m 按福氏公式按福氏公式 Q QF F πK πK 2H-s2H-s s s/ /lnln 2λ2λ/ /r rw w λ4000 m λ4000 m 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（3）（3） 矛盾矛盾 考虑河流补给的福氏公式 考虑河流补给的福氏公式计算的流量反而计算的流量反而 小于小于不考虑河流补给的裘氏公式不考虑河流补给的裘氏公式 4 教材中4 教材中裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的错误错误 “影响半径模型“影响半径模型”” 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（4）（4） Δr R Q Q Q0 5 地下水流中的抽水井流能否稳定5 地下水流中的抽水井流能否稳定 裘布依稳定井流方程可否用于地下水流中的抽水 井 裘布依稳定井流方程可否用于地下水流中的抽水 井 不少论文认为不少论文认为“抽水初期以消耗储存量为主，逐 渐增加侧向补给量，直至抽水量全部来自侧向补给量 就稳定了。 抽水初期以消耗储存量为主，逐 渐增加侧向补给量，直至抽水量全部来自侧向补给量 就稳定了。” 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（5）（5） 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（6）（6） 6“可持续开采量可持续开采量天然补给量天然补给量” 上世纪五、六十年代，由上世纪五、六十年代，由前苏联前苏联著名学者著名学者彼图什科 夫 彼图什科 夫和和普洛特尼柯夫普洛特尼柯夫提出地下水资源评价理论、方法认为提出地下水资源评价理论、方法认为 当地下水的开采量小于天然径流量即该断面以上的天 然补给量时,地下水流可形成稳定流。 当地下水的开采量小于天然径流量即该断面以上的天 然补给量时,地下水流可形成稳定流。即，即，天然补给量 就是允许开采资源可持续开采量 天然补给量 就是允许开采资源可持续开采量。。欧美欧美也有类似的 见解。这个地下水资源评价的理论、方法，在 也有类似的 见解。这个地下水资源评价的理论、方法，在我国我国产生 极大的影响，所谓 产生 极大的影响，所谓用Dupuit公式（平面布井法）计算允 许开采量，再用补给量作为其保证的论证 用Dupuit公式（平面布井法）计算允 许开采量，再用补给量作为其保证的论证，就是上述理 论的具体应用。 ，就是上述理 论的具体应用。 2bqQw 分流线 补给宽度 2b 2bq 经典文献经典文献中的中的 经典井流图经典井流图 当当2bqQw时，时，流量均衡流量均衡，∴形成，∴形成稳定稳定地下水流地下水流 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评地下水资源评 理论理论上的上的失误失误（7）（7） 77陈崇希陈崇希1966年地下水动力学证明1966年地下水动力学证明 1）抽水未影响边界1）抽水未影响边界 假定假定 i 无入渗、无蒸发补排；无入渗、无蒸发补排； ii 初始地下水流稳定。 依水均衡 初始地下水流稳定。 依水均衡 * * Q QW Wt t -Δ -ΔV V储 储 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解 卜我国卜我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（8）（8） 影 响 范 围 的 边 缘 线 均 衡 地 段 的 边 缘 线 Q动 Q抽 即，即，抽出的水全部由储存量的消耗所提供 地下水径流量不能提供 开采量 抽出的水全部由储存量的消耗所提供 地下水径流量不能提供 开采量就水均衡而言就水均衡而言。。地下水径流量是为了维持漏斗区之外天然动态的,利用了 它,便破坏了天然动态,地下水位下降。 同样，若同样，若ii 有稳定入渗补给有稳定入渗补给，则水均衡，则水均衡 ∑qin,Ilit-∑qou,IlitRFt- QWtΔV储 ∵抽水前为稳定流，即 ∑qin,IliRFt∑qou,Ili ∴同样得∴同样得 Q QW Wt t - -ΔVΔV储 储 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（9）（9） 2）抽水已明显影响边界2）抽水已明显影响边界 ΔΔV V抽 抽 Δ ΔV V补 补- -Δ ΔV V泄 泄- -Δ ΔV V储 储 开采水量开采水量 补给增量补给增量 排泄减量排泄减量 储存量的消耗量储存量的消耗量 当 Δ当 ΔV V补 补 0 和Δ0和ΔV V泄 泄 0 时 0 时 上式转为上式转为ΔΔV V抽 抽 - -ΔΔV V储 储 只有当 Δ只有当 ΔV V补 补- -Δ ΔV V泄 泄 ΔΔV V抽 抽 时时 才能使才能使 ΔΔV V储 储 0 即,形成即,形成稳定井流稳定井流。。 这是这是地下水资源评价地下水资源评价中中极重要极重要的的指导原则指导原则。。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价理地下水资源评价理 论论上的上的失误失误（10）（10） ΔΔV V补 补 与-Δ与-ΔV V泄 泄 的分析 的分析 补给非地下水转化为地下水；补给非地下水转化为地下水； 排泄地下水转化为非地下水。排泄地下水转化为非地下水。 A A ΔΔV V补 补 a 地表水补给地下水的增加量图；a 地表水补给地下水的增加量图； b 降雨补给地下水的增加量图。b 降雨补给地下水的增加量图。 B B -Δ-ΔV V泄 泄 排泄量的减少量排泄量的减少量 a 地下水蒸发量的减少量图;a 地下水蒸发量的减少量图; b 排泄到地表水的量的减少量图。b 排泄到地表水的量的减少量图。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（11）（11） ΔΔV V补 补与-Δ 与-ΔV V泄 泄 的分析应注意的几个问题 的分析应注意的几个问题 AA 越流越流是属于含水系统内部的流动，属于径流; 是属于含水系统内部的流动，属于径流; 不宜单独评价承压含水层地下水资源如苏锡常，上 海，西安等 不宜单独评价承压含水层地下水资源如苏锡常，上 海，西安等 B 流场中“B 流场中“侧向补给增量侧向补给增量”实质上是地下水漏斗的扩 大、加深，是外围储存量的消耗。 ”实质上是地下水漏斗的扩 大、加深，是外围储存量的消耗。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（12）（12） 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评 价理论 地下水资源评 价理论上的上的失误失误（13）（13） 报告人报告人（1978年1978年我国首届地下水资源评价学术会议）（1） “在分析排泄的减少量中，必须区分是‘白捞的’ 还是有代 价的.对于后者,收益与代价应作对比.例如,对于蒸发和入海等排泄 减少量,可认为是‘白捞的’,但对于泉流量的减少是要付出相当代 价的.” 对于一个相邻含水层以越流形式补给的增量,将增加该相邻含 水层的排泄量为代价; 同样,对于一个相邻含水层以越流形式排泄的 减量,将减少其补给量为代价. “在分析排泄的减少量中，必须区分是‘白捞的’ 还是有代 价的.对于后者,收益与代价应作对比.例如,对于蒸发和入海等排泄 减少量,可认为是‘白捞的’,但对于泉流量的减少是要付出相当代 价的.” 对于一个相邻含水层以越流形式补给的增量,将增加该相邻含 水层的排泄量为代价; 同样,对于一个相邻含水层以越流形式排泄的 减量,将减少其补给量为代价. 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评 价理论 地下水资源评 价理论上的上的失误失误（14）（14） （1978年1978年我国首届地下水资源评价学术会议）（2） “关于与地表水相联系的含水系统的补给增量或排泄减量,.., 必须把 “关于与地表水相联系的含水系统的补给增量或排泄减量,.., 必须把地下水地下水与与地表水地表水 统一考虑统一考虑”。 “从补给增量与排泄减量评价开采储量可开采资源的原则来 看，在补给增量不大而排泄减量又要付出相当代价的地区, ”。 “从补给增量与排泄减量评价开采储量可开采资源的原则来 看，在补给增量不大而排泄减量又要付出相当代价的地区,人工补给人工补给 看来是看来是必要的措施必要的措施,在规划阶段最好就给予考虑”。,在规划阶段最好就给予考虑”。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评价地下水资源评价 理论理论上的上的失误失误（15）（15） 8 欧美情况8 欧美情况 美国著名学者美国著名学者Bredehoeft J. D. 最近在最近在 GROUND WATER 2002年年No.4 340-345发表论文批评水文地质界，述发表论文批评水文地质界，述“水文地质 界坚持一个观点，就是人们若能确定地下水系统的补给量，那 么就能确定可持续开采的最大量。 水文地质 界坚持一个观点，就是人们若能确定地下水系统的补给量，那 么就能确定可持续开采的最大量。”文中，文中， Bredehoeft用园岛模 型证明 用园岛模 型证明可持续开采量（允许开采量）等于地下水的补给增量 减去排泄增量。 可持续开采量（允许开采量）等于地下水的补给增量 减去排泄增量。这与本人这与本人1966年年在地下水任何流场内在地下水任何流场内存在天然 径流 存在天然 径流 证明的结论完全相同。证明的结论完全相同。 Bredehoeft 又述“又述“在和其他地下水专家讨论中，我发现 他们的概念并不清楚， 在和其他地下水专家讨论中，我发现 他们的概念并不清楚，尽管他们已经尽管他们已经60岁了。岁了。”” 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解我国我国地下水资源评地下水资源评 价理论价理论上的上的失误失误（16）（16） 9 1974年3月9 1974年3月报告人报告人提出提出裘布依模型裘布依模型应是“应是“园岛模型园岛模型”” R 海 RR 10 查历史文献 在国内寻找裘布依原著，未果。1981年从法国 复印来 10 查历史文献 在国内寻找裘布依原著，未果。1981年从法国 复印来裘布依原著裘布依原著。原著表明，裘布依模型刻画的 正是所论证的“ 。原著表明，裘布依模型刻画的 正是所论证的“园岛模型园岛模型”。从而”。从而纠正纠正了水文地质了水文地质 文献文献中一个中一个重大的错误重大的错误。同时为。同时为地下水资源评价理 论 地下水资源评价理 论提出了提出了新观点新观点和和评价方法评价方法。 3.3.4 历史上对3.3.4 历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（17）（17） y 裘布依稳定井流图式 （据J. 裘布依，1963） 3.3.4 历 史 上 对3.3.4 历 史 上 对 裘 布 依 稳 定 井 流 模 型裘 布 依 稳 定 井 流 模 型 的的 误 解误 解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（18）（18） 3.3.4 历史上对历史上对裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型的的误解误解- 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误（（19）） 导致导致地面沉降地面沉降 以往确定地下水开采层位的指导思想及其依据以往确定地下水开采层位的指导思想及其依据 1 以强导水层为开采层以强导水层为开采层 以往水文地质界往往寻找以往水文地质界往往寻找导水系数导水系数渗透系数与含水层厚度的 乘积 渗透系数与含水层厚度的 乘积大的含水层大的含水层作为作为开采层开采层，认为这种含水层的出水量大。，认为这种含水层的出水量大。 对于平原区对于平原区第四系沉积层第四系沉积层来说，由于剥蚀堆积规律，作为含水 层的沉积物一般宏观规律是 来说，由于剥蚀堆积规律，作为含水 层的沉积物一般宏观规律是 下部粗又厚下部粗又厚，，往上变细、变薄往上变细、变薄，如华北 平原，长江三角洲等地区大多如此。开采深部承压含水层还有一个 优点，由于自然条件下 ，如华北 平原，长江三角洲等地区大多如此。开采深部承压含水层还有一个 优点，由于自然条件下区域地下水流的特点区域地下水流的特点，在沉积盆地的低洼 处， ，在沉积盆地的低洼 处，地下水往往自下而上地循环地下水往往自下而上地循环，即，即深部含水层的水头高于浅部深部含水层的水头高于浅部， 钻孔愈往深处延伸，井中的水位愈高，当条件合适时，井中地下水 还能 ， 钻孔愈往深处延伸，井中的水位愈高，当条件合适时，井中地下水 还能自流自流初期初期 。这一规律又支持了从深部承压含水层取水的思路。。这一规律又支持了从深部承压含水层取水的思路。 2“富水性富水性”与被误解了的与被误解了的“裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型”的误导的误导 上述上述思路思路、、倾向倾向还找到还找到水文地质学水文地质学中中“富水性富水性”和和被误解了的被误解了的 “裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型” “理论上理论上”的依据。的依据。 “富水性富水性”本应本应是是含水层导水性含水层导水性反映含水层过水能力反映含水层过水能力与与补给补给-排 泄条件 排 泄条件补增补增-排减排减的的总和总和。与。与外界外界补给补给-排泄排泄隔绝的强导水含水层隔绝的强导水含水层不 能是富水的， 不 能是富水的，傍河的极弱透水介质傍河的极弱透水介质中也抽不出大的流量，因此两个 条件缺一不可。 中也抽不出大的流量，因此两个 条件缺一不可。 然而长期以来许多然而长期以来许多水文地质文献水文地质文献以以井孔的单位井孔的单位降深降深流量流量q为为富 水性 富 水性的具体的具体指标指标，而获得，而获得q的抽水试验的延续时间，短者的抽水试验的延续时间，短者8h3d，长 者 ，长 者3d10d，，超过超过10d的属个别特殊情况。不管抽水试验的时间是较长 还是较短，它总归是一种 的属个别特殊情况。不管抽水试验的时间是较长 还是较短，它总归是一种试验的时间试验的时间。。 对于承压含水层，特别是对于对于承压含水层，特别是对于深部承压含水层深部承压含水层做做抽水试验抽水试验，在 这段时间内提供抽水井流量的主要是含水系统 ，在 这段时间内提供抽水井流量的主要是含水系统储存量的释放储存量的释放。这种 情况下抽水试验所得的 。这种 情况下抽水试验所得的单位降深流量单位降深流量q并不反映并不反映含水系统的含水系统的补增补增-排 减 排 减条件条件，主要反映，主要反映含水系统的过水能力含水系统的过水能力和有效井径和有效井径，称它为，称它为“富水 性 富水 性”就就不合适不合适了，以它为了，以它为标志标志来选择深部承压含水层来选择深部承压含水层虽然是强导水 层 虽然是强导水 层为地下水水源地开采层为地下水水源地开采层的的依据依据则更不恰当了。则更不恰当了。 作为地下水水源地的开采是长期的，而作为地下水水源地的开采是长期的，而长期地抽取地下水，其 漏斗 长期地抽取地下水，其 漏斗必定会向四周、上下发展，并影响到必定会向四周、上下发展，并影响到补给边界补给边界和和排泄边界排泄边界，然 而地下水系统的补给 ，然 而地下水系统的补给降雨入渗、地表水等降雨入渗、地表水等、排泄、排泄蒸发、地表水等蒸发、地表水等 基本上都在基本上都在地表地表和和浅层。浅层。当开采深部承压含水层，该层的当开采深部承压含水层，该层的水头降深水头降深 向表部发展向表部发展向表部发展以向表部发展以改变补给量改变补给量、、排泄量排泄量时，时，每通过一粘性土层每通过一粘性土层，由于其 渗透系数很小，便 ，由于其 渗透系数很小，便产生一个很大的水头损失产生一个很大的水头损失，累积的水头损失就相 当可观了。这就是在深部承压含水层开采地下水导致 ，累积的水头损失就相 当可观了。这就是在深部承压含水层开采地下水导致水头大幅度的 降深 水头大幅度的 降深图图1的原因。如果各土层的压缩系数不是过小，则每层具一定 的压缩量，各层累积起来，导致明显的 的原因。如果各土层的压缩系数不是过小，则每层具一定 的压缩量，各层累积起来，导致明显的 地面沉降地面沉降 然而然而被误解了被误解了的的“裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型”[1][2]是在平面上无限延伸是在平面上无限延伸 的含水层中用一个的含水层中用一个“影响半径影响半径’将其圈定，而将其圈定，而“影响半径影响半径”处的水头保 持常量，即 处的水头保 持常量，即水头降深为零水头降深为零。这就将。这就将“补增补增-排减排减”原本发生在原本发生在浅表层浅表层的 补 的 补-排边界，排边界，人为地人为地、、错误地错误地下移到深部开采层下移到深部开采层中 离抽水井不远中 离抽水井不远的位 置，从而不费多大力气 的位 置，从而不费多大力气抽水井抽水井无需很大的水头降深无需很大的水头降深即可得到即可得到“影响 半径边界 影响 半径边界”处获得处获得大量的大量的“补增补增-排减排减”。这是由于开采井与。这是由于开采井与“影响半径 补给边界 影响半径 补给边界”之间无粘性土隔开之间无粘性土隔开。。 正是正是“富水性富水性”指标指标单位降深流量单位降深流量q成为成为从深部承压含 水层取水 从深部承压含 水层取水的的“理论理论”依据。依据。 而而“富水性富水性”指标指标单位降深流量单位降深流量q的的“理论基础理论基础”是是被误 解了 被误 解了的的“裘布依稳定井流模型裘布依稳定井流模型”“影响半径影响半径”模型模型。。 对此由裘布依方程改写可看出，对此由裘布依方程改写可看出， q 另外，基于此另外，基于此“理论理论”的的“平均布井法平均布井法”80年代前应用十分广泛年代前应用十分广泛， 依它计算的地下水 ， 依它计算的地下水允计开采量允计开采量可能可能很大很大，然而一旦实施，便产生，然而一旦实施，便产生区 域性的 区 域性的、大降深的漏斗，甚至地下水水头、大降深的漏斗，甚至地下水水头持续性地下降持续性地下降，引发了，引发了环 境地质问题。 环 境地质问题。 综上所述，在综上所述，在深部承压含水层深部承压含水层做做抽水试验抽水试验，由于抽水持续时间 有限，提供抽水流量的主要是弹性储量的释放，通常不会造成位于 ，由于抽水持续时间 有限，提供抽水流量的主要是弹性储量的释放，通常不会造成位于 浅层浅层的地下水的地下水补给量补给量和和排泄量排泄量的明显的明显变化变化;由抽水试验获得的由抽水试验获得的“单位 降深流量 单位 降深流量q”实际上主要反映的仅仅是含水层的实际上主要反映的仅仅是含水层的过水能力过水能力和有效井 径 和有效井 径，因此不能以它来确定地下水的开采层位的依据。，因此不能以它来确定地下水的开采层位的依据。 依我们提出的依我们提出的可持续开采资源可持续开采资源的概念，是的概念，是补给增量补给增量与排泄减量与排泄减量 之和之和。地下水开采层位的选取，不能以传统的。地下水开采层位的选取，不能以传统的“单位降深流量单位降深流量q”来定 位。 来定 位。 只有当只有当开采量开采量等于等于补给量的增量补给量的增量与与排泄量的减量排泄量的减量之之和和时才能形 成地下水的 时才能形 成地下水的稳定井流稳定井流[1]，而某一流量开采后，而某一流量开采后能否形成稳定流场能否形成稳定流场及及由 此流场所决定的是否引起地质环境问题 由 此流场所决定的是否引起地质环境问题是确定含水系统是确定含水系统可持续开采 量 可持续开采 量地下水资源评价的核心内容地下水资源评价的核心内容的的理论基础理论基础。笔者一再强调必须 严格区分 。笔者一再强调必须 严格区分不稳定井流不稳定井流与与稳定井流稳定井流两种状态，千万不要混淆两种状 态，否则会导致 两种状态，千万不要混淆两种状 态，否则会导致地下水资源评价地下水资源评价上的上的失误失误。。 稳定井流稳定井流是有是有条件条件的，若抽水相当长的时间之后仍是不稳定流 动，尽管地下水 的，若抽水相当长的时间之后仍是不稳定流 动，尽管地下水水头降速已很慢水头降速已很慢，但意味着开采量的一部分或全部 仍依靠 ，但意味着开采量的一部分或全部 仍依靠储存量储存量的的释放释放来提供。来提供。 这里可能存在一个这里可能存在一个误解误解 把抽水初期地下水水头降速快把抽水初期地下水水头降速快，后期变，后期变 慢慢的现象误认为得到了的现象误认为得到了补给补给补给增量与排泄减量补给增量与排泄减量，有的甚至解释为 获得 ，有的甚至解释为 获得“动储量动储量”的补给。实际上即使没有任何补给时，其的补给。实际上即使没有任何补给时，其s- t曲线曲线的类 型也是如此。这时降速变小是由于漏斗范围扩大，单位时间内一个 小小的水头降深所释放的储量就可满足同时间内井的抽水量。就这 个意义来说，抽水 的类 型也是如此。这时降速变小是由于漏斗范围扩大，单位时间内一个 小小的水头降深所释放的储量就可满足同时间内井的抽水量。就这 个意义来说，抽水开采开采没有一点稳定的倾向，因为抽取的全部是储 存量。 没有一点稳定的倾向，因为抽取的全部是储 存量。 3.3.4 历 史 上 对历 史 上 对 裘 布 依 稳 定 井 流 模 型裘 布 依 稳 定 井 流 模 型 的的 误 解误 解 我国我国地下水资源评价理论地下水资源评价理论上的上的失误失误20 小结小结 （1）裘布依稳定井流是（1）裘布依稳定井流是园岛模型，园岛模型，应用受限。应用受限。 （（2）） “影响半径影响半径”模型是德国土木工程师模型是德国土木工程师Thiem所提出。他认为在水 平方向无限延伸的含水层中的 所提出。他认为在水 平方向无限延伸的含水层中的R值可以近似取为从抽水井中心到实际 上观测不出地下水位下降处的水平距离，这样就引出 值可以近似取为从抽水井中心到实际 上观测不出地下水位下降处的水平距离，这样就引出“影响半径影响半径”的 概念。 的 概念。* （（3）地下水开采量由）地下水开采量由3部分组成补给增量、排泄减量和储存消耗量。部分组成补给增量、排泄减量和储存消耗量。 补给增量补给增量排泄减量排泄减量属于属于“可持续开采资源可持续开采资源”；； 储存资源储存资源不属于不属于“可持续开采资源可持续开采资源”；； （（4）） “影响半径影响半径”模型可能导致模型可能导致地下水资源枯竭地下水资源枯竭，，地质环境恶化地质环境恶化。。 （（5）） 地下水深部资源问题地下水深部资源问题 3.4 3.4 数值模拟法 （2）数值模拟法 （2） 3.4.2 3.4.2 特点特点 （1）模拟工作量大,主要是（1）模拟工作量大,主要是模型识别模型识别的工作量大。的工作量大。 模型认别模型认别正是对正是对水文地质条件水文地质条件的的再认识再认识的过程。（如的过程。（如山东顾家台山东顾家台大型 抽水试验模型西此边界的识别，发现岩性天窗； 大型 抽水试验模型西此边界的识别，发现岩性天窗；渭北岩溶水渭北岩溶水，等），等） （2）要使用好,其难度较其它方法大；（2）要使用好,其难度较其它方法大； 要求要求 ① 善于分析水文地质条件① 善于分析水文地质条件； ② 具有较扎实的地下水动力学 ； ② 具有较扎实的地下水动力学基础地下水运动机理； ③ 有较好的数学 基础地下水运动机理； ③ 有较好的数学和计算机和计算机基础； ④ 具有一定模拟经验 基础； ④ 具有一定模拟经验 。 ⑤ 具有责任心 。 ⑤ 具有责任心 。。 四四 数值模型设计及其对水文地质 勘查的要求 （ 数值模型设计及其对水文地质 勘查的要求 （略略）） 水文地质勘查水文地质勘查应考虑建立数值模型的需要； 数值模型设计数值模型设计要考虑已有的和可能获取的资料。 4.0 概述 4.1 资料搜集 4.2 模型设计 4.0 概述4.0 概述 建立数值模型的三个阶段 概念模型概念模型 下面重点讨论 数学模型数学模型 一维、二维、准三维、三维与稳定流、 不稳定流的组合 数值模型数值模型 数值模拟一般分两个阶段 反演反演 模型识别或模型校正,模拟求参模拟求参只是其 中一个重要内容； 正演正演 模拟预测。 4.1 资料搜集4.1 资料搜集 4.1.1 模型范围、边界4.1.1 模型范围、边界； ①原则原则 i 模型范围内水文地质条件基本清楚与勘查阶段相适应 ii 边界尽可能取自然边界; 人为边界尽可能取远一点。 iii 反演模型的范围尽可能与正演的一致。 咸淡水的分界线是否应作为模型的边界 ②要求要求 为了求准TK, 要求 J 不得太小； 为了求准Kz, 要求 δH/δz 不得太小； 为了求准μ, 要求 δH/δt 不得太小； ③模拟时段模拟时段 一般要求一个水文年以上 4.1.2 4.1.2 各含水层、弱透水层软、硬土层的顶、底面等高线； 可进一步要求含水层中的砂层等厚线;弱透水层中的粘 性土等厚线 4.1.3 4.1.3 各含水层、弱透水层的岩性,非均质分区 岩性天窗及参数 上下限； 4.1.4 4.1.4 初始等水头线各含水层,甚至各弱透水层 H x, y, z, t 0H0 4.1.5 4.1.5 边界条件 HBINPB1，NDT； QB2NPB2，NDT 4.1 资料搜集4.1 资料搜集2 4.1.6 源汇项4.1.6 源汇项 二维模型的某些源汇,对于三维模型则成为上边界条件 ① 降雨入渗补给 RA30RA5 α分区包气带厚度、岩性, α值上下限 ② 潜水蒸发 ③ 水田入渗 ④ 地表水入渗补给或排泄 ⑤抽水井回灌井 类型垂直井、水平井；点井、面井； 性质完整井、非完整井；混合井、非混合井； 流量 4.1 资料搜集4.1 资料搜集3 4.1.7 观测数据4.1.7 观测数据 ① 观测孔 i 分混合孔和非混合孔平面孔位、层位、井结构 ii观测孔水位动态 ② 泉流量动态及泉口标高 ③ 自流井流量动态及井孔结构、井口标高 ④ 抽水井动水位动态及流量动态 ⑤混合井的井孔结构（含井径）及流量动态 4.1 资料搜集4.1 资料搜集4 4.2.1 4.2.1 水文地质概念模型水文地质概念模型的确定的确定极其关健的一步 根据水文地质条件水文地质条件含水系统结构、补排条件和地下水流 动特征 、所研究问题所研究问题纯水流或沉降问题及资料占有资料占有情况等 来确定。 1 原则1 原则 ①要简化；②不失真。 2 流动模型分类2 流动模型分类 ① 二维流、准三维流和三维流模型; ② 稳定流和不稳定流模型。 3 模型设计注意事项及防止模拟失真种种3 模型设计注意事项及防止模拟失真种种第五部份将重点分 析 4.2.2 流动微分方程和定解条件4.2.2 流动微分方程和定解条件 4.2.3 剖分原则4.2.3 剖分原则 4.2 模型设计4.2 模型设计 谢谢谢谢 谢谢谢谢 联系电话 联系电话 （北京010-8232 2725（北京010-8232 2725 河西走廊 疏勒河流域河西走廊 疏勒河流域 地下水三维流数值模拟地下水三维流数值模拟 陈崇希陈崇希 中国地质大学中国地质大学 目录 自然地理及地质-水文地质条件自然地理及地质-水文地质条件 水文地质概念模型水文地质概念模型 模型的特色模型的特色 数学模型数学模型 模型识别模型识别 模拟预测模拟预测 结论结论 自然地理条件自然地理条件 1. 地形地貌地形地貌 南部南部祁连山祁连山；北部；北部北山北山；中间；中间河西走廊平原区河西走廊平原区，被，被宽滩山宽滩山和和北截山北截山分割成分割成花 海盆地 花 海盆地、、玉门-踏实盆地玉门-踏实盆地和和安西-敦煌盆地安西-敦煌盆地.区内地形总的特点是南高北低和东高 西低 。 .区内地形总的特点是南高北低和东高 西低 。 2. 气象气象 气候特点气候特点降水稀少，蒸发强烈降水稀少，蒸发强烈 多年平均年降水量为多年平均年降水量为36.8-62.0 mm36.8-62.0 mm， 多年平均蒸发强度 ， 多年平均蒸发强度2490-3240mm,2490-3240mm, 3.