耦合变密度地下水流降阶模型与高斯过程的蒙特卡罗模拟

变密度地下水流系统受水力梯度和密度梯度共同驱动,非线性强,数值模型计算量大,尤其在开展不确定性分析时需要的计算成本很高。常规的数据驱动机器学习方法只能对点监测信息进行模拟分析,不能模拟整个地下水流系统。本研究发展了变密度地下水流降阶模型,利用高斯过程模型对降阶模型的数值误差进行修正组成耦合模型。耦合模型既能克服高斯过程只能模拟有限监测点信息的缺陷,又能提高降阶模型对监测点信息的模拟精度。考虑二维剖面变密度地下水流案例,将渗透系数场设定为空间随机变量,采用基于全阶模型(FSMC)、降阶模型(ROMC)和耦合模型(GP-ROMC)3种蒙特卡罗模拟方法进行不确定分析。研究结果表明:(1)ROMC能替代FSMC开展不确定性分析;(2)水头和盐度的平均相对二范误差与降阶模型维度的关系可用指数函数描述(决定性系数R2≥0.99);(3)GP-ROMC对监测点信息的模拟精度比ROMC高,GP-ROMC可有效修正降阶模型误差提高蒙特卡罗模拟的精度。研究成果可为地下水建模、不确定性分析、风险评估及参数反演等工作提供重要技术支撑。

MODFLOW地下水流模拟软件在引水工程中的应用

为更好地制定滇中引水工程磨盘山隧洞进口段的降排水方案,文章参考通过MODFLOW模拟软件数值模拟其合理性的南水北调南阳白河倒虹吸施工降排水方案,实施前将该模拟成果应用到磨盘山隧洞进口段的降排水方案设计中,通过现场实践为隧洞施工提供了良好的施工条件并已完成开挖掘进和衬砌施工。可为滇中地区引调水工程建设地下降排水施工提供借鉴和实践参考。

公路桥梁基础岩土工程勘察中地下水流与地基稳定性的关联性研究

正在进行公路桥梁基础的岩土勘察,地下水流对地基稳定性的影响引起了研究者的广泛关注。地下水流对公路桥梁基础岩土工程稳定性之影响成为研究焦点。地质勘察与水文地质研究得以有序实施,实测数据深度分析的结果,对本研究产生了影响,分析了地下水位波动与水文地质要素对地基稳定性的作用。地下水位波动与桥梁地基稳定互为因果,地基沉降,土壤侵蚀加剧,桥梁稳固性遭受重大冲击。因此,公路桥梁基础岩土勘察流程,地下水流因素需全方位评估,执行特定工程策略,确保桥梁稳定安全。

氢氧同位素在地下水流系统的重分布:从高程效应到深度效应

大气降水的氢氧同位素含量具有高程效应,降水入渗后参与地下水循环,其高程效应如何受地下水流系统的影响转化为地下水氢氧同位素的深度效应?现有研究对于这个问题缺少定量认识。文章构建单向倾斜盆地和双峰波状盆地的稳态地下水循环理论模型,采用MODFLOW模拟剖面二维地下水流场、采用MT3DMS模拟重同位素分子的对流-弥散过程,得到地下水D和18O含量的空间分布,探讨了氢氧同位素高程效应在地下水流系统转化为深度效应的机理。结果表明:在单斜盆地,补给区大气降水D和18O含量的高程效应转化为排泄区地下水δD和δ^(18)O值随埋深增大而指数型衰减的深度效应;在双峰波状盆地,当含水层渗透性相对入渗强度较大时(K_(0)/w=1 000),仅发育一个区域地下水流系统,在区域地下水的排泄区δD和δ^(18)O随埋深增大呈现S形曲线分布;当含水层渗透性相对入渗强度较小时(K_(0)/w=250),双峰波状盆地发育多个局部地下水流系统,区域地下水的排泄区δD和δ^(18)O随埋深增大呈现S形曲线,而局部地下水排泄区的δD和δ^(18)O随深度增加呈单调衰减趋势。本研究从理论上推进了地下水流系统对溶质运移影响机理的认识,揭示了氢氧同位素对地下水流系统的指示作用。

非稳态地下水流系统响应降雨变化的数值模型研究

区域地下水流系统的发育受地质、气候和地形多种因素的影响。以往的地下水流系统研究主要探讨了地质、地形和稳态气候条件下所形成的局部、中间和区域流动系统的组成特征,对非稳态的地下水流系统认识不足。聚焦于研究地下水流系统对降雨变化的动态响应规律,使用HydroGeoSphere构建了剖面二维地下水地表水耦合数值模型,模拟在降雨的周期性和随机性叠加动态驱动下非稳态渗流场形成的地下水流系统。模拟结果表明,各层级流动系统的空间范围都会随着降水波动而发生变化。局部地下水流系统在雨季并非都处于扩张状态,在旱季也并非都处于收缩状态。各个局部流动系统的同时刻穿透深度之间可能具有无关、正相关或负相关关系,这取决于各个局部流动系统响应降雨变化的滞后性。中间流动系统在非稳态条件下非常活跃,其排泄出口、补给入口和循环路径随时间变化,并强烈影响局部流动系统。通过5种不同含水层参数和降雨情景的模拟对比,发现地下水流系统的滞后性和穿透深度的相关性对含水层各向异性特征较为敏感。下一步,需要更加深入地研究地下水流系统在季节尺度、多年乃至跨世纪时间尺度气候波动过程中的非稳态响应规律。

区域地下水流理论的发展历程与教材演变

Tóth提出的区域地下水流理论为盆地尺度地下水循环研究提供了定量分析方法。从4个方面总结区域地下水流理论发展历程,对比国外多本水文地质学教科书对区域地下水流理论的描述情况,系统梳理我国《水文地质学基础》教科书自1986到2018年的4个版本对区域地下水理论描述的演变情况。分析认为,我国《水文地质学基础》教科书对我国学者开展区域地下水流研究发挥了重要的推动作用,最后提出了区域地下水流理论有待解决的科学问题和引导更多青年学生从事该领域研究的建议。

FEFLOW在地下水流模拟方面的应用

介绍了基于有限元原理的 FEFLOW软件 ,它的应用领域覆盖了水量、水质与温度的模拟 ,软件提供地理信息系统数据接口 ,能自动产生空间有限单元网格。FEFLOW程序包中配备了快速精确的数值算法来控制和优化求解过程 ,结果输出具有先进的图形视觉化效果 ,并能很好地处理相关的水文地质条件。举例说明了

黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用

黄河下游(河南段)影响带属于黄河下游冲积平原地下水系统,黄河对地下水的影响范围为5～23km,面积为9417.6km2。在建立水文地质概念模型的基础上,运用FEFLOW软件建立了研究区三维地下水流模拟模型,并对模型进行了识别。运用模型确定地下水多年平均补给资源量和可开采资源评价;预测新建傍河水源地开采条件下,地下水位在5～10年内趋于稳定;定量研究黄河与地下水的补排关系,傍河水源地开采量的65%～75%来自黄河水,黄河大堤防渗墙工程深度为20m和45m情况下,黄河侧渗量分别减小5.72%和8.12%。

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×104 km2,利用1998—2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84%、32.15%和24.17%。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。

基于LHS方法的地下水流模型不确定性分析

本文以理想地下水流问题为例,采用拉丁超立方取样(LHS)方法分析地下水流模型中水文地质参数以及源汇项等的不确定性对模拟结果的影响。另外,利用Spearman偏(秩)相关系数和标准(秩)回归系数分析方法对参数的灵敏度进行分析。结果表明LHS方法是地下水流模型随机分析的有效途径。

山西柳林泉域地下水流数值模拟

柳林泉为裂隙 岩溶泉 ,整个泉域面积约 2 72 7km2 ,且在柳林泉西部及西北部含水岩层组中赋存有大面积的咸水、微咸水。本文建立了平面二维区域地下水渗流模型 ,用于描述柳林泉域的地下水渗流 ,模拟效果良好。模型拟合阶段和检验阶段水头的计算值与观测值误差绝对值的平均值分别为 0 46m、0 5 1m。所有结果显示两者基本一致 ,说明所建模型可以用于实际。据此模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水流场的影响 。

GMS与苏锡常地区地下水流模拟

详细介绍了先进的地下水流模型模拟软件包GMS(ground water modeling system)在地下水流模拟中的优点和进行模拟的方法步骤以及在模拟中需要明确参数的水文地质意义、进行插值计算时需要人工校正等需要注意的问题。利用GMS软件完成了苏锡常地区的地下水流模型模拟,并在此基础上针对苏锡常地区地下水超采严重、环境地质问题突出的实际情况,提出了两个开采的预报方案,得出苏锡常地区地下水超采区应严格控制地下水的开采,非超采区按照2000年开采量的75%开采地下水量,非超采区的承压水位可以控制在-20 m范围内的结论。

地下水流数值模拟中随机因素的灵敏度分析

本文以待定系数摄动随机有限元法为基础,在以渗透系数、给水度、边界、源汇项为随机变量的条件下,建立了二维潜水非稳定流随机模型,编制了二维摄动随机有限元通用程序。通过对太原盆地地下水系统的随机模拟,分析了渗透系数、给水度、边界、开采量4个随机因子对水头模拟值的影响程度。结果表明,对水头期望值影响的灵敏度:渗透系数最大,其次为给水度和边界值,井开采量最小;对水头方差影响的灵敏度:给水度最大,其次为渗透系数和边界值,井开采量最小;对水头摄动量影响的灵敏度,两个随机参数中渗透系数较大,给水度较小。

地下水流系统理论与研究方法的发展

地下水流系统理论的提出,推动了现代水文地质学的发展。以Tóth经典地下水流系统理论建立方法为基础,综述了基于Tóth方法的地下水流系统的模拟成果,分析了Tóth方法得出的水流模式与控制因素的关系,以及地下水流系统理论从概念到实际应用的发展。同时,对中国地质大学(武汉)提出的地下水流系统通量上边界模拟方法也进行了系统论述,在物理模拟实验与数值模拟基础上,认为通量上边界分析方法是对Tóth方法的改进与完善,有利于对地下水流系统发育的物理机制理解;该方法能够更全面认识地下水流系统模式及其转化,定量出各影响因素对地下水流模式的控制关系。最后指出地下水流系统理论是当代水文地质学的核心概念框架,应该重视地下水流系统理论物理机制和数学模拟方法的研究,加强新技术方法的引入,拓宽其应用领域的研究等。

地表河网-地下水流系统耦合模拟Ⅱ:应用实例

本文将作者提出的地表河网-地下水流系统耦合模型应用于中国黑河流域下游水资源合理开发利用评价中。通过方案的比较得出研究区较为理想的水资源开发方案,即维持在1987～1988年间的水平,它基本可以保证黑河下游潜水含水层处于正均衡的运行状态。

珠江口盆地东部第三纪沉积环境与古地下水流模式

通过对珠江口盆地东部第三纪沉积环境的分析 ,认为构造运动控制的海平面升降既影响着同期沉积物的沉积特征 ,也决定了古地下水流的运动模式 .珠江口盆地东部海陆交互式的环境演变 ,使入渗势与压实势此消彼涨 ,它们共同影响着第三纪古地下水流模式的变化 .

确定隧道外水压力的地下水流模型——读《深埋隧道外水压力计算的解析-数值法》一文随笔

分析当前普遍使用的“折减系数法”确定隧道外水压力中存在的问题 ,建议采用地下水流数值模拟法 ,并提出建模中的注意事项 。

改变入渗强度的地下水流模式实验

自Tóth提出地下水流系统理论以来,大多学者基于定水头上边界的解析解或数值模拟研究地下水流系统发育特征,尤其是多级水流系统模式。认为复杂的盆地"地形势"就会发育多级地下水流系统,简单地形发育单一地下水流系统。利用自主研发的地下水流系统砂槽模型进行系列实验发现,实验条件下(模型尺寸、介质和多个河谷不变)水流系统的发育受控于降水入渗强度。得出随着降水入渗强度的增大,水流系统模式由单一的区域水流系统,到复杂的多级次水流系统,再到局部的水流系统的结论;盆地多个势汇中,只有实际成为地下水排泄点的汇势才能影响地下水流系统模式,而其他的势汇只是可能的潜在势汇。实验表明,用定流量上边界(降水入渗强度)能够更好地揭示盆地地下水流系统模式发育与变化机理。

基于小波神经网络的地下水流数值模拟模型的替代模型研究

以吉林西部为研究区,建立地下水流数值模拟模型,分别应用蒙特卡罗方法和拉丁超立方方法在研究区10个县(市)开采量的可行范围内进行采样,经对比选择拉丁超立方抽样结果得到输入(开采量)—输出(水位降深)数据集,建立小波神经网络模型作为地下水流数值模拟模型的替代模型,而后对替代模型有效性作误差分析,并与多元非线性回归替代模型进行对比.结果显示,2种替代模型在功能上都能逼近地下水流数值模拟模型,但小波神经网络模型得到的水位降深均值和水位降深剩余标准差与模拟模型计算结果的相对误差分别低于多元非线性回归模型76%和45%,说明小波神经网络模型更适合作为地下水流数值模拟模型的替代模型,这为减少优化模型求解过程中直接调用模拟模型所造成的计算负荷提供了一种有效的替代方法.

末次盛冰期以来河北平原第四系地下水流系统的演变

以区域自然地理及地质历史分析为基础,以环境同位素及大陆盐化咸水后期变化为实证依据,重塑了末次盛冰期以来河北平原第四系地下水流模式演变。研究发现,末次盛冰期以来河北平原第四系地下水流系统经历3个演变阶段:(1)距今18～15ka的低海平面时期,接受持续补给,地下水得到充分交替,发育穿透达到或接近第四系底界的区域水流系统;(2)距今15～12ka的海平面急剧抬升期,地形势差减弱,发育穿透第三含水层组的早期中间水流系统,与此同时区域水流系统趋于停滞;(3)距今2.5ka以来,现代河流地貌成形,高位河床与低位河床及河间低地的势差成为主要驱动力,发育穿透第一及第二含水层组的晚期中间水流系统。随着海平面抬升,后期发育的水流系统切割前期水流系统的一部分并叠置其上。因此,现今河北平原第四系的地下水流系统乃是不同演变时期地下水流系统的时空四维集合体。其他濒海平原,乃至侵蚀强度随时间减弱的内陆盆地,都有可能出现类似图景。距今12ka前后形成的大陆盐化咸水,由上升水流带到浅部,导致浅层咸水以及土地盐渍化,乃是河北平原水资源利用及生态与环境保护的关键性不利因素。