基于feflow的洛陽龍門地區寒武系地下水數值模擬研究

0地下水流場模擬結果研究區域為河南洛陽龍門地區，包括龍門風景區和龍門礦區。此外，在風景如畫的龍門村，還發現了寒武系的泉水，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內泉水斷流的原因,本文通過應用FEFLOW軟件,對研究區內的寒武系灰巖地下水流場進行了模擬。通過對模擬結果的分析,較好的解釋了泉水斷流的可能原因,為今后的景區泉水保護提供了很好的依據。FEFLOW是由德國WASY水資源規劃系統研究所研制開發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。該軟件被廣泛應用于地下水流場演化的模擬中,并且軟件中的BudgetAnalyzer(預算分析器)菜單能系統的分析水量的均衡問題,很適合分析研究區影響泉群出流的原因。1含水層地下水研究區屬于佛光——龍門水文地質亞單元。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,屬單斜構造。經過資料整理、分析,龍門景區內的禹王泉、珍珠泉、潛溪寺泉、蓮花洞等都是出露在寒武系中上統的灰巖含水層中。該含水層在區域南部出露直接接受大氣降水補給,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,是穩定的隔水層,所以垂向上的越流補給可以忽略。該含水層水的排泄主要是裸露區的蒸發,居民、企業、農業用水,區域內龍門煤礦排水和自流排泄。動態類型主要是降雨入滲-徑流型。2地下水流模型2.1地下水流系統概化為類界面為建立研究區地下水流數值模擬模型,首先要對實際的水文地質條件加以概化,建立水文地質概念模型。通過上述水文地質條件分析,將研究區寒武系灰巖含水層概化為單一的、不存在越流補給的非均質各項同性的承壓灰巖巖溶地下水含水層。研究區外圍邊界中,東、西部都是受隔水斷層控制,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,地下水流動滯緩,同樣也都概化為第二類的隔水邊界。區內伊河概化為第一類的定水頭邊界。綜上所述,將研究區地下水流系統概化為非均質各項同性二維非穩定地下水流系統,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為導水系數,(L2/T);H為水頭值,(L);W為面補給、排泄量,(L/T);Qiδi泉及抽水井排泄量,對于泉,當水位標高高于其地面標高時δ取1;μ為彈性貯水(釋水)系數,無量鋼;Ω為研究區域;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水文地質條件分析對模型采用三角網格剖分,共剖分出4766個單元格,節點2492個。根據水文地質條件,將含水層的滲透系數及貯水系數分為7個分區。降雨入滲系數分為2個分區。模擬區間為2008年全年,初始步長為0.001天。2.3模型試驗2.3.1模型模擬結果對比為了驗證所建立的數學模型和模型識別后確定的水文地質參數的可靠性,利用地震臺水位觀測數據對模型進行檢驗。由于地震臺是從08年5月底才開始觀測水位,再結合模型模擬結果中的整數天所對應的水位值,將模擬水位值與實測水位值進行對比、檢驗,見圖1。從圖中可以看出,水位的變化趨勢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的水文地質響應。2.3.2補給量的均衡性經過分析,區域四周為隔水邊界,區內煤礦在開采數十年至今,其地下水的動儲量基本趨于動態平衡,由此分析區域補給量應該基本等于區域范圍內的排泄量。通過調整區域的居民企業用水量,得到各項水量均衡見圖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。由于區域居民及企業用水無法做到完全的調查統計,所以均衡值很難為零。模型調整到目前,其水量基本平衡。3模擬結果分析3.1泉點水位下降,其7月10月心理龍門景區內目前有8個泉點,其水位標高見下表。經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。將各個泉點的水位與其地面標高進行比較后,可以看出到10月中旬,大部分的泉水位都低于其地面標高,換言之,大部分泉點到10月中旬都出現了斷流。這與實際情況比較吻合,說明了模型的建立是合理的,可以用于實際。3.2降水、樣品的降水變化此次模擬將一年分為三個時段,即半枯季(1月～6月),雨季(7月～9月)和枯季(10月～12月)來進行模擬。其模擬結果見圖4～圖6。圖4反映了模型運行到第181天(2008年6月底)時的地下水流場的水位等值線。從圖中可以看出,研究區存在兩個降落漏斗。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。之所以會產生兩個降落漏斗,主要是因為龍門煤礦抽排水造成以其為中心的降落漏斗,而在龍門西山,也就是在景區范圍內,存在一定量的抽水井,相對密度比較集中,致使該處也形成了一個小范圍的降落漏斗。而這個時期的降雨量前3個月很少,后3個月有所增加,但量不是很大,屬于半枯季,再加上春季農田用水,居民企業用水增加,在現有的抽水井數量不變的情況下,可能會影響到景區泉水的流量。圖5反映了模型運行到第273天(9月底)時的地下水流場的水位等值線。由于7～9月是該區的雨季,降雨補給量比較大,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,只是在龍門西山偏西處有個別孤值,但其影響范圍很小。這個時期,泉水能夠得到很好的補給。圖6反映了模型運行到第365天(2008年12月底)時的地下水流場的水位等值線。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枯季的地下水流場情況。龍門西山處的降落漏斗依然存在,景區泉群的位置還是在其影響范圍之內。而此時在河渠(泉群北端)中產生了新的降落漏斗,范圍很小,但是其直接影響比較大。產生這種現象,表明在河渠中可能存在抽水井,之所以在前兩個時段,即半枯季和雨季沒有形成這樣一個降落漏斗的原因可能是因為地下水對該處的補給量能夠滿足其抽水量,該處的地下水能夠得到有效補給,所以不會產生降落漏斗。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給,而抽水量沒有明顯減少,致使該處產生一個小范圍的降落漏斗。由于這個降落漏斗距泉群最近,所以該降落漏斗的形成對于泉群的影響會更加明顯。4