（水文学及水资源专业论文）三姑泉域岩溶地下水资源数值模拟研究.pdf

太原理工大学硕士研究生论文 曼姑泉域岩溶地下水资源数值模拟研究 摘要 水资源是人类生产和生活不可缺少的自然资源，也是生物 赖以生存的环境资源。 根据山西省的统一部署，晋城市展开了本市的第二次水资 源评价及东资源总体援巅工作，三始泉城岩溶地下水资源评价 专项研究是本课题中的一个子项目。三姑泉域作为重点水源开 采地，为了确保三姑泉域岩溶地下水资源的可持续利用，考必 要对三姑泉域岩溶地下水资源进行评价，它将对晋城市国民经 济的发展产生重要的现实意义和深远的历史意义。 本文在上述背景下对晋城市三姑泉域岩溶地下水资源进行 了六个方面的研究。首先，在总结了前人研究成果的基础上， 根据现状确定了泉域的边界。其次，根据多年统测、长鼹水位 资料研究了地下水位年内、年际动态变化特征；根据多年降水 量、泉流量及开采量资料分析了岩溶泉流量衰减的原因。第三， 进行了岩溶地下水开发刹用现状研究，指出了开发利用l 建程孛 存在的问题。第四，根据2 0 0 4 年4 月的水质采样结果，进行了 潦溶地下水的水质评价研究，包括生活饮用水、工业用水、农 业用水及地下水环境质量评价四个方面。第五，采用排泄量法 和补给量法求出了泉域1 9 5 6 2 0 0 0 年和1 9 8 0 2 0 0 0 年两个系 1 太原理工大学硕士研究生论文 列的岩溶地下水资源量，并对其结果进行了比较；最后，运用 基于迦辽金( g a l e r k i n ) 有限单元法的地下水水流模型软件包 a q u a 3 d 对泉域的地下水资源进行了数值模拟，通过识别和检 验，确定了泉域的数学模型和水文地质参数，用多年平均降水 量和预测降水量两个降水方案求出了岩溶地下水可开采量和模 拟水源地的最佳开采量。 总之，通过对三姑泉域岩溶地下水资源的研究，本论文取 得了可靠的评价成果，为三姑泉域岩溶地下水资源的合理开发 利用提供了科学的依据。 关键词：地下水资源评价，岩溶水，数值模拟，可开采量 2 太原理工大学硕士研究生论文 t h es t u d y0 nt h ek a r s tg r o ir n d a t e r r e s o u r c e sn u m e r i c a ls i m i ，a t l 0 n o ft h es a n g us p r i n gb a s i n a b s t r a c t t h ew a t e rr e s o u r c e si st h ei n d i s p e n s a b l en a t u r a lr e s o u r c e so f h u m a np r o d u c t i o na n dl i f e ，a n di ta l s oi st h ee n v i r o n m e n t a lr e s o u r c e s t h a tt h ec r e a t u r e sf o rs u r v i v a l o nt h eb a s i so ft h eu n i f i e dd i s p o s i t i o no fs h a n x ip r o v i n a n c e ， t h ec i t yo fj i n c h e n gs p r e a d so u ti t ss e c o n dw a t e rr e s o u r c e sa p p r a i s a l a n dl a y o u t i n gw o r ko v e r a l l y c a r r y i n go nt h ek a r s tg r o u n d w a t e r r e s o u r c e sa p p r a i s a lo ft h es a n g us p r i n gb a s i ni so n ei t e m t h e s a n g us p r i n gi sa ni m p o r t a n tm i n e dh e a d w a t e r sg r o u n d ，t oe n s u r e c o n t i n u o u su t i l i z a t i o no ft h ek a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e so ft h e s a n g us p r i n gb a s i n ，i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yt h r o u g ht h es t u d yo ft h e k a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，a n di th a sa n i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e a n d p r o f o u n d h i s t o r i c a l s i g n i f i c a n c e t o t h e d e v e l o p m e n to f j i n c h e n g sn a t i o n a le c o n o m y t h ep a p e rh a st r e a t e dt h ek a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e so ft h e s a n g us p r i n gb a s i na sr e s e a r c ho b j e c t ，a n ds i xa s p e c t sh a v eb e e n r e s e a r c h e d f i r s t l y , a f t e rs u m m a r i n gt h ep a s ts t u d ya n do nt h eb a s i c o ft h ep r e s e n tc o n d i t i o n ，t h eb o u n d a r yo fs p r i n gb a s i nh a v eb e e n 3 太原理= 【= 大学硕士研究生论文 c o n f i r m e d ；s e c o n d ，i nt e r m so fi t su n i f ya n dl o n g - t e r mw a t e rl e v e l ， t h ec h a n g e f u lt r e n do ft h ek a r s tg r o u n d w a t e ro fi no n ey e a ra n dt h e a n n u a lc h a n g e f u lt r e n dh a sb e e nr e s e a r c h e d ，a tt h es a m et i m e ， a c c o r d i n gt ot h el o n g - t e r mp r e c i p i t a t i o n ，s p r i n g f l o wa n dt h e e x p l o i t a t i o no fm a n yy e a r s ，t h e r e a s o no fa t t e n u a t i o nh a sb e e n a n a l y s e d 。t h i r d ，t h es t a t u sq u oo ft h ek a r s tg r o u n d w a t e rh a sb e e n r e s e a r c h e d ，a n dw ep o i n t e do u tt h ep r o b l e m sd u r i n ge x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o n ；f o u r t h ，i nt e r m so ft h ew a t e rs a m p l eo ft h es p r i n g b a s i ni n a p r i l ，2 0 0 4 ，t h ek a r s tg r o u n d w a t e rq u a l i t y h a sb e e n a p p r a i s e d ，i ti n c l u d e sf o u ra s p e c t s ，s u c ha st h ea p p r a i s a lo f d r i n k i n g w a t e r , i n d u s t r i a lw a t e r , a g r i c u l t u r a lw a t e r , e n v i r o n m e n t a lq u a l i t y ； f i f t h ，t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ek a r s tg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s q u a n t i t y o f1 9 5 6 ，、，2 0 0 0s e r i e sa n d1 9 8 0 v2 0 0 0s e r i e sw i t h d i s c h a r g em e t h o da n dr e c h a r g em e t h o d ，i to b t a i n e dt h ed i s c h a r g e a n dr e c h a r g eq u a n t i t yo ft h ek a r s tg r o u n d w a t e ro f t h et w os e r i e s ，a n d t h ei t sr e s u l t sh a v eb e e nc o m p a r e d ；l a s t ，t h ep a p e rh a v es i m u l a t e d t h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa tt h eu s eo fa q u a 3 ds o f t w a r eb a g w h i c hi sb a s e do ng a l e r k i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f r o mi d e n t i f y a n dv e r i f y , t h em a t h e m a t i cm o d e la n dh y d r o g e o l o g i c a lp a r a m e t e r s o f t h es a n g us p r i n gb a s i nh a v e b e e nc o n f i r m e d ，i ta l s oh a v e r e s e a r c h e dt h ea l l o w a b l ee x p l o i t a t i o no ft h ek a r s tg r o u n d w a t e ra n d t h eb e s te x p l o i t a t i o no ft h ei m i t a t e dh e a d w a t e r sg r o u n dw i t ht h e a v e r a g el o n g - t e r mp r e c i p i t a t i o ns c h e m ea n d t h ef o r c a s tp r e c i p i t a t i o n s c h e m ea tt h eu s eo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 。 4 太艨瑗工大学颈士研究生论文 t os t l mu p ，t h ep a p e rh a sr e s e a r c h e dt h ek a r s tw a t e rs y s t e m ， a n dg a i n e dc r e d i b i l i t yr e s u l t s ，t h u st h i sc a na f f o r d ss c i e n t i f i cb a s i s o i lr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o na n dh i 馥e f f i c i e n c yu t i l i z a t i o na tw a t e r r e s o u r c e sf o rt h es a n g us p r i n gb a s i n ，j i n c h e n gc i t y k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rr e s o u r c e sa p p r i s a l ， k a r s tw a t e r ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a l l o w a b l ee x p l o i t a t i o n 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章前言 1 1 研究背景 水是地球上生命的来源，具有滋生万物的能力，也是人类的生命之源。 自古以来，水被认为是人类生存不可缺少的自然资源。我们知道，世界上 人均水资源量为7 3 4 2 m 3 ，远在每人3 0 0 0 m 3 的缺水上限之上【l i 。近代以来， 随着工农业的迅速发展和城市人口的不断增加使得人类对淡水资源的需 求量越来越大，同时地表水污染导致的“水质型缺水”使得地下水开采强 度更为加剧1 2 。据美国地质调查局统计资料，全美有5 2 5 的人口依赖地 下水作为饮用水 3 1 。地下水不仅是一种宝贵的资源，同时也是复杂的生态 环境系统中的一个敏感的组成因子之一。地下水的变化往往影响着生态环 境系统的天然平衡状态。展望未来，水资源正日益影响全球的环境和社会 经济发展，甚至可能导致国家或地区之间的冲突。因此，探讨水资源的国 家战略及其相关科学问题，是全球关注和各国政府的主要议题之一【4 】。 我国是一个水资源相对不足的国家，目前人均水资源量为2 2 2 0m 3 ，是 世界平均水平的3 1 0 ，低于人均3 0 0 0m 3 的轻度缺水标准，而我国北方人 均水资源量仅为9 8 8m 3 ，低于1 0 0 0m 3 的重度缺水标准：我国现有6 6 8 座 城市，有2 3 面临缺水问题正成为制约我国可持续发展的头号因素【5 】，山 西省就属于缺水的省份之一。山西省第一次水资源评价是1 9 8 2 年完成的， 该成果在摸清山西水资源家底、加强水资源管理以及促进山西国民经济持 续发展等方面发挥了重大的作用。随着时间的推移，气候条件的变迁、人 类活动的加剧和经济社会的发展，山西各地对地下水资源的需求日益增 多，供需矛盾日趋激化，使得山西省水资源情势、开发利用状况等发生了 很大变化，暴露出许多问题，严重制约着山西各地经济的发展和人民生活 水平的提高。根据水利部和国家计委联合发出的关于开展全国水资源综 太缘邂工大学顼士掰究生学位论文 台规划编制工作的通知和山西省水资蚕2 0 0 1 年工作会议精神，山西省 从2 0 0 1 年超开始了省级第二次水资源评价及水资源总体规划工作。到2 0 0 3 年底，第一除羧工 睾露全密各枣逸、各流域分区承滚滚量、开发嚣曩瑗状 调查评价工作已全面完成，省水资委已正式下达了“各市地水资源量控制 数据”。根据全省的统一部署，晋城市决定开展本市第二次水资源评价及 零资源慧髂蕊翔工终。零谂文藏是荚专憨蓦嚣究三姨泉砉溶逸下农瓷添译 价、开发利用与优化配鬣研究中的一个子项目。 山话省作为我国北方岩溶分布最广泛的省份【6 ”，形成了众多流量相 瓣稳定貔老涤泉及橱应豹泉壤，喾溶窳系统已藏为出嚣聂重要豹供零来源 脚。山西省酱城市矿产资源十分丰富，是座依托煤、铁等资源崛起并发 展的新兴工业城市，是山西省能源重化工基地的重辫组成部分。该市虽属 于蠡嚣誊弱籀霹富拳嚣，毽由子特臻鹣恁形逮魏及笺杂靛痰文羹蓦矮条箨， 形成了水资源时空及地域分布极不均匀的显著特点。由于该市地袭水的利 用率极低，锫行各业均以开采地下水为主，而地下水资源主要以开采岩溶 寨壤逢下承麓圭。慰予灏缄枣来说，囊予受采漾捺窳稿蘧下东嚣袋萋不瑟 增加的影响，大量的浅中层水井报废，使得工农业和城市生活竟相开采深 层岩溶水，随着开采量的逐年增加，加上近年大气降水的减少，岩溶地下 承资源豹数豢、度量及辩空分毒发室了缀大交纯，酱减索戆强大象蠛，延 河泉域、三姑泉域的出流量减少，一贱小泉甚至干澜，区域地下水位持续 玎降，地下水严重超采。从大量事实酾资料知道。圆下垫面条件的改变， 继下承资深静各释参数酃发生7 交纯，所浚垂嚣黉第一次永资深评价残暴 已不能满足米来水资源歼发利用与管理的需求，同时由于晋城市境内的较 大型工业众救分存在中部地区即丹河漉域，而中部地区地下水爨源目渐短 缺，使得器城市经济发麓受到了严重翻终。 乍为罾城市主要的徽承零源， 岩溶地下水水量稳定、水质良好，对谮城市经济社会的发展起到了举足轻 1 2 太原瑾工大学硕士研究垒学位论文 重的作用，但由于人类活动和降水量的影响，岩溶泉水流凝持续下降、水 矮渣爱污染，老滚焱域本巧凌笈囊了穰丈交像。嚣兹罾城枣戆经漭缝撩歪 处于进行具有重大影响的战略憾调整阶段，工业布局由中部地区转向西部 沁河沿岸已经成为经济发展的必然趋势。三盘古泉域作为现在的重点开采地 为了确爨詈装枣经滂季圭会亵环凌鳃可簿续发涎，臻操三戆袋域砉溶逮下隶 资源的可持续利用，同时为了贯彻山西省水浚蚕下达的“备市地下水资源 量控制数据”这部署，以地下水资源的可持续利用来保障可持续发展， 毒登获对鹭藏枣熬三戆泉壤蠢滚遣下零姿滚遴孬痰震帮农资源羹豹第二 次评价，为晋城市含理开发利用嚣溶地下水资源提供真实、可靠的数据， 对晋城市的国民经济的发展无疑具有重要的壬见实意义和深远的历史意义， 霜露瞧戈各级本稃竣主管部门擞强逡下瘩资滚麴篮整警璨，搽护遮下承瓷 源、指导地下水资源开发利用提供科学依据。 1 2 地下水资源 平价国内夕l 、疆究现状 1 2 1 地下水资源评价现状 “水资源”一词，人们都十分熟悉，但对其内涵，不同的人有不问的 霓簿。曩蔫被普浚接受戆瘩资源定义是在一定辩毅内被入稍蹇接嚣发与裂 用的那一部分永体，这种开发利用不仅在技术上可行、经济上合理，而且 不会鼯致生态环境问题【9 10 1 。评价地下水资源主要是在计算地下水的补给 量、接灌量霸嚣袋爨憨基破上，瓣蘧下承资源瓣凌农量遴簿译贫，为遮下 水资源的合理开发和高效利用掇供科学依据。早期的水资源评价只局限予 水文观测资料的系统整理。美国从1 8 4 0 年就对密西西比河避行过水量统 计。蘸苏联1 9 3 0 譬嚣始装载溺家零资源绫蓑，它是怼必然条 孛下蟪袭 水数鬣和水化学成分的观测资料进行整理。我国也于1 9 6 3 年出版了水利 水电科学研究院编制的全国水文图集，详细记录了各河流域降水、河 翊经雾菱、蒸教发、东痰、涅涉等器承文要素瓣天然壤嚣绞诗特缝。 13 太原理工大学硕士研究生学位论文 最早进行全国水资源评价的是美国，1 9 6 5 年美国成立了水资源理事 会，开始进行水资源评价工作，并于1 9 6 8 年完成了第一次水资源评价， 进行了水资源分区，讨论了水资源缺乏问题。1 9 7 7 年联合国在阿根廷m a r d e l p l a t a 召开的世界水会议决议指出：没有对水资源的综合评价，就谈不 上对水资源的合理规划和管理，并提出“水资源评价是保证水资源持续开 发和管理的前提，是进行与水有关活动的基础，任何国家都应把对国家范 围内水资源的评价看作是国家的责任，并应关心这种评价的深度是否能适 应国家的要求”】。美国于1 9 7 8 年又完成了本国的第二次水资源评价工 作，重点为可供水量的分析和用水要求，评价也对水资源的关键问题( 如 地下水超采等) 进行了专项研究。我国于1 9 8 0 年开始进行全国第一次水 资源评价工作，由于受当时条件的限制，水利电力部、地质矿产部等与水 有关的部门分别独立地进行了评价工作，没有一致的成果，暴露出我国学 科专业设置和水资源管理体制不尽合理等问题，人为地将地表水资源和地 下水资源割裂开来，难以进行整体水资源的评价和开发利用规划。1 9 8 5 年 国务院批准建立全国水资源协调小组，1 9 8 7 年在各部门成果的基础上完成 了中国水资源评价，这一成果对地表水资源和地下水资源的质和量进 行了评价，为我国的宏观决策提供了依据。1 9 9 8 年我国进行了全国性的学 科调整，将水文地质学划归水文学与水资源学科，这标志着我国的水资源 研究已进入了一个新阶段。开始朝着地表水、地下水一体化的方向发展。 ”。2 0 0 1 年我国开始了第二次水资源评价工作。并于2 0 0 3 年完成了全国的水 资源评价，这一重大成果对我国新世纪社会经济可持续发展中合理利用水 资源具有重要的现实意义。 1 2 2 地下水资源评价阶段和方法 十九世纪五十年代以前是地下水资源评价的早期阶段，当时对地下水 资源的数量、质量的认识局限于粗略的定性描述，只有相对多少、淡水、 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 咸水等概念。1 8 5 6 年至1 9 3 5 年是地下水资源评价的中期阶段。法国水力 学家d a r c y 于1 8 5 6 年通过试验发现了地下水的渗透定律1 1 2 】。d u p u i t 于1 8 6 3 年用达西定律推导了地下水向井的流动公式【13 1 。t h e i s 于1 9 3 5 年提出了地 下水向承压水井的非稳定流公式，开创了现代地下水运动理论的新纪元 1 1 4 1 。1 9 6 1 年w a l t o n 和n e i l l 把计算机技术引进了地下水计算，利用计算机 分析、模拟地下水渗流问题。1 9 6 4 年t y s a n 和w e b e r 应用数学模拟技术模 拟具有二维流的地下水盆地。二十世纪六十年代中期，托司和弗里茨研究 了区域地下水系统的理论解和数值解。对于区域水资源的联合评价是从七 十年代才开始的。1 9 7 1 年美国的s m i t h 和w o o l h i s e r 提出了山坡水文联合 模型，它是把描述山坡的地下水流模型和坡面的漫流模型进行了联合评价 1 5 1 6 】。1 9 7 2 年p i n d e r 和s a v e r 以及f r e e z e 提出了以地下水动力学模型为 主的联合模型，他们都是研究含水层系统与河流系统的联合评价【l7 1 。二十 世纪八十年代以后，应用数值法进行地下水资源评价得到了广泛应用，开 发了地下水数值计算商业软件，如m o d f l o w 、f m w a t e r 、f e m a 、 a q u a 3 d 等。 目前对于地下水资源评价，国内外研究技术、水平相差不大。国内外 地下水资源评价方法有区域性水量均衡法、开采试验法、相关分析法、解 析法、数值法、模拟法等二三十种，根据不同的水体、不同的目的采用不 同的计算方法【1 8 】。虽然地下水资源评价方法很多，但目前我国主要采用区 域性水量均衡法、相关分析法、解析法和数值法。 区域性水量均衡法是基于水循环规律和水量守恒原理的方法，分为年 均衡和多年均衡两种，是全面研究某一均衡区在一定均衡期地下水的补给 量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平衡计算，用来评价地下水的 允许开采量。年均衡法仅进行某一典型年份的均衡计算，并不能反映地下 水资源的实际情况，不能计算到连续干旱年份地下水可能出现的最大降深 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 及在枯水期间动用的地下水储量在多年内能否得到回补等问题。多年均衡 法则克服了年均衡法的弱点。区域性水量均衡法主要适用于水文与水文地 质参数和开发程度比较均匀的地区，因其结果反映了全区的平均情况，故 其适用性受到了一定限制，对不同部位地下水的变化存在显著差异的区域 会出现较大误差。 相关分析法是基于数理统计原理的方法，即通过大量试验、观测数据 的统计、分析，寻求诸变量之间的内在规律，定量地建立一个变量与另一 个变量或几个变量之间的关系数学表达式。在地下水资源评价中，只要具 备多年的观测资料，无论水文地质条件多么复杂，都可以通过对大量的观 测数据进行分析计算，建立回归方程进行预报。相关分析可以是单变量和 多变量分析，可以是线性相关，也可以是非线性相关，根据具体条件选用。 解析法和数值法是基于动力学的稳定流和非稳定流的方法，它通常是 先根据水文地质条件，建立数学模型，再根据定解条件求解数学模型的解 析解或数值解。但解析法难以解决大面积复杂条件下的非稳定流水资源问 题，应用数值法却能在计算机上得到较好的模拟，且数值法具有明显的通 用性。数值法是随着计算机的出现而发展起来的，应用十分广泛。理论上 看它是对渗流偏微分方程的一种近似解，但实际上完全可以满足精度要 求，它可以解决许多复杂条件下的水资源评价问题。数值法主要有有限差 分法、有限单元法、边界单元法等多种方法，其中有限差分法和有限单元 法是数值法中两种主要的且比较成熟的方法。有限差分法是以差商代替微 商，即对解析方法中连续的函数进行离散化，经过有限的差分以后变成为 断续的函数。在每一差分区内，把函数取极限求导的计算变换成有限值的 比率计算。经变换后，原地下水非稳定流偏微分方程变成差分方程，成为 可以直接求解的代数方程组。有限单元法是把一个连续的含水层剖分为多 个小的单元体，利用有限单元体把水头函数离散化，将原来的水头函数用 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 各有限单元体内的近似差值函数所代替，将求解区域内各点水头问题，转 化为求解有限单元顶点水头问题。有限单元法网格和节点布置灵活，适用 于复杂形状边界和介质分区的问题，对定流量边界自动满足不需要另作特 殊处理，对含水层非均质变化平缓的要求也不象有限差分法严格，因此有 限单元法在含水层介质变化比较复杂地区的地下水渗流计算中得到广泛 应用，在国内外地下水资源评价中已成为主要趋势。按照建立线性代数方 程组所依据的原理不同，有限单元法又可分为里兹( r i t z ) 有限单元法、 迦辽金( g a l e r k i n ) 有限单元法和均衡有限单元法。里兹法所依据的是变 分原理和剖分插值，它把描述地下水运动的偏微分方程连同其边界条件等 价于一定的变分问题，把偏微分方程的定解问题化为求等价问题的泛函的 极值问题。迦辽金法依据的是剩余加权平均理论和插值，而均衡法则是依 据水均衡原理。三种方法尽管所依据的原理不同，但对于同一个地下水渗 流问题，最终所形成的线性代数方程组是一致的。 随着计算机技术的迅猛发展，地下水资源评价多采用数值方法。若要 对某系统的地下水进行资源评价，必须在对其水文地质条件进行必要概化 的基础上，建立能够准确( 或近似准确) 描述该系统水流运动特征的数学 模型，然后求解。描述地下水运动特征的数学模型包括确定性模型和随机 模型。确定性模型的发展渐臻成熟，其应用最为广泛【限2 0 2 1 。2 2 2 3 2 4 2 5 】。 随机模型在我国还处于起步阶段，而在国外发展很快1 2 6 12 7 2 8 1 。利用数值 方法进行地下水资源评价通常分两个阶段进行。第一阶段为解逆问题，即 模型参数识别；第二阶段为解正问题，进行地下水资源评价。在模型的实 际应用中，y e h t 2 9 】将参数识别概括为两种方法：分区法和插值法。分区法 较为简单实用，在我国广为应用3 0 3 ”。插值法要求资料丰富，而且计算量 较大。c l i f t o n 等人首先将k r i g i n g 方法运用于南亚利桑那州的a v r av a l l y 含水层的模拟3 2 】：陈余道也运用k r i g i n g 插值方法成功地模拟了齐鲁石化 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 地区裂陈岩溶含承朦中地下承流的运动汹。裔隈差分法和肖陵单元法蹩数 值法秀秽是要匏照毙较戏熟款方法。有限梁元法阙接襄节点农漫灵活， 适用于复杂形状边界和介质分区的问题，对寇流量地界自动满足不需要另 作特殊处理，对含水层非均质变亿平缓的要求也不絮有限差分法严格，闲 j 逝杏黻单元法在含球层分质变化比较复杂地区妁媳下水渗漉计算中露劐 广泛臌用，柱国内外地下水资源评价中已成为主要趋势。 魄下永资源评价数值计算静珂褫纯有隈元自动粥分软件，国外班冰岛 大学磷刳豹a q u a 3 d 为代表，灏连以m v c r o s s 必杖表。a q u a 3 d 是基 于迦辽金( g a l e r k i n ) 有限元方法的嫩下水流模型软件包，它求解均质、 各相潲性或j 均质、各稽异性含水层审的永流方程。 1 。2 。3 本襄域磅突程度 1 9 6 2 年以来，地质、城建、煤炭、水力、电力铎部门，根据不同的目 的和需要，对该区进行了大量砘质、水文遗质工作，研究情况如下： l 。1 9 6 2 年3 箕，出嚣黉遮震搿瘩文萎基矮驮宪或了“詈衷瘘地区1 ：2 0 万 综性地质一水文地质测量报告”； 2 1 9 7 7 举9 月，山西省地质局水文：队提交1 s 万“山西省高平县农 疆鬈冬承承文这矮详奎擐告”； 3 1 9 7 9 年9 月，山西省地质局水文二队掇交1 ：5 万“山西省晋城县农 田供水水文地质详查报告”； 4 。1 9 8 2 攀1 2 羹+ 峦器密勘察陡提交了l ：5 万“囊嚣骞疆辕城枣地下泰 资源调查报告”； 5 1 9 8 5 年5 月，山西省晋东南经济区国土规划办公室及地区市水资源管 理娄员会联合编写了“由嚣餐謦东裔经济嚣承资源译侩瓷辩汇编攫畿”： 6 1 9 8 6 霉1 1 月，山磁省勘察院提交“晋城市城市供水水文地质调套报 告”； 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 1 9 8 7 年4 月，山西省煤田地质勘探二二九队提交“山西省晋城矿区 岩溶水水资源评价报告”； 8 1 9 8 8 年1 月，山西省勘察院提交了“关于开发晋城市隐伏岩溶水可 行性研究报告”： 9 1 9 8 8 年5 月，山西省电力勘察设计院提交了“巴公电厂三期扩建可 行性研究报告”； 1 0 1 9 8 8 年1 2 月，中国地质科学院岩溶研究所及晋城市、郊区水资源管 理委员会共同完成了“山西省晋城丹河岩溶水系统及资源研究报告”； 1 1 1 9 8 9 年2 月，山西省电力勘测设计院完成了“巴公电厂第三期扩建 水源地水文地质勘测报告”； 1 2 1 9 9 1 年1 月，建设部综合勘察研究院完成了“山西省晋城市煤化工 基地选址阶段供水可行性研究报告”； 1 3 1 9 9 3 年，山西省勘察院提交了“山西省晋城市城市供水水文地质勘 察报告”； 1 4 1 9 9 4 年韩行瑞、时坚等出版了丹河岩溶水系统一中国北方岩溶 水系统典型一书； 1 5 1 9 9 3 年，韩行瑞、鲁荣安等出版了岩溶水系统一山西岩溶大泉 研究一书； 1 6 1 9 9 7 年6 月，晋城市水资源管理委员会提交“山西省晋城市地下水 资源开发利用报告”； 1 7 1 9 9 7 年8 月，山西省勘察研究院提交“山西省晋城市城市供水丹河 岩溶水水文地质调查报告”； 1 8 1 9 9 9 年山西省勘察设计研究院提交了“山西省晋城化肥厂供水水文 地质勘察报告”； 1 9 2 0 0 0 年山西省第三地质工程勘察院提交了“晋城市新水源地勘探设 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 计”( 郭壁段) ； 2 0 2 0 0 1 年，山西省第三地质工程勘察院提交了山西省晋城市“郭壁一 怀峪段岩溶水水文地质勘察报告” 2 1 2 0 0 2 年6 月，晋城市水利局和晋城市水利勘测设计院提交了晋城 市水利发展“十五”计划和2 0 1 5 年规划。 2 2 2 0 0 3 年6 月，晋城市水资源管理会和晋城市水利局提交了晋城市 水资源开发利用规划 2 3 2 0 0 4 年山西省水资源研究所提交了“山西省电力公司巴公发电厂水 资源论证报告”。 1 3 研究内容和技术路线 本次对三姑泉域研究的主要内容包括： 1 全面收集已有成果和资料，调查、整理自然地理、水文气象、区域 地质、水文地质条件、社会经济及水资源开发利用等方面的资料，并补充 进行了泉域水位统测工作、水质取样化验工作以及重要水源地的实地调查 工作。 2 对泉域的边界重新进行了界定，并进行了泉域岩溶地下水动态分 析。包括地下水动态变化规律和泉流量动态特征，在泉流量动态特征中研 究了三姑泉的动态，分析了三姑泉流量衰减的原因。 3 根据整理和收集的资料，对泉域的岩溶地下水开发利用现状进行了 研究，并分析了岩溶地下水开发利用过程中存在的问题。 4 根据2 0 0 4 年4 月的水样监测报告，进行了生活饮用水水质评价、 工业用水水质评价、农业用水水质评价及地下水环境质量评价研究。 5 用排泄量法进行了泉域1 9 5 6 2 0 0 0 年系列和1 9 8 0 2 0 0 0 年系列的岩 溶地下水资源量评价研究，并采用补给量法进行了复核。 6 运用基于迦辽金( g a l e r k i n ) 有限单元方法的地下水水流模型软件 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 包a q u a 3 d 对三姑泉域的地下水进行了数值模拟研究，确定了泉域的数 学模型和水文地质参数，并且求出了泉域岩溶地下水可开采量。 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章泉域概况 2 1 地理位置与交通 三姑泉域地处山西省东南部，北与长治市毗邻，西与阳城县相邻，东、 南与河南省焦作市接壤。地理位置介于东经1 1 1 。5 5 1 1 3 。3 6 、北纬 3 5 。1 2 t 3 6 。0 4 之间，泉域主要包括晋城市城区、泽州县、高平市和 陵川县大部，总面积约2 5 7 1 k m 2 。三姑泉出露于山西省晋城市泽州县河西 乡孔庄村东北5 公里处的丹河河谷两岸，成股状集中涌出，现已被青天河 水库淹没。 区内交通方便，太焦线在境内南北向穿过，北至太原，南达新乡、郑 州；侯月线自南向北转向西，南通洛阳与焦枝线接通，西到候马与同蒲线 相接；公路以晋长、晋焦、晋阳三条高速公路和太洛路、2 0 7 国道、晋张 公路、晋辉公路为主，并与县、乡公路连接成网，四遂八达，为晋煤外运 和晋城市工农业发展提供了便利条件( 详见图2 1 ) 。 太原理工大学硕士研究生论文 口冒口警ljdq薯芎旨目。蛹goq工 回冒树帮蟮 1 _ n 匿 一- z 吐e 太原理工大学硕士研究生论文 2 2 气象水文 2 2 1 气象 泉域内常年季风盛行，四季分明，属暖温带大陆性季风气候。夏季东 南亚季风盛行，印度洋和太平洋的暖湿气团北移，直接影响本区，使降水 量集中于6 8 月，形成多雨季节；冬季受蒙古高压与阿留申低压控制， 流域大部分盛行西北风，形成雨雪稀少的干旱季节。全区属全国“长t 3 照 地区”，年均1 3 照时数2 5 6 3 小时，年均1 3 照百分率为5 8 。一年之中，6 月份1 3 照时数最多，达2 5 0 0 2 7 2 9 小时，1 1 月份最少，只有1 7 2 4 1 8 6 8 小时。地表太阳总辐射量在1 2 6 8 9 1 3 6 2 6 千卡c m 2 之间，5 月份最高， 月辐射总量达1 5 1 1 6 2 千卡c m 2 ，1 2 月份最低，仅有6 4 7 1 千卡c m 2 。 1 9 5 6 2 0 0 0 年平均气温1 0 2 。c ，一年中一月最冷，月平均气温6 5 。c 3 1 ：七月最热，月平均气温2 0 7 。c 2 4 8 。c 。全区多年平均无霜期在4 月 中上旬至l o 月中下旬之间，多年平均1 8 5 d 左右。 泉域内年际降雨量变化较大。1 9 5 6 - 2 0 0 0 年多年平均降水量6 0 9 m m ， 1 9 8 0 2 0 0 0 年多年平均降水量5 8 0 m m ，最大年降水量为8 7 1 5 r a m ( 1 9 6 3 年) ， 最小年降水量为3 1 2m i l l ( 1 9 9 7 年) 。从年际降水量变化曲线( 图2 2 ) 知，降 水量年际变幅有大有小，但从多年平均看，1 9 5 6 - 1 9 6 0 年平均降水量为6 8 8 8 。m m ，1 9 6 1 1 9 7 0 年平均降水量为6 6 6m m ，1 9 7 1 1 9 8 0 年平均降水量为 j 6 1 0 m m ，1 9 8 1 1 9 9 0 年平均降水量为5 9 0 5i r t l n ，1 9 9 1 2 0 0 0 年平均降水量 为5 8 1l n n l 。以十年计，降水量呈逐渐下降趋势，并且，丰水年连续时间 越来越短，枯水年连续时间越来越长。 从泉域降水量年内变化曲线图2 3 知，降水量的年内变化规律是：春 季( 3 5 月) 占全年降水量的1 5 ，夏季( 6 8 月) 占全年降水量的6 0 左右，秋季( 9 1 1 月) 占全年降水量的2 2 ，冬季( 1 2 2 月) 占全年 降水量的3 。汛期最大四个月( 6 9 月) 降水量占年降水的7 0 左右，多 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 以暴雨形式出现。泉域内降水地域分布不均，由低平区向山区递增，山区 多，盆地区少。 m m 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 f 圈降水量j 1 9 5 5 1 9 6 0 1 9 6 51 9 7 0 1 9 7 51 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 01 9 9 52 0 0 0 年 m m 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 图2 - 2 泉域年际降雨量变化图 f i g 2 - 2 t h ec h a n g e f u lc h a r to f t h ea n n u a lp r e c i p i t a t i o n ，-_-。-l-i_i_一。l ，- _ - 。- - l - i _ i _ _ 一。 一二三四五六七八九十十一十二月 图2 - 3 泉域多年平均月降水量分布图 f i g 2 3 t h ed i s t r i b u t e dc h a r to f t h ea v e r a g ep r e c i p i t a t i o ne v e r ym o n t h 泉域年蒸发量在1 3 3 5 2 0 1 5 m m 之间，1 9 5 9 2 0 0 0 年多年平均蒸发量 为1 7 0 9 3 m m ，1 9 8 0 2 0 0 0 年多年平均蒸发量为1 6 7 0 9 m m 。泉域内5 6 2 5 奎堕堡三丕堂堕主堡壅兰堂笪堡茎 月份蒸发最强烈，1 2 月、1 月蒸发量最小，1 9 5 9 2 0 0 0 年5 6 月多年平 均蒸发量为2 4 9 7 m m ，1 2 1 月为5 6 8 r a m ；1 9 8 0 2 0 0 0 年5 6 月多年平 均蒸发量为2 3 4 9 m m ，1 2 1 月为5 7 7 r n m 。年际蒸发量变化特征见图2 - 4 。 m m 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o 1 9 5 9 1 9 6 4 1 9 6 91 9 7 4 1 9 7 9 1 9 8 4 1 9 8 91 9 9 4 1 9 9 9隹 图2 - 4泉域g - w , 蒸发量分布图 f i g 2 - 4 t h ed i s t r i b u t e dc h a r to f t h ea n n u a le v a p o r a t i o n 2 2 2 水文 2 2 2 1 河流 泉域内主要河流为丹河。丹河是晋城市境内第二大河流，为沁河的一 级支流，发源于高平市丹朱岭下的李泉附近，源头分水岭高程在1 2 0 0 m m 5 左右，流经高平市、陵川县、泽州县，在泽9 i 1 县两谷坨附近流入河南省后 汇入沁河。丹河最小年径流量1 3 4 亿m 3 ( 1 9 9 7 年) ，最大年径流量6 8 0 亿n 1 3 ( 1 9 5 6 年) 。多年平均径流量2 6 7 亿m 3 ( 1 9 5 6 2 0 0 0 年) 。晋城市 境内河长1 2 8 6 5 k m ，落差8 7 5 m ，平均坡度6 8 ，流域面积2 9 4 5 k m 2 。 丹河的主要支流有东仓河、许河、东大河、巴公河、白洋泉河和白水 河，主要河流分布情况及基本特征见图2 5 和表2 1 。 太原遵工大学硕士研究生学位论文 图2 - 5泉域水系图 f i 蜉- 5 t h e r i v e rs y s t e m m a po f t h es p r i n gb a s i n 表2 = 1 主要河流基本情况表 f o r m 2 - lt h eb a s i cs i t u a t l o no f t h em a l nr i v e r 所属流域面长度纵坡降流量 河名源( 头) 汇( 流) 地点 水系积( k m 2 )( m )( g o )( m ，s ) 发源于高平县丹珠岭，经泽 丹河黄河 3 1 5 0 01 6 2 0 07 6 067 2 8 州县至河南沁阳汇入沁河 发源于泽州县下村乡五圣 长河黄河3 1 75 8 1 5 8 8 8 0 4 6 3 山南麋。至赵良村汇入沁河 发源于泽州县白马寺山，至 白水河黄河 4 1 3 05 8 1 01 0 5 00 6 0 0 河西向两谷坨汇入丹河 发源于陵门i 先后庄乡寺沟 白洋泉河黄河 6 2 6 05 8 4 5 1 050 1 8 0 至泽州县圪针掌汇入丹河 发源于高平县东周乡金章 巴公河 黄河背村，至泽州县高都镇南社 2 2 0 o 2 76 547 60 1 8 汇入丹河 太原瑷工大学颈士磺究生学位论文 2 2 2 2 泉水 三姑泉出簇于泽州县河西乡三姑泉附近的丹河i 可铸中，丹河河谷自小 会褥素开薅穗泉