基于feflow的洛阳龙门地区寒武系地下水数值模拟研究

基于feflow的洛阳龙门地区寒武系地下水数值模拟研究

0地下水流场模拟结果研究区域为河南洛阳龙门地区，包括龙门风景区和龙门矿区。此外，在风景如画的龙门村，还发现了寒武系的泉水，主要包括：虞王泉、珍珠泉、潜溪寺泉、莲花洞等。不过这些泉在最近几年出现了几次间歇性断流,到08年10月份以后断流更加明显。为了更好的分析景区内泉水断流的原因,本文通过应用FEFLOW软件,对研究区内的寒武系灰岩地下水流场进行了模拟。通过对模拟结果的分析,较好的解释了泉水断流的可能原因,为今后的景区泉水保护提供了很好的依据。FEFLOW是由德国WASY水资源规划系统研究所研制开发的基于有限单元法的地下水模型软件包,是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。该软件被广泛应用于地下水流场演化的模拟中,并且软件中的BudgetAnalyzer(预算分析器)菜单能系统的分析水量的均衡问题,很适合分析研究区影响泉群出流的原因。1含水层地下水研究区属于佛光——龙门水文地质亚单元。该单元东起嵩山断层,西至龙门一带。地层倾向北偏西,倾角为20°～30°,并顺地层倾向向北偏西的深部延伸,属单斜构造。经过资料整理、分析,龙门景区内的禹王泉、珍珠泉、潜溪寺泉、莲花洞等都是出露在寒武系中上统的灰岩含水层中。该含水层在区域南部出露直接接受大气降水补给,中部被第四系松散岩层覆盖,北部深埋于地下,但是由于该含水层上覆岩层为铝土岩,是稳定的隔水层,所以垂向上的越流补给可以忽略。该含水层水的排泄主要是裸露区的蒸发,居民、企业、农业用水,区域内龙门煤矿排水和自流排泄。动态类型主要是降雨入渗-径流型。2地下水流模型2.1地下水流系统概化为类界面为建立研究区地下水流数值模拟模型,首先要对实际的水文地质条件加以概化,建立水文地质概念模型。通过上述水文地质条件分析,将研究区寒武系灰岩含水层概化为单一的、不存在越流补给的非均质各项同性的承压灰岩岩溶地下水含水层。研究区外围边界中,东、西部都是受隔水断层控制,概化为第二类的隔水边界。南部为天然地表水分水岭,北部为深埋区,地下水流动滞缓,同样也都概化为第二类的隔水边界。区内伊河概化为第一类的定水头边界。综上所述,将研究区地下水流系统概化为非均质各项同性二维非稳定地下水流系统,可用下面偏微分方程的定解问题来描述:{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为导水系数,(L2/T);H为水头值,(L);W为面补给、排泄量,(L/T);Qiδi泉及抽水井排泄量,对于泉,当水位标高高于其地面标高时δ取1;μ为弹性贮水(释水)系数,无量钢;Ω为研究区域;D为初始条件;Γ1为第一类边界条件;Γ2为第二类边界条件。2.2水文地质条件分析对模型采用三角网格剖分,共剖分出4766个单元格,节点2492个。根据水文地质条件,将含水层的渗透系数及贮水系数分为7个分区。降雨入渗系数分为2个分区。模拟区间为2008年全年,初始步长为0.001天。2.3模型试验2.3.1模型模拟结果对比为了验证所建立的数学模型和模型识别后确定的水文地质参数的可靠性,利用地震台水位观测数据对模型进行检验。由于地震台是从08年5月底才开始观测水位,再结合模型模拟结果中的整数天所对应的水位值,将模拟水位值与实测水位值进行对比、检验,见图1。从图中可以看出,水位的变化趋势以及水位值拟合的比较好,说明模拟模型能够较好的反映研究区的水文地质响应。2.3.2补给量的均衡性经过分析,区域四周为隔水边界,区内煤矿在开采数十年至今,其地下水的动储量基本趋于动态平衡,由此分析区域补给量应该基本等于区域范围内的排泄量。通过调整区域的居民企业用水量,得到各项水量均衡见图2。从图中可以看到最后的均衡值为6000m3/a,换算到天为16.4m3/d。由于区域居民及企业用水无法做到完全的调查统计,所以均衡值很难为零。模型调整到目前,其水量基本平衡。3模拟结果分析3.1泉点水位下降,其7月10月心理龙门景区内目前有8个泉点,其水位标高见下表。经过模拟后其泉水位变化见图3。从图3中可以看出来,泉水位的整体变化趋势是先有小幅度下降,到6月底又开始缓慢上升;从8月开始上升幅度明显增大;到9月底泉水位又开始大幅度下降。将各个泉点的水位与其地面标高进行比较后,可以看出到10月中旬,大部分的泉水位都低于其地面标高,换言之,大部分泉点到10月中旬都出现了断流。这与实际情况比较吻合,说明了模型的建立是合理的,可以用于实际。3.2降水、样品的降水变化此次模拟将一年分为三个时段,即半枯季(1月～6月),雨季(7月～9月)和枯季(10月～12月)来进行模拟。其模拟结果见图4～图6。图4反映了模型运行到第181天(2008年6月底)时的地下水流场的水位等值线。从图中可以看出,研究区存在两个降落漏斗。一是以龙门煤矿为漏斗中心的降落漏斗,二是龙门西山处的降落漏斗。之所以会产生两个降落漏斗,主要是因为龙门煤矿抽排水造成以其为中心的降落漏斗,而在龙门西山,也就是在景区范围内,存在一定量的抽水井,相对密度比较集中,致使该处也形成了一个小范围的降落漏斗。而这个时期的降雨量前3个月很少,后3个月有所增加,但量不是很大,属于半枯季,再加上春季农田用水,居民企业用水增加,在现有的抽水井数量不变的情况下,可能会影响到景区泉水的流量。图5反映了模型运行到第273天(9月底)时的地下水流场的水位等值线。由于7～9月是该区的雨季,降雨补给量比较大,从图中也可以看出来,地下水的水位明显上升,而且水流的方向是自东南向西北方向。基本没有降落漏斗的出现,只是在龙门西山偏西处有个别孤值,但其影响范围很小。这个时期,泉水能够得到很好的补给。图6反映了模型运行到第365天(2008年12月底)时的地下水流场的水位等值线。由于从10月以后降雨很少,所以该图反映的是雨季过后的一个枯季的地下水流场情况。龙门西山处的降落漏斗依然存在,景区泉群的位置还是在其影响范围之内。而此时在河渠(泉群北端)中产生了新的降落漏斗,范围很小,但是其直接影响比较大。产生这种现象,表明在河渠中可能存在抽水井,之所以在前两个时段,即半枯季和雨季没有形成这样一个降落漏斗的原因可能是因为地下水对该处的补给量能够满足其抽水量,该处的地下水能够得到有效补给,所以不会产生降落漏斗。但是在枯季,尤其是到了12月份以来,降雨基本为零的情况下,该处的地下水得不到有效补给,而抽水量没有明显减少,致使该处产生一个小范围的降落漏斗。由于这个降落漏斗距泉群最近,所以该降落漏斗的形成对于泉群的影响会更加明显。4