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1、張文杰沉井施工降水時地下水動態(tài)分析及對江堤影響的研究611緒論1.1地下水模擬的重要性地下水的動態(tài)分析實際上就是地下水系統(tǒng)的數(shù)值模擬。地下水是一種寶貴的自然資源，是維持人類社會可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟和戰(zhàn)略資源，是綜合國力的有機組成部分[1]。當(dāng)今世界所面臨的“人口，資源，環(huán)境”三大問題，都直接或間接地與地下水有關(guān)。地下水含水層具有較大的調(diào)蓄能力，且水量穩(wěn)定，不易受污染，水質(zhì)較好，在河流、湖泊被大量污染的今天，地下水在我國城市生活和工農(nóng)業(yè)用水中起著舉足輕重的作用，我國約有三分之二的城市以地下水作為重要的供水水
2、源。隨著人口的增長、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及城市建設(shè)的迅速發(fā)展，地下水資源開發(fā)利用的規(guī)模越來越大，由此導(dǎo)致的諸如水質(zhì)惡化、形成區(qū)域性的降落漏斗、地面沉降等一系列地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問題，給人類帶來了不同程度的危害，因此查清地下水資源的形成條件、進行正確的總量評價、對研究區(qū)地下水系統(tǒng)進行模擬分析,并結(jié)合其時空分布特點制定合理的開采利用方案十分必要[2]。地下水系統(tǒng)[3]指在一定的水文地質(zhì)條件下，在某一范圍內(nèi)形成的地下含水系統(tǒng)，水力聯(lián)系密切并與相鄰含水系統(tǒng)相對隔絕。廣義上的地下水系統(tǒng)指包括地下含水系統(tǒng)和與之相關(guān)的社會、經(jīng)濟
3、、環(huán)境要素的總體。實際的水文地質(zhì)條件是復(fù)雜的：地形起伏多變,含水層厚度不均一，非均質(zhì)，各向異性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多層不連續(xù)，源匯項的時空分布不均，水文地質(zhì)參數(shù)的時空變異性明顯等。數(shù)值模型對這些特征有相對合理的表征，是對真實地下水系統(tǒng)的仿真和模擬。地下水資源評價就是“對某系統(tǒng)地下水資源的數(shù)量質(zhì)量時空分布特征和開發(fā)利用條件作出科學(xué)全面的分析和估計”[4][5]，通常地下水資源評價都是指地下水資源允許開采量的評價。1.2地下水模擬的研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀最早對地下水進行動態(tài)分析，采用的是比較直觀也是最為簡
4、單的水均衡方法以及水文地質(zhì)比擬方法[6]。十九世紀(jì)中葉，達(dá)西(HenriDarcy)在總結(jié)前人實踐的基礎(chǔ)上，通過試驗提出了水在孔隙介質(zhì)中滲透的線性滲透定律，即達(dá)西定律；稍后，襲布衣(J.Dupuit)以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，研究了單向和平面徑向穩(wěn)定運動，奠定了地下水穩(wěn)定流理論的基礎(chǔ)。1905年，E.梅勒第一次用解析法論證了泉水流量的預(yù)測方法[7]。1935年，泰斯(C.V.Theis)提出了地下水流向承壓水井的非穩(wěn)定流公式，開創(chuàng)了現(xiàn)代水文地質(zhì)計算的歷史。五十年代，隨著深層承壓水的開發(fā)利用，雅柯布(C.E.J
5、acob)、漢土什(M.S.Hautush)張文杰沉井施工降水時地下水動態(tài)分析及對江堤影響的研究61等人研究了有越流補給的情況，接著出現(xiàn)了考慮無壓含水層遲后反應(yīng)、非完整井等情況下的解析解。同時把穩(wěn)定流計算中已經(jīng)行之有效的疊加原理、映射法應(yīng)用到非穩(wěn)定流計算中來，以解決井群干擾和邊界的影響以及抽水流量呈階梯式變化等非穩(wěn)定流動問題。五十年代后期，T.H.卡門斯基在解析法分析群孔潛水動態(tài)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了存在降水入滲條件下的有限差分法，并用它來預(yù)測地下水動態(tài)的變化。六十年代后期隨著計算技術(shù)的進步，數(shù)值模擬
6、方法應(yīng)用到地下水計算中來，理論和工程上分析地下水的能力都取得了突破性的進展，先后出現(xiàn)了二維流平面(剖面)模型、準(zhǔn)三維流模型、三維流模型、耦合模型等[8-12]。國外近年來出現(xiàn)的幾個主要模型，例如R.Bravo(美國)等做的美國休斯敦模型，美國維吉尼亞州的濱海平原下水三維模型，確定了地下水的運動模式，主要的補給和排泄區(qū)域以及無約束系統(tǒng)中地下水的循環(huán)次數(shù)，澳大利亞Queensland大學(xué)系統(tǒng)研究了地下水動力學(xué)的數(shù)值解法和建立模型的方法步驟，在實踐中模擬了Collie流域地下水及其與地表水的動態(tài)耦合問題；并
7、模擬了海水入侵使海岸含水層污染物遷移的過程，將數(shù)值模型應(yīng)用到含水量計算、開采預(yù)測、管理方案及含水層補救等，取得了顯著成效。目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法[13]主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。國外該領(lǐng)域的研究主要針對數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊因素。根據(jù)Anderson等[14]提出的工作程序，要建立一個正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進行以下
8、工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗證和預(yù)報，預(yù)報靈敏度分析，模型設(shè)計與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計。針對Newman等的推測，Wood[15]提出了二維地下水運動有限元計算的時間步長條件。Kim[16]等對抽取地下水造成的noordbergumeffect(reversewaterlevelfluctuation)現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，闡述了其機理性原因。Scheibe
