沉井施工降水时地下水动态分析及对江堤影响的研究

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1、1绪论1.1地下水模拟的重要性地下水的动态分析实际上就是地下水系统的数值模拟。地下水是一种宝贵的自然资源，是维持人类社会可持续发展的经济和战略资源，是综合国力的有机组成部分[1]。当今世界所面临的“人口，资源，环境”三大问题，都直接或间接地与地下水有关。地下水含水层具有较大的调蓄能力，且水量稳定，不易受污染，水质较好，在河流、湖泊被大量污染的今天，地下水在我国城市生活和工农业用水中起着举足轻重的作用，我国约有三分之二的城市以地下水作为重要的供水水源。随着人口的增长、工农业生产及城市建设的迅速发展，地下水资源开发利

2、用的规模越来越大，由此导致的诸如水质恶化、形成区域性的降落漏斗、地面沉降等一系列地质灾害和环境问题，给人类带来了不同程度的危害，因此查清地下水资源的形成条件、进行正确的总量评价、对研究区地下水系统进行模拟分析,并结合其时空分布特点制定合理的开采利用方案十分必要[2]。地下水系统[3]指在一定的水文地质条件下，在某一范围内形成的地下含水系统，水力联系密切并与相邻含水系统相对隔绝。广义上的地下水系统指包括地下含水系统和与之相关的社会、经济、环境要素的总体。实际的水文地质条件是复杂的：地形起伏多变,含水层厚度不均一，非

3、均质，各向异性，结构复杂，多层不连续，源汇项的时空分布不均，水文地质参数的时空变异性明显等。数值模型对这些特征有相对合理的表征，是对真实地下水系统的仿真和模拟。地下水资源评价就是“对某系统地下水资源的数量质量时空分布特征和开发利用条件作出科学全面的分析和估计”[4][5]，通常地下水资源评价都是指地下水资源允许开采量的评价。1.2地下水模拟的研究现状1.2.1国外研究现状最早对地下水进行动态分析，采用的是比较直观也是最为简单的水均衡方法以及水文地质比拟方法[6]。十九世纪中叶，达西(HenriDarcy)在总结前

4、人实践的基础上，通过试验提出了水在孔隙介质中渗透的线性渗透定律，即达西定律；稍后，袭布衣(J.Dupuit)以达西定律为基础，研究了单向和平面径向稳定运动，奠定了地下水稳定流理论的基础。1905年，E.梅勒第一次用解析法论证了泉水流量的预测方法[7]。1935年，泰斯(C.V.Theis)提出了地下水流向承压水井的非稳定流公式，开创了现代水文地质计算的历史。五十年代，随着深层承压水的开发利用，雅柯布(C.E.Jacob)、汉土什(M.S.Hautush)等人研究了有越流补给的情况，接着出现了考虑无压含水层迟后反应

5、、非完整井等情况下的解析解。同时把稳定流计算中已经行之有效的叠加原理、映射法应用到非稳定流计算中来，以解决井群干扰和边界的影响以及抽水流量呈阶梯式变化等非稳定流动问题。五十年代后期，T.H.卡门斯基在解析法分析群孔潜水动态的基础上，系统地研究了存在降水入渗条件下的有限差分法，并用它来预测地下水动态的变化。六十年代后期随着计算技术的进步，数值模拟方法应用到地下水计算中来，理论和工程上分析地下水的能力都取得了突破性的进展，先后出现了二维流平面(剖面)模型、准三维流模型、三维流模型、耦合模型等[8-12]。国外近年来出

6、现的几个主要模型，例如R.Bravo(美国)等做的美国休斯敦模型，美国维吉尼亚州的滨海平原下水三维模型，确定了地下水的运动模式，主要的补给和排泄区域以及无约束系统中地下水的循环次数，澳大利亚Queensland大学系统研究了地下水动力学的数值解法和建立模型的方法步骤，在实践中模拟了Collie流域地下水及其与地表水的动态耦合问题；并模拟了海水入侵使海岸含水层污染物迁移的过程，将数值模型应用到含水量计算、开采预测、管理方案及含水层补救等，取得了显著成效。目前地下水系统数值模拟方法[13]主要有有限差分法(FDM)、

7、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。根据Anderson等[14]提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。针对N

8、ewman等的推测，Wood[15]提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。Kim[16]等对抽取地下水造成的noordbergumeffect(reversewaterlevelfluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原因。Scheibe[17]等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。Ghassemi[18]指出三维模型可以详细说明含水层系统的