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1、兰州大学硕士学位论文酒泉盆地地下水系统数值模拟研究姓名：王刚申请学位级别：硕士专业：水利工程水文学及水资源指导教师：魏国孝20070501酒泉盆地地下水系统数值模拟研究摘要洒泉盆地位于甘肃省黑河流域中游，是我国西北干旱内陆河流域的典型山前倾斜自流盆地之一。该盆地南以祁连山褶皱带北缘断层和祁连山褶皱带为界，北以冲断层前锋逆冲断层与前陆凹陷相邻，东、西分别终止于榆木山隆起(高台一南华基底隆起)和嘉峪关断层。东西长约2 5 0 0 k m，南北宽约l O O 一1 5 0 k m，是甘肃省酒泉市重要的工业、农业生产基地，也是该市地下水资源富集区及主要生产生活用水供给区。自第四系以来，在特定的沉积环境
2、下堆积了巨厚的松散冲洪积沉积物。受水流与地质的作用，沉积物颗粒由西南向东北由以砂砾石为主逐渐过渡为粘土及粉沙，厚度由厚逐渐变薄。形成了一个具有完整的补给、径流、排泄条件的由单层过渡为多层的独立的水文地质单元，为地下水的存储和运移提供了良好的空间。近年来，为满足盆地内工农业的发展的需求，大量水利工程修建和人口大幅度的增加，使该区水资源处于一种严重过度利用状态，同时大量水利工程的兴建也在缓慢的改变着地下水系统的自身的补给一径流一排泄关系，影响着本区内区域尺度上的水文循环过程及气象、气候因素。造成了地下水位大幅度下降，生态植被大片死亡，土壤次生盐渍化，沙漠化面积迅速扩大，沙尘暴活动日趋频繁等严重的生
3、态环境问题。因此，对该盆地水资源进行客观、合理的评价、规划、利用与管理，是促进该地区及黑河流域水资源可持续发展的关键所在。本文在收集酒泉盆地地质及水文地质基础资料的基础上，基于水流的连续性方程和能量守恒等基本理论，采用G I S 数据处理技术与F E F L O W 地下水数值模拟专业软件相结合，建立了酒泉盆地三维地下水含水系统模型，并利用率定后的模型对研究区地下水资源进行了定量评价，取得的主要成果有：(一)依据地质剖面和钻孔资料，建立了酒泉盆地三维水文地质概念模型和数学模型。并利用F E F L O W 地下水有限元数值模拟软件建立了相应的数值模型，通过对模型进行多次调参、运行、识剐，结果表
4、明模型基本达到了对水文地质体的仿真，为酒泉盆地地下水资源的优化、管理、开采提供了科学的依据。(二)为了提高模型的仿真度，在建模过程中选用了水文地质自然边界(如断层、地下水分水岭等)作为研究区的模型边界，模型计算总面积为4 1 2 7 0 k m 2。研究表明酒泉盆地在现状水平年(2 0 0 3 年)地水资源总补给量为7 0 5 6 2 1 0 8 m e，排泄量8 2 1 4 6 X1 矿m 3。补给量按灌区计算，其中讨南讨北灌区为2 7 4 6 4 X1 0 8 m 3、清水灌区O 5 9 6 1Xl O S m 3、临水灌区O 8 2 5 3X1 0 8 m 3、洪水灌区1,2 6 2 6
5、 X1 0 8 m e、红山灌区0 3 4 4 5 X 1 0 8 m 3、观山O 0 5 4 2 X 1 0 8 m 3、丰乐灌区O 5 9 3 8 1 0 8 m 3、马营灌区O 6 3 3 4 1 0 8 m 3。(三)利用建立的模型，预测了酒泉盆地地下水系统资源在P=5 0、7 5、9 5 不同地表径流保证率条件下的地下水资源补给、排泄量及潜水流场。预测表明在P=5 0 保证率下，总补给量为7 7 3 4 6 1 0 m 3，排泄量为8 7 2 0 8 X1 0 S m 3，地下水系统总均衡量为-0 9 8 6 2 1 0、p；P=7 5 条件下，总补给量为7 1 6 6 3Xl O
6、n 3，排泄量为8 3 7 8 9 X1 0 8 m 3，地下水系统总均衡量为一1 2 1 2 6 1 0 S m a；P=9 5 条件下，总补给量为6 3 6 1 0 Xl O m 3，排泄量为7 8 4 7 7 X1 0 8 m 3，地下水系统总均衡量为一1 4 8 6 7 X1 0、n 3。关键词：黑河流域；酒泉盆地；G I S：F E F L O W：地下水资源；数值模拟I IG r o u n d w a t e rS y s t e mN u m e r i c a lS i m u l a t i o no fJ i u q u a nB a s i nA b s t r a c
7、 tT h eJ i u q u a nb a s i ni sl o c a t e di nt h em i d d l eo f H e i h eR i v e ri nt h eG a u s uP r o v i n c e w h i c hi so n eo ft h et y p i c a ll a r g e-s e a l e di n l a n df i v e rb a s i n si nt h en o r t h w e s ta r i di n l a n dr i v e r T h eb a s i ni sb e s i e g e db yt h
8、 ef a u l to fQ i l i a nM o u n t a i ni nt h es o u t h、t h ea p o p h y s i so f N o r t hM o u n t a i ni nt h en o r t ha n dt h eW e s ta n dE a s ti ss e p a r a t e l yt h ef a u l to f J i a y u g u a n、t h eg r o u n d w a t e rw a t e r s h e do f Y u m um o u n t a i n M e a n w h i l e，
9、t h eJ i i u q u a nB a s i ni st h ei m p o r t a n ti n d u s t r y,t h ea g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o nb a s ea n dt h ea r e ao fs u p p l i e dw a t e r w h i c hi sa p p r o x i m a t e l y2 5 0 0 k mi nl o n ga n d1 0 O 一1 5 O k mi nw i d t h S i n c et h eQ u a t e r n a r y，J i u
10、 q u a nb a s i nh a sv i o l e n t l ys u b s i d e da n dd e p o s i t e dm a s s i v el o o s es e d i m e n t s U n d e rt h ec o n t r o lo ff l u v i a t i o na n dg e o l o g y，t h es e d i m e n tc o m p o n e n t sg r a d u a l l yc h a n g ef r o mg r i t st Oc l a ya n ds a n d sf r o ms
11、o u t h-w e s tt On o r t he a s t。w h i l et h et h i c k n e s sb e c o m e st h i nl i t t l eb yl i t t l e T h e s ea l l u v i u m sa n df l u v i a ls e d i m e n t sc o n s i s to ft h ea q u i f e rc h a n g e df r o ms i n#e-a q u i f e rt Om u l t i p l y-a q u i f e r s，a n dp r o v i d
12、eaw e l ls p a c eo f g r o u n d w a t e rm o v e m e n tw i t hr e c h a r g e，f l o wa n dd i s c h a r g ec o n d i t i o n s I nr e c e n ty e a r s，m a s s i v eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gh a v eb e e nc o n s t r u c t e di no r d e rt om e e tt h en e e d so fd e v e l o p m e n t
13、o fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ei nt h eb a s i n，a n dt h ep o p u l a t i o ni sg e t t i n gl a r g e ra n dl a r g e r,w h i c hc a u s e dt h i sg r o u n d w a t e rr e s o u r c e st ob ea tas e r i o u s l ye x c e s s i v eu s a g es 姆A tt h es a m et i m e，t h em a s s i v ea c
14、 t i v i t yo fc o n s t r u c t i o ni sc h a n g i n gt h er e l a t i o no fr e c h a r g e，r u n o f f,d i s c h a r g ea n dh y d r o l o g i cc y c l ei nt h eg r o u n d w a t e rs y s t e mi t s e l fa n da f f e c t st h ew e a t h e r,c l i m a t ea n dt h eh y d r a u l i cc y c l i n go
15、nar e g i o n a ls c a l ei nt h es t u d ya r e a A l lt h ea b o v ef a c t o r sh a v ec a u s e ds e r i o u se c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u e s t i o n ss u c ha s t h eg r o u n d w a t e rl e v e ld e c l i n i n g,t h ee c o l o g yv e g e t a t i o nd y i n g，t h es o i ls e c
16、o n d a r ys o l i d i f i c a t i o n，t h ed e s e r te x p e n d i n g，a n dt h es a n ds t o r mw o r s ea n dw o r s ea n ds oo n T h e r e f o r e，i ti sv i t a lt Or e a s o n a b l ya p p r a i s e，p l a n,e x p l o i ta n dm a n a g et h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c ef o rt h es u s t
17、 a i n a b i l i t yd e v e l o p m e n to ft h es t u d ya r e aa n dH e i h eR i v e r C o l l e c t i n gt h eg e o l o g ya n dh y d r o l o g yg e o l o g yo ft h es t u d ya r e a,b a s e do nt h ef l u e n te q u a t i o no fc o n t i n u i t ya n dt h ee n e r g y，t h ea u t h o rb u i l tt
18、h e3 Dn u m e r i c a lm o d e lo ft h eg r o u n d w a t e rs y s t e m,w i t ht h eh e l po f G I St e c h n i q u ea n dF E F L O W，a n dc a l i b r a t e dt h ee s t a b l i s h e dm o d e lb yt h eo b s e r v e dd a t ao fw e l l s，m e a n w h i l eU Si n gt h ec a l i b r a t e dm o d e l，e v
19、a l u a t e dt h eg r o u n d w a t e rr e c o u r s e T h em a i na c h i e v e m e n t so f t h es t u d ya t ea sf o l l o w：I l l(1)E s t a b l i s h e dt h et h r e e-d i m e n s i o nh y d r o g e o l o g yc o n c e p t i o na n dm a t hm o d e lo ft h ea q u i f e rs y s t e m,b a s e do nt h
20、 eg e o l o g i c a lc r o s ss e c t i o n sa n dd r i l lh o l e so ft h es t u d ya r e a,a n db u i l t 叩t h ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a lm o d e lb yF E F L O W T h r o u g hm a n yat i m e so fa d j n s t m gt h ep a r a m e t e r s，r e s o l v i n g，a n dc a l i b r a t i n gt h
21、 er e s u l t so ft h em o d e l，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ee s t a b l i s h e dm o d e lc a nw e l Ir e f l e c tt h ec o n d i t i o i l so ft h es t u d ya r e a,a n dc a l lb eu s e dt oo p t i m i z e，m a n a g e，a n da t t e m p t e rt h eg r o u n d w a t e rr e s o u r e eo f t h eJ
22、 i u q u a nb a s i n 勰s c i e n t i f i cb a s i c s(2)T h em o d e lc o v e s4 1 2 7 0k m 2o rs o,a n dm o s tb o u n d a r i e so ft h em o d e la l es e l e c t e da tt h en a t u r a lb o d y sb o u n d a r i e s(s u c ha sf a u l t s，w a t e r s h e d，e t c)，t h u se n h a n c i n gt h ep r e
23、c i s i o no fs i m u l a t i o n T h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt h et o t a lr e c h a r g e sv 0 1 w a sa b o u t 7 0 5 6 2 1 0 s m 3 a n dt h ed i s c h a r g ev 0 1 w a sa b o u t8 2 1 4 6 X1 0 s m 3 0 nt h ep r e s e n ts i t u a t i o ny e a r(2 0 0 3)O ft h er e c h a r g e s，t
24、h eN o r t ha n dS o u t hi r r i g a t i o no fT a o l a iR i v e rw a s2 7 4 6 4 l0 8 m，t h eQ i n g s h u ii r r i t a t i o nw n s0 5 9 6 1 10 8 m 3，t h eL i n s h u ii r r i t a t i o nw a sO 8 2 5 3 x1 0 3，t h eH o n g s h u ii r r i t a t i o nw a s1 2 6 2 6 x1 0 S m a，t h eH o n g s h a ni r
25、 r i t a t i o nw a sO 3 4 4 5 x ls3，t h eG a n s h a ni r r i t a t i o nO 0 5 4 2 x 1 0 sm 3，t h eF e n g l ei r r i t a t i o nw a sO 5 9 3 8 x 1 0 8m 3 a n dt h eM a y i n gi r r i t a t i o nw a s0 6 3 3 4 x 1 0 8m 3(3)B yt h ec a l i b r a t e dn u m e r i c a lm o d e l，f o r e c a s t e dt h
26、 er e c h a r g e，d i s c h a r g ea n dt h ef l o wf i e l d so fu n c o n t i n e da q u i f e ro nt h eP=5 似，7 5，9 5 d i f f e r e n ts u r f a c e-r u n o f ff r e q u e n c y T h er e s u l t so ft h ef o r e c a s ta r et h a t：o nP=5 0 c o n d i t i o n,t h et o t a lr e c h a r g ei s7 7 3 4
27、 6 1 0，t h ed i s c h a r g ei s8 7 2 0 8 l0 8 一a n dt h eb a l a n c ei s O 9 8 6 2X1 0 8 m 3；O nP=7 5 c o n d i t i o n，t h er e c h a r g ei s7 1 6 6 3X1 0 8 m 3，t h ed i s c h a r g ei s8 3 7 8 9 X1 0 8 m 3 a n dt h eb a l a n c ei s 一1 2 1 2 6 X1 0 S m 3；a n do nt h eP-9 5 c o n d i t i o n,t h
28、 er e c h a r g ei s6 3 6 1 0 1 0 8 m 3，t h ed i s c h a r g ei s7 8 4 7 7 1 0 S m 3，a n dt h eb a l a n c ei s 1 4 8 6 7 X1 0 m 3 K e yw o r d s：H e i h eR i v e r；J i q u a nb a s i n；G I S；F E F L O W；G r o u n d w a t e rr e s o u r c e；N u m e r i c a lS i m u l a t i o n1 v图表清单图l l 技术路线图图3 一l
29、研究区行政区划图图3 2 研究区交通地理位置图图3 3 研究区地貌示意图图3 4 研究区水系及水利工程分布图图3 5 研究区构造分区略图图3 6 酒泉盆地北大河北岸全新统地层示意图图3 7 嘉峪关断层剖面图图3 8 冰沟一下水阴水文地质剖面图3 9 金塔一临水一上坝水文地质剖面图3 1 0 新地一怀茂水文地质剖面图4 一l 模型边界条件空间示意图图4 2 研究区各s l i c e 高程等值线图图4 3 研究区平面有限元网格剖分图图4 4 研究区空间有限元网格剖分图图4 5 研究区空间有限元网格内部结构剖分图图4 6 研究区观测井位空间分布图图4 7 利用观测井形成的初始流场图4 8 稻房子、
30、道湖间、下水阴在F E F L O w 中排泄地下水动态过程图图4 9 鸳鸯池水位多年动态变化过程图4 1 0 研究区内主要构造单元图图4 一1 1 研究区灌区及渠系分布图图4 一1 2 研究区土地利用类型分布图图4 1 3 研究区土壤类型分布图图4 1 4 源汇项综合叠加结果代表点在F E F L O W 模型中示意图图4 一1 5 研究区钻孔分布图图4 一1 6 观钡9 井实测水位动态与模型计算水位动态动对比曲线。图4 1 7 潜水层K。、K。渗透系数分布图V I I图4 一1 8 潜水层K。渗透系数分布图图4 1 9 潜水层给水度分布图图4-2 0 承压区K。、K v v 透系数分布图图
31、4 2 1 地下水系统在P=5 0 地表径流保证率条件下潜水流场预测图图4 2 2 地下水系统在P=7 5 地表径流保证率条件下潜水流场预测图图4 2 3 地下水系统在P=9 5 地表径流保证率条件下潜水流场预测图表3-1 黑河流域多年平均主要气象要素统计表表3 2 流经酒泉盆地主要河流地表多年平均径流量一览表表3 32 0 0 4 年肃州区农村社会经济概况表表3 42 0 0 4 年肃州区土地利用类型面积汇总表表4 1 北山沟谷排泄时程特征计算表表4 2 研究区地下水模型源汇项计算参数表4 3 酒泉盆地潜水含水层钻孔及渗透性一览表表4 4 酒泉盆地承压水含水层钻孔及渗透性一览表表4 5 酒泉
32、盆地现状条件(2 0 0 3 年)下地下水均衡计算成果表表4 6 酒泉盆地现状条件下地下水均衡计算成果表(P=5 0)表4 7 酒泉盆地现状条件下地下水均衡计算成果表(P=7 5)表4 8 酒泉贫地现状条件下地下水均衡计算成果表(P=7 5)v 1 1 1原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均己明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文
33、作者签名：二互畛日期：盘受生L关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的淦文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰计I 大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：鸥导师签名：徽日期：峨一兰州人学硕十学位论文酒泉盆地地下水系统数值模拟研究第一章前言1
34、1 研究背景及意义1 1 1 研究背景随着现代工农业发展和人类生活水平的不断提高，人类生产和生活活动对水资源的需求在对水量增加追求的同时，对水质也提出了更高的要求。但是在工农业现代化的过程中，各企业各部门发挥经济效益的背后，水资源正不同程度的受到威胁。2 0 0 6 年3 月联合国教科文组织(U n i t e dN a t i o n sE d u c a t i o n a lS c i e n t i f i ca n dC u l t u r a lO r g a n i z a t i o n，U N E S C O)发出通告，全球约有1 5 的人无法获得安全的饮用水，缺水和不合理使
35、用水资源而产生的环境问题已经成为2 1 世纪面临的重大课题(陈梦熊，2 0 0 3)。据统计在世界上许多国家和地区，水资源普遍受到不同程度的污染，尤其是地表水资源。地下水是水资源中重要的一部分，与地表水相比具有水质良好、水量稳定、不易受污染等特点。因此，人们在生产生活中把地下水作为生产、生活的主要来源，长期大量开采地下水，使地下水处于一种超采状态。引起了植被退化、地面沉降、池沼湿地疏干、淡水咸化、生态破坏等一系列问题，尤其在我国西北干旱内陆河区，地下水资源的开发与利用对生态环境具有更重要的影响。从某种意义上来说，水作为自然环境的组成要素，既是一切生物赖以生存和发展的基本条件，又是人类生活、生产
36、过程中不可缺少的重要资源(沈振荣，1 9 9 2)。水资源供需失衡和生态系统恶化已经成为新世纪可持续发展的主要制约因素。近5 0 多年来，随着人口增加、经济和社会的迅速发展，对地下水的超量开采及不合理的利用，导致地下水位大幅度下降，滨海地区海水倒灌引起地下水水质恶化。也出现了沙尘暴增多、植被退化、土地沙漠化等一系列严重的生态环境问题，给人民的生存环境、经济发展带来了严重影响。因此，以社会、经济可持续发展，地下水资源永久持续利用和社会经济与环境协调发展为原则，对地下水资源进行科学管理，是2 l 世纪我国面临的重要任务(陈望和，2 0 0 2)。如何合理地开发利用地下水资源，实现区域和流域地下水、
37、地表水的联合调度，并建起健全的流域水循环体系、实现水资源的可持续利用，是当今科学研究领域里及其重要的课题(张宗祜等，2 0 0 0)。在干旱西北内陆地区，随着西部大开发战略的进一步实施，要做到环境与发展的协调，就必须解决好水资源的开发、利用与管理。尤其是地下水资源的开采与利用问题，尽可能的做到既满足实际用水量的需要，又符合区域地下水资源的开采准则。就要对地下水资源从定量与定性相结合角度去评价，从而制定出一套适合本区域最优开采与布局方案。地下水数值模拟方法是一种快速、准确、经济的方法，能够很好的解决地下水资源评价问题。许多研究都证实了干旱区地下水兰州大学硕士学位论文酒泉盆地地F 水系统数值模拟研
38、究环境的变化对脆弱生态环境的影响以及与沙漠化、盐渍化的关系十分密切(马金珠，2 0 0 3)。因此，要求从定量角度对地下水资源进行评价和预测管理，使地下水资源走可持续发展的道路，建立合理、可行的地下水资源优化开发方案，利用数值模技术建立地下水数值模型，来揭示水文地质客观条件和刻化地下水动态变化规律是十分必要的。1 1 2 研究意义研究区一酒泉盆地内主要的河流有马营河、丰乐河、观山河、红山河、洪水河与讨赖河等六条山水河流，这些河流构成了地下水系统主要的补给来源。但随着大量水利工程的兴建与农业灌溉配套引水工程的逐步实旌，大量河水被引到渠系、水库和灌区，从而改变了地下水的天然补排、径流、运动关系。在
39、加上近几年为了灌溉的需求而兴建的大量机井，大量抽取地下水，使地下水位呈现下降趋势，出现了土壤盐渍化与植被退化的现象。因此，在查明研究区地质、水文地质条件的基础上，建立该区域的地下水系统数值模型，来刻化地下水资源动态变化规律、补排关系以及提出该区域合理可行的开采方案是十分必要和有意义的。本文以G I S 技术数据处理为手段以F E F L O W 为平台，搭建了能反映研究区地下水动态变化的三维地下水含水系统，利用建立的三维数值模型，客观的评价了酒泉盆地在现状水平年(2 0 0 3 年)地下水资源量，并模拟和预测了在不同地表径流保证率(P=5 0、7 5、9 5)条件下地下水资源的补给及排泄量，以
40、及相应的潜水流场图。为科学开采和优化管理地下水资源提供了科学的依据，具有指导生产和服务生产的实际现实意义。同时，对促进该区域的国民经济的持续稳定发展也具有一定的战略意义。1 2 研究内容与技术路线本文在收集地下水数值模拟研究综述与酒泉盆地有关的前人研究成果的基础之上，利用已有的水文地质、钻探资料及水文气象观测资料，从定性分析到定量分析地下水水资源的来龙去脉，建立符合客观实际的三维地下水数值模型，利用建立的模型对地下水资源进行评价和预测，主要内容与方法可以概括如下：1 2 1 酒泉盆地地下水资源量均衡分析(1)根据长观水文、气象资料统计分析计算酒泉盆地的补给项及补给量与排泄项与排泄量。(2)基于
41、前人的水文地质钻孔资料及剖面资料，评价成果资料、宏观上综合分析研究区水文地质条件，建立酒泉盆地含水系统三维水文地质概念模型，并运用F E F L O W 地下水模拟软件建立酒泉盆地地下水三维水流模型，并利用已有的观测资料识别模型参数，给出识别后的模型参数在空间上的分布；利用识别好的兰州人学硕十学位论文酒泉盆地地下水系统数值模拟研究模型预测不同地表径流条件下地下水含水系统地下水资源的变化过程，及地下水位动态变化规律。进一步认识研究区水文地质条件和补、径、排关系。(3)利用建立的模型定量评价了现状水平年(2 0 0 3 年)条件下的地下水资源量，并模拟和预测了在不同地表径流保证率(P=-5 0、7
42、 5、9 5)条件下地下水资源的补给及排泄量，以及相应的潜水流场图1 2 2 技术路线地下水数值模型的建立，需要考虑地下水含水系统中含水层、弱透水层与隔水层在空间的组合分布，以及水文地质参数的时空变化性。根据本次研究的目标和要求，特制定技术路线如下：(1)搜集、分析、整理研究区的地质、水文地质、水文、气象、地表水地下水资源开采利用程度等资料，并按照G I S 及F E F L O W 数据要求格式对数据进行处理，为模型的建立前期工作做好充足的准备。(2)对研究区水文地质条件利用系统的观点进行概化，初步确定研究区的含水层地质结构及定解条件，并建立水文地质概念模型。(3)把G I S 处理过的基础
43、数据带入F E F L O W 模型中，建立数值模型。并通过多次调参拟和研究区流场及长观井水位历时曲线，来识别水文地质参数条件并检验模型的精度。(4)利用建立的模型对研究区地下水资源进行评价和预报。以上技术路线可以用图1 1 来表示图l 一1 技术路线图F i g 1 一lT h em a po f t e c h n i c a lr o a d兰州大学硕十学位论文酒泉盆地地F 水系统数值模拟研究第二章国内外地下水资源研究现状分析2 1 地下水资源定量评价的发展历史回顾由于地下水运动问题本身的复杂性和受生产力发展水平的限制，尽管人类利用地下水已有几千年的历史，但对地下水运动规律的认识却经历了
44、很长的历史过程。在1 9 世纪以前，还谈不上对地下水进行科学的定量计算。1 9 世纪中叶，随着地下水开发利用规模的扩大，生产中有了计算水井涌水量的要求(薛禹群，1 9 9 7)。定量化研究起始于1 8 5 6 年法国水利工程师H e n r yD a r c y，他通过试验提出了孔隙介质中液体的运动所遵循的试验定律一一达西定律。该定律的发现标志着人们对地下水渗流运动的研究进入了定量化研究阶段，直到今天仍然是地下水运动理论基础。继达西之后，于1 8 6 3 年J D u P u i t 在达西定律的基础上，建立了一个单井稳定流公式一一裘布依公式。该公式奠定了地下水稳定流理论基础。随着地下水开采规
45、模的增大，在集中开采区地下水位出现了持续下降，地下水的运动状态表现出明显的随时间变化性，该现象难以用稳定流理论解释。为了回答现实问题，1 9 3 5 年T h e i S 在此基础上提出了地下水流向承压水井的非稳定流理论，并建立了非稳定流理论公式一一泰斯公式。泰斯公式的出现开创了现代地下水运动理论的新纪元，随后对地下水模型研究大致经历了如下三个时期。第一个时期，继泰斯公式1 9 3 5 年出现到1 9 5 0，该时期对地下水的定量研究采用以泰斯公式为基础的解析法为主，是用数学模型定量描述地下水运动的开端。解析法虽然能在一定的假设条件下，计算含水层中地下水水位在时、空上的分布，但是由于解析解是在
46、对实际含水层做了假设条件下的结果，因此带有较大的误差和局限性，尤其是计算大范围的含水层系统时，解析法的弊端就更明显。现实中的地下水含水层系统是十分复杂的，几乎没有个含水层系统完全符合泰斯公式的计算条件，因此解析法在区域研究中运用比较困难。第二个时期，从1 9 5 0 年大约到1 9 6 5 年，该时期对地下水的研究是以电网模拟为主。电网模拟的理论基础是达西定律与电学中欧姆定律之间的相似性，以及对地下水流基本方程的有限差分近似。该时期先后出现的模型有：用于模拟稳定流的电阻网络模型、用于模拟非稳定流的电阻一电网络模型以及后来的混合模型。电网模拟技术在地下水研究中缺少通用性，尤其是处理潜水问题时，并
47、且该技术只能对水流进行模拟，不能用于水质和其他方面的模拟。因此，该方法也难以解决生产和生活中的实际问题。第三个时期，从1 9 6 5 年至今，该时期对地下水的研究重点是数值模拟。计算机技术的发展和各种数值算法的实现，使地下水数值模拟技术和应用日渐成兰州大学硕士学位论文酒泉盆地地下水系统数值模拟研究熟。数值模拟不仅可以有效的模拟地下水在时、空上的实时分布状况，而且还可以解决地下水水质问题、热运移问题、咸一淡水分界面移动问题及地下水的最优化管理问题等。2 0 世纪6 0 年代前，数值模拟技术多解决地下水水头和流量问题，7 0 年代以来，由于地下水受到不同程度的污染，利用数值模拟技术开始研究污染物在
48、地下水中运移问题。由于数值法本身的灵活性和强大的适应性，以及计算科学的进步和计算机技术的广泛应用，在解决生产生活中的实际问题时，愈来愈多的采用了数值法。2 2 地下水资源的评价方法水文地质学和计算机技术的发展促进了地下水资源定量发展，同时也产生了许多成熟的地下水资源评价方法，主要水量均衡法、解析法、水文分析法、比拟法以及基于观测资料的数理统计法、数值法等。2 2 1 水量均衡法水量均衡法，是通过计算研究区在均衡期内的补给量、排泄量及存储量之间的数量转化关系，又称水量平衡法。该方法是质量守恒定律和能量守恒定律在地下水资源评价中的体现与应用。基本原理可以用如下方程来表示：Q*Q 捧=Q-即对某一特
49、定地下水含水系统来说，在计算均衡期内补给量与排泄量之差，等于该系统内地下水量的变化量。式中：Q”为均衡期内地下水含水系统中各项补给量的和；Q*为均衡期内地下水含水系统中各项排泄量的和；Q“为均衡期内地下水含水系统中储存量的变化量。该方法主要用来计算研究区在不同水文气象条件下的补给量，或者为地下水资源量的开采量提供基础数据。理论上来讲，水量均衡法可以用于任何地下水含水系统，但由于均衡要素的难以确定性以及时空的变化性，评价结果带有较大的不确定性和随机性，误差较大只能做初步的评价。2 2 2 解析法解析法是基于对水文地质条件理想概化条件下的一种精确解，是运用经典井流公式对地下水资源进行评价的一种方法
50、。该方法是通过数学分析方法得到代求物理量与其影响因素、定解条件之间的确定函数关系。通过转化把待定问题转化为某一微分方程的定解问题，然后采用解微分方程解的方法，如分离变量、微分变换等去间接求解水流问题。该方法是一种理想化方法，适用于水文地质条件简单、地层结构单一、边界条件规则的地下水含水系统。优点是当实际的水文地质兰州人学硕七学位论文酒泉盆地地下水系统数值模拟研究条件和理想状念下较为接近时，求出解是精确的。缺点是当实际的水文地质条件与理想状态下相差较大时候，准确的解析解变为近似解了(房佩贤，1 9 8 7)。解析法主要适用以下情况的水文地质条件：含水层边界条件几何形状规则；含水层均质、各相同性；