章丘市官庄地区地下水数值模拟研究论文97.docx

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章丘市官庄地区地下水数值模拟研究论文97

山东科技大学泰山科技学院

本科毕业设计（论文）

题目章丘市官庄地区地下水数值模拟研究

系部名称资源与土木工程系

专业班级地质工程（科本）12-2

学生姓名王秉顺

学号************

指导教师王熙

2016年5月

摘要

章丘市官庄地区距章丘城区约9km，由于其地处地下水补给区，且第四系覆盖较薄，属于水资源匮乏地区。

近几年由于连年干旱，水位大幅下降，人畜饮水问题日趋严峻。

解决群众生活用水问题成为当地政府和学者共同关心的问题。

主要的研究内容有：

第一、通过调查和阅读相关资料，初步查明区内含水层（带）的空间分布及其补给、径流、排泄与赋存条件，进行地下水位动态观测。

第二、探明该区域的构造地质条件，确定边界条件。

第三、通过勘察出的水文地质资料建立该区水文地质概念模型，进一步建立研究区域非均质各项异性三位非稳定流数学模型，利用等参有限元技术进行地下水数值求解。

第四、验证地下水数值模拟结果并分析，对官庄地区可能富水的地段最大可开采量进行概略评价，为解决当地用水问题提出依据。

关键词：

数值模拟渗流场参数分区三维数学模型降水量

Abstract

ZhangqiuAlfredchuangareaofabout9kmfromthechaptergravecity,islocatedinthegroundwaterrechargeareaduetoitsandquaternarycoveristhinner,belongstoawaterarea.Inrecentyearsduetoyearsofdrought,waterhasfallensharply,humanandanimaldrinkingwaterproblemhasbecomeincreasinglyserious.Tosolvethewaterproblembecomethecommonconcernofthelocalgovernmentandscholars.

Themainresearchcontentsareasfollows:

First,throughtheinvestigationandreadingrelevantinformation,findingtheaquiferinthearea（with）thespatialdistributionandrecharge,runoff,dischargeandoccurrenceconditions,undergroundwaterleveldynamicobservation.

Second,hasproventheregiontectonicgeologicalconditions,boundaryconditionsweredetermined.

Third,throughtheinvestigationofthehydrogeologicaldataestablishingthehydrogeologicalconceptualmodel,furtherestablishtheresearchareaofinhomogeneoustheoppositesexthreemathematicalmodelofunsteadyflow,groundwaternumericalbyisoparametricfiniteelementtechnology.

Fourth,verifytheresultsofnumericalsimulationandanalysisofgroundwater,Alfredchuangareamightrichwaterareageneralassessmentcanbemined,thelargesttosolvetheproblemoflocalwaterisputforwardonthebasisof.

Keywords:

numericalsimulationofseepagefieldparametersofthreedimensionalmathematicalmodelofprecipitation

1绪论...........................................1

1.1研究背景及目的.........................................

1.2数值模拟研究现状.......................................

1.3官庄地区地下水资源研究概况及研究程度...................

2研究区域水文地质条件研究概况.....................

2.1位置、地形地貌及水文特征...............................

2.2地质构造...............................................

2.3区域水文地质特征.......................................

2.4普查区水文地质特征.....................................

2.5研究区域内的抽水实验...................................

3地下水运动的数值模型及数值求解...................

3.1地下水数值模拟的基本方法...............................

3.2边界条件的处理.........................................

3.3抽水井的处理...........................................

4研究区内地下水数值模拟............................

4.1研究区模拟范围..........................................

4.2含水层概化..............................................

4.3边界条件概化............................................

4.4地下水源汇项处理........................................

4.5数学模型................................................4.6模型拟合和验证..........................................

4.7地下水位预测...........................................

1绪论

1.1研究背景及目的

山东省章丘市官庄地区位于章丘市的东南，据章丘城区约9km，该地区内物华天宝，资源丰富。

境内地质地貌十分特殊，南部山峦起伏，主要为灰岩裸露区，多石灰石、铁矿石，向北地势逐渐平缓，逐渐过渡为山前冲洪积平原。

由于地处地下水补给区，且第四系覆盖较薄，属水资源匮乏地区，经济条件比较落后。

近几年由于连年干旱，水位大幅下降，人畜饮水问题日趋严峻。

为查明该地区地下水资源情况，解决群众生活用水问题，建立地下水模型，通过地下水数值模拟的方法预测和评价官庄地区地下水资源。

1.2数值模拟研究现状

地下水系统数值模拟是基于地下水系统概念模型概化和抽象出的数学模型，用以描述地下水系统各参数、度量之间的数量关系,在对数学模型识别和验证的基础上进一步验证地下水系统的行为和功能的适应性，从而深化对地下水系统特性的认识。

地下水数值模拟作为预测、评价地下水资源的工具在解决具体的水文地质问题过程中起着日益重要的作用。

1、国外地下水数值模拟的发展

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。

十九世纪中叶，法国人达西盯在总结前人实践的基础上，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，1863）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。

1935年泰斯（C.V.Theis）提出了地下水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，代雅柯布（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、非完整井等情况下的解析解。

同时把稳定流计算中己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。

20世纪50年代后期,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。

同时数值法在应用过程中也得到了发展，从最初的有限差分法（FDM）和有限单元法（FEM），发展到后来的有限差分法（FDM）、有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）和有限分析法（FAM）等多种方法并存。

每一种数值方法在解决地下水问题的过程中被不断地发展和完善，如有限单元法派生出混合有限元法（HFEM）、特征有限元法（CFEM）、以及随机有限元法（SFEM）等。

2、国内地下水数值模拟的发展

国内地下水数值模拟起步较晚，经过多年来数学工作者肖树铁、谢春红、孙纳正、陈明佑、杨天行等和水文地质工作者（林学任、朱学愚、薛禹群、陈崇希）等以及科研院所的共同努力，地下水数值模拟在我国经历了从无到有、从简单的水流模型到比较复杂的物质和热量运移模型。

现在我国己经建立了囊括国际地下水模拟中心（IGwMc）P.vednerHiejde分类中所有模型，即预报模型（包括水流模型、热量运移模型、形变模型、多目标模型）、管理模型和识别模型。

研究范围涉及到饱和带、非饱和带与饱和—非饱和带，基本满足了我国国民经济建设发展的需要。

随着非稳定流理论的发展，以及电子计算机的广泛应用，使得各种复杂条件下的地下水运动都可应用数值法求解。

1.3官庄地区地下水资源研究概况及研究程度

章丘市官庄地区内盛产煤炭及黏土等矿产，所以地质及水文地质工作开展的较早。

1959年5月北京地质学院实习队，完成了章丘幅1/20万综合水文地质测绘，覆盖本区，并编制了1/20万综合水文地质图及图幅说明书，这是本区最早的综合水文地质调查，但未经审批验收。

1977年12月山东省地质局第一水文地质队，进行了济南市、淄博市、泰安市等区域水文地质调查，并提交了1/20万水文地质调查报告，对区内地层及水文地质特征进行了系统的研究。

1988年起山东省地质矿产局八0一水文地质工程地质大队在文祖断裂以西进行了1/5万水文地质调查，于1990年10月提交了《山东省济南市白泉—武家水源地供水水文地质勘探报告》。

1996～1999年中国地质大学（北京）淄川区调队按地层层序完成了文祖幅1/5万地质图的测制，并于1999年经山东省地质矿产勘查开发局审查批准。

淄博矿务局岭子煤矿及章丘市煤炭局先后在本区进行了煤炭普查工作，施工了大量钻孔，基本查明了区内二叠及石炭系地层分布。

近几年，章丘市水务局在明水泉水保护方面作了大量工作，另外宝山水源地、杨古水源地、科利水泥有限公司供水井勘探等工作，均积累了丰富的相关资料，为本次普查工作提供了宝贵的借鉴资料。

2研究区域水文地质条件研究概况

2.1位置、地形地貌及水文特征

2.1.1位置、地形地貌

普查区位于泰沂山脉北麓，自然地势南高北低，总体向北西方向倾斜，最高点位于孟家峪西南，海拔594m，最低点位于大阎满村北，海拔174m，普查区内东南西三面环山、呈向北西敞开的“簸箕”状。

地貌可划分为两种类型，东部、南部及西部为构造剥蚀低山丘陵，并接近深切割地形；由山前向北、向西，地形渐平缓过渡为山前冲洪积平原地貌。

图2-1交通位置图

2.1.2气象及水文特征

官庄地区属华北暖温带季风气候区，四季分明，春季干旱多风，夏季湿热多雨，秋季旱涝不均，冬季寒冷干燥，雨雪稀少，多年平均气温为12.6℃。

多年（1971～1998年）平均降水量614mm，多集中于6～9月份，占全年降水量的70%以上，历年最大降水量912.5mm（1990年），最小降水量319.5mm（1989年），多年平均蒸发量（液面蒸发）为1941.2mm。

区内属小清河流域，河流有东巴漏河、青扬河。

东巴漏河发源于水峪一带，流向北、南北向由普查区中西部流经；青扬河源于普查区南边缘——滴水石屋一带，在普查区中东部近南北向蜿蜒流过。

两河均为季节性河流，丰水期降水充沛时，流水湍急，源短流急，降水少即干涸无水，正常年份仅7～10月份有间歇性流水，近几年由于降水稀少，已无水流。

2.1.3地层

区内出露的地层包括古生代寒武～奥陶系及石炭～二叠系、新生代第四系地层。

寒武系主要分布于南部的东广田、西八井、石匣、三角弯、南王庄一带，出露地层为朱砂洞组（∈

）馒头组（∈

M）张夏组（∈j

）崮山组（∈jG）炒米店组（∈j

）及三山子组（∈jS）底部。

奥陶系地层包括三山子组b段（OjSb）、a段（OjSa）、马家沟组（OM）。

石炭系主要分布于长申地、黄家峪一带，出露面积约8.2km2，包括本溪组（CyB）及太原组（CyT）。

二叠系主要分布于东宝山、西宝山一带，出露面积约14.2.km2，包括山西组（Py

）及石盒子组（P

）。

第四系主要分布于山前冲洪积平原、山间、残丘周围及河流两侧（见表2-1）。

表2-1寒武-奥陶纪地层划分对照表

山东省地质局

（1963年）

山东区域地质志

（1991年）

山东省岩石地层

（1996年）

中石炭统

本溪组

上石炭统

本溪组

晚石炭统

本溪组

湖田段

中奥陶统

马家沟组

六段

中奥陶统

新汶组

中奥

陶世

马家

沟组

新汶段

八陡组

八陡段

五段

阁庄组

阁庄段

四段

下奥陶统

五阳山组

早奥

陶世

五阳山段

三段

土峪组

土峪段

二段

北庵庄组

北庵庄段

一段

东黄山组

东黄山段

下奥陶统

亮甲山组

纸坊

庄组

二段

九龙群

三山

子组

a段

冶里组

一段

b段

上寒武统

凤山组

晚寒

武世

c段

长山组

炒米店组

崮山组

崮山组

中寒武统

张夏组

中寒

武世

张夏组

徐庄组

长清群

馒头组

下寒武统

毛庄组

馒头组

早寒

武世

朱砂洞组

五山组

李官组

震旦系

土门组

震旦纪

土门群

浮来山组

2.2地质构造

研究区在大陆构造单元属于华北地台（图2-2

（1））、鲁西断隆区

（2），处在泰-沂掀斜式断块（3）内的南部断凸与北部凹陷的交接部位。

区内在早元古代末，吕梁运动以后，长期（尤其是古生代阶段）表现为相对稳定，在进入中、新生代时期，尤其是燕山构造旋回，地台的构造运动和岩浆活动都加强了，显示出相当强烈的活动性。

区内构造比较单调，主要发育古生界及中生界沉积盖层构造，其构造形式主要为不同级序的脆性断裂构造、压性剪理化带、节理及枢纽近水平的线性褶皱，其中断裂构造比较发育，主要为北北西向～南北向及东西向。

东西向断裂、褶皱和北北西～南北向主干大断裂分别构成区内中、新生代以来的主体构造格局（见图2-2）。

图2-2区域地质构造略图

2.2.1断裂构造

断裂构造在本区较为发育，属于浅层脆性断裂构造，主要有东西向压性-压扭性断裂，南北向主干大断裂及零星分布的北东向和北西向小断裂。

1、东西向断裂

东西向压-压扭性断裂虽然有的断裂带较宽，往往受侵入岩的影响，富水性较差，但在断裂上盘，有充足的汇水面积情况下，往往在岩层中形成强烈的岩溶现象，如龙藏洞即发育于龙藏洞断裂（F4）南侧，发育方向与F4基本平行，该溶洞主洞长近30m，最大宽度20余m，最大高度20余m，为北方罕见“大厅”式溶洞，支洞探入深度近50m，呈串珠状发育，阔处高达2-3m，窄处仅容1人匍匐钻入，该洞成因为降水岩裂隙渗入、沿坡向或岩石层面向北运动，到达破碎带，由于岩浆岩及奥陶系北庵庄段灰岩逆转陡立阻挡，水流汇聚而发生岩溶现象。

东西向张性断裂，富水性较好。

如巩家坞至青野断裂（F1），由青野村黏土矿坑道中观察，断裂发育较宽，达近3m，由断层角砾与断层泥组成，在长申地东断距达80m，在青野村北经物探测量及钻探揭露计算，其断距27m，呈东宽西窄的特征，在垂直方向上，断裂带宽度具有上宽下窄的特点，探采结合孔在229.50m-236.0m揭露到断层破碎带，经抽水实验获得理想的涌水量。

2、北西向主干大断裂

该组断裂自东向西依次为禹王山断裂、青龙山断裂、北栾宫断裂及文祖断裂。

禹王山断裂、北栾宫断裂、文祖断裂具有多期次继承性构造活动的特征，呈现多期次构造复合动力学效应。

禹王山断裂：

构成明水泉域的东边界，位于淄博市周村的南部，由后太师东部至金山东部通过。

金山东部被第四系所覆盖，幅内长度4Km左右，断裂面倾向东，倾角58°，断裂两侧地层为侏罗系。

青龙山断裂：

走向350°，局部近南北向，倾向西、倾角80°，东盘相对上升，西盘相对下降，具先张后压扭多期次活动性质，沿断裂有岩脉充填。

东矾硫村所施工水井（J49）深350m，涌水量30余m3/h。

北栾宫断裂北起马家峪以北，向南经甘泉庄～东张庄～北栾宫～东栾宫；文祖断裂北起文祖以北，向南延伸经西广田村至鲁地村。

该断裂系总体产状为走向北西向330°～350°，倾向东西西，倾向陡立，为75°～80°。

卷入断裂的地层主要为古生界。

文祖断裂具有隔水作用，构成了明水泉域与白泉泉域的分界线。

2.2.2褶皱构造

褶皱构造主要集中发育于奥陶系马家沟组中，主要由近东西向、南北向、北西向、及北东向，区内褶皱的分布特征见表2-2。

表2-2区内褶皱的分布特征

方向

地点

型式

枢纽

产状

轴面产状

规模（m）

形态

特征

翼间角

核部及两翼地层

形成

机制

长

宽

近

东

西

向

亮

甲

坡

三背斜

三向斜

东西向

近水平

直立

1500

150

～

200

开阔、

圆滑、

等厚

70°

～

100°

OMt、OMw

南北向水平挤压

下

盆

崖

两背斜

两向斜

东西向

近水平

直立

大于

1000

100

～

200

开阔、

圆滑、

等厚

120°

～

150°

OMt、OMw

弓

角

湾

背斜

向斜

东西向近水平

直立

小于

1000

60

～

100

开阔、

圆滑、

等厚

90°

～

110°

OMg、OMbd

北

东

向

黄

家

峪

向斜

北东向西南仰起

直立

大于

1500

800

～

1000

开阔

120°

核部为CyT

两翼为

OMx、CyB

北西～南东向水平挤压

2.3区域水文地质特征

区域地下水的赋存与分布受地质构造、地层岩性、地形、地貌及水文气象等自然因素的综合控制，由于区域性构造影响，南部隆起区基岩裸露，中部山前过渡带冲洪积场向北延展至凹陷带形成倾斜平原。

地势南高北低，由低山、丘陵过渡为倾斜平原，地下水有规律的赋存于各水文地质单元中。

2.3.1含水岩组（层）划分

依据区域地层岩性与地下水赋存条件，及其水理性质，对区域含水岩组划分如下：

（1）寒武～奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组（层）

寒武系、奥陶系碳酸盐岩类广布于南部山区及山前地带，自山前地带向北，地势逐渐平缓，且向北倾斜，奥陶系灰岩向北或北东倾伏于石炭、二叠系之下。

灰岩裂隙岩溶水，赋存条件良好，富水性较强，自低山丘陵区～径流区～承压区，具有富水性逐渐增强的特点。

低山丘陵区裸露型灰岩裂隙水单井涌水量一般＜500m3/d，向北随地形降低，逐渐增至500～1000m3/d，近胶济铁路一带可达1000～5000m3/d，在明水附近，因断裂构造及岩溶、裂隙发育，富水性更强，单井涌水量均＞5000m3/d。

裸露型灰岩裂隙岩溶水，水质类型一般为HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型，矿化度0.3～0.7g/L，埋藏型因受煤系地层影响，水化学类型多为HCO3·SO4-Ca·Mg型。

（2）石炭～二叠系碎屑岩孔隙裂隙水含水岩组

以碎屑岩类为主组成的石炭、二叠及侏罗系地层，主要分布于岭子～官庄～明水以北，在构造上处于泰沂穹断束之淄博～茌平凹陷带内。

石炭系为一套砂、页岩夹煤层及灰岩相间组成的煤系地层，覆于奥陶系之上，砂、页岩具不发育的层间裂隙，灰岩岩层厚度小，裂隙岩溶发育较差，赋存不甚丰富的岩溶裂隙水，单井涌水量一般小于300m3/d，其补给来源以接受奥陶系灰岩裂隙岩溶水顶托补给为主。

二叠系、侏罗系砂、页岩及砂砾岩具微弱的孔隙、裂隙，赋存孔隙裂隙水，富水性弱，单井涌水量一般100～500m3/d。

二叠系奎山组石英砂岩，坚硬性脆，孔隙裂隙发育相对较好，发育深度30～150m，单井涌水量一般＞500m3/d，该砂岩是区域内碎屑岩类地下水的主要开采层。

碎屑岩类孔隙裂隙水质一般较好，矿化度大部＜500mg/L，以HCO3-Ca或HCO3-Ca·Mg型为主，若受煤层影响，与煤层水混合，水质明显变差。

（3）岩浆岩风化裂隙水含水层

岩浆岩主要分布于区域南部（即南王庄～北栾宫以南地带）及北部的长白山一带低山丘陵区，主要为闪长岩，裂隙发育较差，赋存风化裂隙水，单井涌水量一般小于100m3/d。

四、第四系松散岩类孔隙水含水岩组（层）

区域北部倾斜平原区，大面积分布第四系沉积物，赋存孔隙水，山前地带及倾斜平原分布的冲洪积层，多由黄土状粘性土或砂性土组成，黄土状粘性土多具垂直节理裂隙，有不甚发育的大孔隙构造，具一定渗透性，但其孔隙率不高，蓄水能力较差，地下水赋存条件不好。

在巴漏河冲洪积扇一带，砂砾石层较厚，蓄水能力较强，含丰富的砂砾石孔隙水。

大气降水为其主要补给来源，另外还接受上游径流地下水及下伏裂隙岩溶水或孔隙裂隙水的顶托补给。

该类地下水与大气降水关系密切，连续干旱时，易枯竭。

巴漏河冲洪积扇砂砾石孔隙含水层，单井涌水量一般为1000～3000m3/d，水化学类型为HCO3-Ca型，矿化度小于500mg/L。

图2-3区域水文地质图

2.3.2地下水补、径、排条件

一、碳酸盐岩类裂隙岩溶水

低山丘陵区岩石裸露于地表，溶蚀现象明显，岩溶裂隙发育较好，构造带岩石破碎，连通性强，大气降水可直接渗入补给地下水，补给条件良好，该类地下水受气象因素影响明显。

从山区到平原，地下裂隙岩溶构成了地下水运动通道，形成地下径流，在径流过程中受煤系地层或火成岩体阻隔，地下水位升高，导致地下水富集，沿构造或岩石