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地下空间渗流场数值模拟及地下水资源评价研究近些年来，随着全球气候变化和经济社会发展的加快，地下水资源的利用和保护已逐渐成为全球关注的焦点。
在地下水资源的开采和利用中，地下空间渗流场数值模拟成为一种重要的分析方法。
同时，地下水资源评价也成为了全球科学研究和国家管理的重点之一。
一、地下空间渗流场数值模拟地下空间渗流场数值模拟是一种通过计算机模拟地下水流动过程的方法。
该方法将地下水流动模型离散化，再运用数值解法模拟地下水的流动和污染物的迁移，并得到水位、地下水流速、地下水通量等参数。
地下空间渗流场数值模拟具有准确性高、可重复性强、成本低等优点，在地下水资源的开采、排水、污染治理等方面应用广泛。
在实际工程应用中，地下空间渗流场数值模拟所得到的结果可以作为决策和设计的依据，对保护和调控地下水资源起到了重要的作用。
二、地下水资源评价地下水资源评价是指通过分析地下水储层的空间分布、水量、水质及相关环境因素等，对地下水资源进行定量化评价和综合分析的过程。
地下水资源评价包括地下水资源量的估算、地下水水质的评价、地下水开发利用评价等。
在地下水采集、保护和管理方面，地下水资源评价是实现地下水资源可持续利用的重要工具。
三、地下空间渗流场数值模拟与地下水资源评价的关系地下空间渗流场数值模拟和地下水资源评价是密不可分的。
渗流场数值模拟可以为地下水资源评价提供定量化的数据支持。
例如，地下空间渗流场数值模拟可以计算出地下水储层的水量、水位、水流速等参数，为地下水资源量的估算提供了可靠的数据支持。
同时，利用地下空间渗流场数值模拟模拟地下水运动规律和模拟地下水受到污染物的影响程度，可以评价地下水水质的情况。
另外，地下空间渗流场数值模拟还可以评估地下水的开采利用情况，例如地下水的开采量和地下水资源的可持续利用等。
四、结论作为地下水资源开发和保护的重要工具之一，地下空间渗流场数值模拟已经广泛应用于地下水资源的开发和利用。
地下水资源评价需要依赖于地下空间渗流场数值模拟提供的数据支持和分析方法。
数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究一、引言随着人口增长和经济发展，地下水资源的管理和保护变得愈发重要。
为了更有效地开发和利用地下水资源，数值模拟技术被广泛应用于地下水资源开发中。
本文将探讨数值模拟技术在地下水资源开发中的应用研究。
二、地下水模型构建地下水模型是数值模拟技术的核心。
地下水模型通过建立地下水系统的数学方程组来描述地下水流动规律，并运用计算机算法进行求解。
地下水模型的构建包括收集地质、水文数据，选择合适的数学模型，以及制定数值模拟的边界条件等。
三、地下水资源开发与管理1. 地下水开采模拟数值模拟技术可以模拟地下水开采过程中的水位变化、水质变化以及地下水补给量等。
通过数值模拟，可以预测不同开采方案下的水位变化，找到最佳的水源配置方案，以及评估开采对地下水系统的影响。
2. 地下水污染模拟地下水污染是严重威胁地下水资源安全的问题之一。
数值模拟技术可以模拟污染物在地下水中的传输和扩散过程，预测污染物的传播范围和浓度变化，并评估污染物对地下水质量的影响。
这些模拟结果可以为地下水污染防治提供科学依据。
四、数值模拟技术的优势与挑战1. 优势：数值模拟技术具有模拟范围广、模拟结果可视化、预测能力强等优势。
它能够模拟复杂的地下水系统，提供直观的模拟结果，并为决策提供科学依据。
2. 挑战：数值模拟技术在地下水资源开发中也存在一些挑战。
首先，数值模型的建立需要大量的地质、水文数据，数据的质量和准确性对模拟结果有重要影响。
其次，地下水系统的复杂性导致模型的参数不确定性增加，模拟结果的可靠性有待提高。
此外，模型的计算量大，需要高性能计算机设备支持。
五、数值模拟技术在地下水资源开发中的案例应用1. 案例一：某地地下水资源开发规划通过建立地下水模型，模拟不同的开采方案，预测地下水位的变化，并分析开采对地下水系统的影响。
在此基础上，提出合理的开采方案，保证地下水资源的可持续利用。
2. 案例二：某城市地下水污染防治通过建立污染物传输模型，模拟污染物在地下水中的传播过程。
数值模拟法在地下水环境影响评价中的应用刘伟”,胡华敏（湖南嘉洋工程设计有限公司，湖南长沙410007）摘要：阐述了地下水数值模拟法的理论基础，以及数学模型的建立与数值模拟方程的采用结合 地下水环境影响评价的工程实际探讨数值模拟法的应用，并分析了数值模拟法的优势与不足之处：关键词：地下水;数值模拟；解析法;环境影响评价中图分类号：P64文献标识码：B 文章编号:1004-5716（2019）01-0105-041地下水数学模型地下水污染已经成为一个全球性的环境问题，一 个污染源（点、线或面源）对地下水产生的污染程度的 大小受诸多因素的影响。
其中污染源的强度、地下水的流动速度、含水介质对污染物的吸附作用及微生物对污染物的降解作用是影响污染物扩展速度的主要因素，污染物在土壤及地下水中的迁移、软化和积累是 复杂的物理、化学和生物化学综合作用的结果，目前对地下水污染问题的研究，一般通过2种方法:一是通过室内土柱淋滤实验和野外示踪实验进行 监测分析;二是根据研究区的自然地理及水文地质条件，建立数学模型进行数值模拟分析，通过模型模拟污 染物的浓度的时空变化规律，并预测污染物在地下水中的瞬时动态与可能影响的范围。
地下水流动及溶质迁移数学模型包括地下水渗流基本微分方程和地下水溶质迁移的对流弥散方程，地下水环境影响评价则正是利用相关数学模型对建设项目在建设期、运营期和服务期满后对地下水质可能造成的直接影响进行分析、预测和评估，提出预防、保护或者减轻不良影响的对策和措施，制定地下水 环境影响跟踪监测计划，为建设项目地下水环境保护提供科学依据，2地下水数值模拟法由于求解复杂的水动力弥散方程的定解非常困难，而实际问题中多靠数值方法求解，因此常用的地下 水评价预测模型为地下水溶质运移解析法’一维稳定流动一维水动力弥散问题：假定地下水污染范围为一维半无限长多孔介质柱体,一端为定浓度边界.其解析方程如下,式中：工——距注入点的距离,m ；t ----时间,d ；心,t ）---/时刻工处的示踪剂浓度,g/L ；co -----注入的示踪剂浓度,g/L ;ii ---水流速度,m/d ；D l ——纵向弥散系数,m 2/d ；erfcQ ----误差函数□一维稳定流动二维水动力弥散问题:连续注入示 踪剂一平面连续点源,其解析方程如下：（2）式中：工、y ---计算点处的位置坐标;t ---时间,d ；——/时刻.r 、y 处的示踪剂浓度,g/L ；M ——承压含水层的厚度,m ；m,——单位时间注入示踪剂的质量,kg/d ；u ——水流速度,m/d ；n ——有效孔隙度，无量纲；D l ——纵向才方向的弥散系数.m'/d ；D r ——横向y 方向的弥散系数,m7d ；K ——圆周率；*收稿日期:2018-04-24 修回日期:2018-05-03第一作者简介:刘伟（1978-）,男（汉族湖南望城人.工程师，现从事岩土 T.程勘察技术T.作K"®——第二类零阶修正贝塞尔函数；“(參丿)—第一类越流系统井函数。
开挖基坑受地下水影响的数值模拟周斌;邵迟【摘要】In order to research deformation of granite foundation influenced by groundwater seepage at different positions, analysis steps in computing model in finite element software are divided into 14 working conditions to simulate influence degree of underground water for foundation pit and cloud maps are drawn. Research results show that through the analysis of foundation pit deformation at different excavation steps, the displacement of sub⁃way tunnel is less than that of retaining structures of foundation pit, and when arriving excavation bottom, due to effect of water stopping from grouting, the maximum of calculated settlement is 1.5mm, which is within controlla⁃ble deformation scope.%为了模拟花岗岩残积土地基施工过程中不同位置受地下水渗流影响实际的变形状态，以应变⁃渗流耦合为切入点，将计算模型分析步骤分为14个工况3步开挖，利用有限元计算软件模拟开挖基坑受地下水渗流的影响范围，并绘制了相应的开挖降水水头云图及分步开挖基坑水平、竖向位移云图．研究结果表明：基坑在不同开挖步数时，地铁隧道最大水平位移小于基坑围护结构最大水平位移，且开挖到底后，由于基岩裂隙灌浆的止水作用，地铁沉降计算结果不大，最大为1．5 mm，达到了地铁结构累积变形处于可控范围内的效果，解决了基本理论所无法定量计算地铁结构位移是否满足地铁位移允许值要求的问题．【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2016(023)006【总页数】4页(P30-33)【关键词】地下水渗流;位移;沉降;基坑开挖【作者】周斌;邵迟【作者单位】湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007;湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲 412007【正文语种】中文【中图分类】TU471.5地下水问题一直是岩土工程研究的难点和热点之一，地下水渗流对土体的强度和变形有着重要的影响，基坑工程中的很多事故都与地下水渗流有关[1].由于地下水的不确定性，在基坑的不同部位、不同施工阶段地下水的作用都在变化.由此引起基坑失稳、流土、管涌、地面沉降，更严重的还会对基坑周围的建筑物、地下管线和其它市政设施产生影响[2].在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低水位.若降水不对，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成临近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，甚至掏空，导致建筑物开裂和危及安全作用[3].为了解决地下水对开挖基坑的不良地质作用问题，我国学者对基坑开挖引起的变形问题进行了大量的数值模拟研究.杨天鸿[4]等在2003年利用自主研发的F-RFPA2D岩石破坏分析软件对广州某地铁隧道施工过程中造成的地面沉降进行了模拟计算;齐干[5]等在2007年利用BP人工神经网络研究某软土地区深基坑开挖造成的周边环境地表沉降，并对沉降影响因素进行了定量化分析;刘勇[6]等在2009年利用FLAC3D数值模拟软件对北京某地铁车站深基坑工程在开挖期间的变形进行了预测分析；胡斌等[7]在2014年利用FLAC3D数值模拟软件对武汉地铁某深基坑开挖造成的高架桥变形进行动态预演，检验了基坑设计方案的安全经济性.基于以上，本文以某地铁三号线深基坑地质灾害治理工程为背景，利用有限元计算软件模拟开挖基坑受地下水渗流的影响范围，通过对地铁地基施工期间的开挖降水水头及分步开挖基坑水平、竖向位移进行定量研究分析，以期对整个建设工程进行指导.基坑位于某地铁三号线西侧，基坑边与地铁隧道结构净距为4.7～5.2 m，地铁隧道采用盾构施工，本项目基坑深度22.5 m，三号线隧道埋深约24.9 m，隧道结构轨面标高在基坑底以下1.1 m左右.勘察期间，各钻孔均遇见地下水，地下水赋存、运移于人工填土、第四系土层及花岗岩全风化、强风化带的孔隙、裂隙中，地下水类型属潜水和基岩裂隙水.其中第四系冲洪积中粗砂②2、粗砾砂②3属强透水性地层，具有承压性，涌水量大，为主要含水层.地下水主要为大气降水及地表水补给，水位变化因季节而异.勘察时，场地地下水位埋深介于4.50～5.30 m，标高介于2.66～3.30 m.1.1 止水帷幕简介基坑采用咬合桩兼作止水帷幕，为避免咬合桩接缝处漏水，基坑外围增设D1000@800摆喷桩止水帷幕，坑底增设两排灌浆孔进行基岩裂隙灌浆.1.2 地下水渗流采用的岩土体本构模型为摩尔-库伦模型.与前面基坑开挖施工分析不同的是增加了一个渗流材料函数.渗流材料函数用于渗流计算中，包括体积含水率函数和渗流系数函数.水在岩土中流动时，会有部分水保存在岩土中，含水量与孔隙的吸水力和岩土特性相关.渗流分析中的含水量按体积含水率计算..式中,θ为体积含水率；VW为水的体积；V为全体积.1.3 应变-渗流耦合的模拟地下水的渗透现象是由渗透区域周边边界的水头差或流量边界引起的.地下水流动过程中，因为水和土壤颗粒之间的摩擦会产生渗透力，由此会产生位移和应力.渗透力与对孔隙水压的积分相同.孔隙水压是将在渗流分析中得到的全水头减去位置水头而得的压力水头与水的容重相乘而得的.一般来说渗透力集中在全水头大小变化较大的流出边界的临近区域.这样的区域的约束压力较小，抗剪强度和抗拉强度都相对较小，所以对砂土地基做考虑渗透压的有效应力分析时，地基很容易破坏.所以说渗透应力耦合分析在砂土类地基的稳定性分析中是非常重要的.地基的孔隙水压会影响总的应力.根据太沙基原理，总应力(σ)可分为有效应力(σ′)和孔隙水压力(u).孔隙水压力由稳定状态孔隙水压和过孔隙水压组成.稳定状态的孔隙水压可从地下水分析的结果中由地下水面的高度生成.过孔隙水压由非排水材料的应力计算产生.14个工况3步开挖计算模型分析步骤如表1所示.计算采用平面应变问题，采用应变-渗流耦合的方法，共同计算基坑开挖、降水对地铁区间隧道产生的变形；土体单元采用平面三节点单元，止水帷幕采用平面四节点单元，围护桩、地铁结构采用梁单元模拟，支撑采用弹簧单元模拟；渗流过程在基坑开挖前的初始计算和开挖过程中均采用稳定流进行计算；岩土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型；迭代计算方法采用Newton-Raphson法；收敛标准采用位移收敛标准；弹塑性材料流动法则为相关联流动法则；饱和土的渗流采用达西定律；根据勘察报告，初始地下水位为地面以下5.0 m.咬合桩止水帷幕渗透系数取0.001 m/d，基岩裂隙灌浆止水帷幕渗透系数取0.2 m/d.支撑按弹簧单元模拟.根据设计方案建立二维模型，计算区域包括基坑开挖区域及地铁区间隧道.计算模型的大小既要充分考虑项目实际情况，保证计算分析的精确度，同时又要考虑建模及计算的便利.计算模型建模过程为：1) 利用AutoCAD软件绘制典型断面，以精确确定支护结构/地层界限等信息，而后导出为二维DXF文件；2) 在GTS中导入DXF文件，通过实体建模菜单形成二维模型；3) 对模型划分网格，并赋予其材料属性.最终形成如图1所示计算模型.基坑开挖渗流位移计算结果见图2～10.图3中，围护桩最大水平位移7.8 mm，隧道最大水平位移2.6 mm.图4中，地表最大沉降6.7 mm，隧道沉降不足1 mm.图6中，第二次降水坑内水头-17 m，初始水头-5 m，隧道左线上方地表水头降低0.92 m，底板水头降低3.14 m，隧道右线上方地表水头降低0.79 m底板水头降低2.1 m.图6中，围护桩最大水平位移12.9 mm，隧道最大水平位移3.8 mm.图7中，地表最大沉降7.9 mm，隧道沉降最大1.1 mm.图8中，第二次降水坑内水头-17 m高度，初始水头-5 m，隧道左线上方地表水头降低1.44 m，底板水头降低5.0 m，隧道右线上方地表水头降低1.25 m底板水头降低3.26 m.图9中，围护桩最大水平位移16.3 mm，隧道最大水平位移4.9 mm.图10中，地表最大沉降10.1 mm，隧道沉降最大1.5 mm.从以上计算结果可知：1) 地铁隧道距离基坑较近，但由于地铁处于强风化花岗岩地层，基坑下部水平位移不大，因此地铁位移处于可控范围内.2) 随着基坑开挖的进行，隧道结构随土体发生向坑内的变形，开挖至坑底时，基坑围护结构最大水平位移计算结果16.2 mm，地铁隧道最大水平位移计算结果为4.9 mm.3) 受坑内降水影响，坑后地下水位下降，开挖到底后，由于坑内基岩裂隙灌浆止水帷幕的影响，坑后地下水位下降不大，地铁隧道底板位置水头继续降低，最大水头下降约5.0 m，地铁沉降计算结果不大，最大为1.5 mm.通过二维有限元计算，采用应力-渗流耦合法分析基坑开挖及坑内降水对坑后地下水及地铁隧道竖向位移的影响，并判定地铁结构累积变形是否在允许范围内.从实际应用的角度说明了本文提出的数值模拟更加符合实际情况，更加科学合理.【相关文献】[1] 陈志国.地下水渗流对地铁车站基坑稳定性影响[J].西部探矿工程，2011(4)：10-14.[2] 姜忻良，宗金辉.基坑开挖工程中渗流场的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2006(28)：564-568.[3] 张忠苗.工程地质学[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.[4] 齐干，朱瑞钧.基于BP网络的基坑周围地表沉降影响因素分析[J].地下空间与工程学报，2007, 3(5): 863-867.[5] 杨天鸿，梁正召，刘红元，等.地铁开挖引起地表沉陷过程的数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2003, 21(11): 1621-1625.[6] 刘勇，冯志，黄国超.北京地铁工程深基坑围护结构变形研究[J].地下空间与工程学报，2009, 5(2): 329-335.[7] 胡斌，王新刚，冯晓腊，等.武汉地铁某深基坑开挖对周边高架桥影响的分析预测与数值模拟研究[J].岩土工程学报,2014,36(增刊2)：368-369.。
地下水运动规律的数值模拟研究地下水是地球上最重要的自然资源之一，也是人类生存和发展的重要基础。
地下水运动规律的研究对于地下水开发利用、水资源管理、环境保护等方面具有极其重要的意义。
本文将介绍地下水运动规律的数值模拟研究，包括模型建立、参数确定和模拟结果分析等方面。
一、地下水数值模拟模型建立地下水数值模拟建立的首要任务是选择一个合适的模型。
在地下水数值模拟研究中，目前常用的模型主要有三种：有限差分模型、有限元模型和边界元模型。
这三种模型各有优缺点，应根据具体情况选择。
其中，有限差分模型常用于规则网格模型，有限元模型适用于不规则网格模型，而边界元模型则适用于模拟溶质扩散、热传导等问题。
在选择模型之后，下一步是确定数值模型所需的各个参数，包括渗透系数、地下水位等。
渗透系数是地下水数值模拟中最重要的参数之一，它反映岩石、土壤等介质对水分移动的难易程度。
通常，我们可以通过实验或者现场测量来得到渗透系数。
地下水位则是地下水数值模拟中另一重要的参数，它反映地下水流动状态。
为了得到精确的地下水位数据，我们需要在地下水源地的不同深度处进行采样，分析样品中含水量的变化，进而反演出地下水位。
二、数值模拟参数的确定在确定数值模拟参数时，需要根据具体情况进行选择。
比如说，当考虑建立一个地下水源地的数值模拟模型时，我们需要通过实验或者现场测量来得到该区域的渗透系数和地下水位等参数。
如果我们是在模拟地下水的流向和污染扩散等问题时，则需要考虑不同介质的物理性质和地形地貌等因素。
在确定数值模拟参数时，还需要注意一些常见问题，比如说动力学问题、温度变化等因素。
这些问题都会对地下水运动规律的模拟结果产生影响，因此需要充分考虑。
三、数值模拟结果分析数值模拟结果分析是地下水数值模拟研究中最后一个环节，也是最为重要的一个环节。
通过数值模拟可以得到地下水的流速、流向、水位等参数变化，在此基础上可以进一步推测出地下水对环境的影响和水资源的利用潜力。
地下水数值模拟的研究与应用进展1. 引言1.1 地下水数值模拟简介地下水数值模拟是指利用数学模型和计算机技术对地下水系统进行模拟和预测的方法。
通过模拟地下水系统的水文地质特征、水文动力过程和水文化学过程，可以更好地理解地下水运动规律，预测地下水资源的变化趋势，指导地下水资源的合理开发和利用。
地下水数值模拟的基本原理包括建立地下水数学模型、确定模型参数、选择数值计算方法、进行模拟计算和模拟结果分析。
地下水数值模拟常用的模型包括地下水流模型、地下水热盐模型、地下水污染迁移模型等，可以根据实际问题的不同选择合适的模型进行建模。
地下水数值模拟在水资源管理、环境保护、地质灾害防治等领域有着重要的应用价值。
通过地下水数值模拟，可以预测地下水位变化、地下水资源补给和排泄规律，为科学合理地开发利用地下水资源提供参考依据。
地下水数值模拟还可以用于评估地下水污染风险、指导地下水污染防治，保护地下水资源环境。
地下水数值模拟是一种强大的工具，为研究人员提供了深入理解地下水系统运行机制和分析地下水问题的方法。
通过不断地研究和应用，地下水数值模拟将在未来发展中发挥更加重要的作用。
1.2 地下水数值模拟的重要性地下水作为重要的水资源之一，对人类生存和发展具有重要意义。
地下水数值模拟是研究地下水流动规律和预测地下水变化的重要手段。
其重要性主要体现在以下几个方面：1.优化地下水资源管理：地下水数值模拟可通过对地下水流动模式的研究和模拟，优化地下水资源的开发和利用。
通过模拟可以更好地预测地下水位变化、水质变化等情况，有助于科学合理地规划地下水资源的开发和利用方案。
2.保护地下水环境：地下水数值模拟可以帮助研究人员识别地下水受到威胁和污染的情况，从而采取合适的措施进行保护和修复。
通过模拟可以及时发现地下水受到污染的源头和扩散路径，指导环境保护工作的开展。
3.灾害预警和防范：地下水数值模拟可以用于预测地下水位变化、地下水涌出、地下水泛滥等情况，为灾害预警和防范提供科学依据。
地下水系统的数值模拟研究近年来，随着城市化进程不断加快和人口增长的逐步加剧，地下水资源的开发利用也变得越来越重要。
然而，地下水的数量、品质和空间分布都受到地质、气候等多方面因素的影响，给其管理和利用带来了极大的挑战。
因此，建立地下水数字模型，深入研究地下水系统是非常重要的。
一、地下水数值模拟的意义和现状地下水数值模拟研究是指通过对地下水流动、输运、化学行为等过程进行数学建模和模拟，以预测和评估地下水资源的分布情况和变化趋势，指导地下水资源的合理开发、管理和保护。
地下水数值模拟可以提供与地下水相关的诸如水文循环、地表地下水联系、水资源调控等决策支持，做好保障和利用水资源的工作。
目前，国内外已经对地下水数值模拟开展研究多年，应用范围也十分广泛。
国内一些城市、地区已经将地下水模型应用于地下水资源开发规划和绩效评估，而国外地下水模型研究则更加成熟，应用领域也包括了陆地水文、地质学、土力学等技术领域，具有较高的应用价值和现实意义。
二、地下水数值模拟的主要方法与技术地下水数值模拟研究方法主要依赖于计算机仿真和实验研究。
两者不同的是，仿真是通过计算机数值分析地下水流动、输运、地下水化学等液体流体力学行为，而实验则是在实际环境中监测和记录地下水的物理化学参数并进行实时分析，从而得出各种地下水特性，如渗透性、毒性、温度等。
数值模拟必要的步骤：1.设计数学模型：需要将地下水系统分成空间块，建立相应的液体物理力学方程组。
2.模型参数的处理和确定：需要了解并确定涉及该地区的一些物理、化学参数，如渗透性、温度、水化学含量和地表地层结构等参数，以及地表地下水的特性。
3.选定模拟参数和计算方法：通常文件计算流密度和地表流速、影响其流体行为的参数，以及计算规模和方法。
4.数值计算、分析结果和模型修正：利用数值方法对地下水流动、转移、质量变化等进行数值模拟计算。
通过模拟进行结果分析并对模型进行修正。
三、常见的地下水数值模拟技术与流程总的来讲，地下水模拟有三种基本技术：格网式有限元模拟（FE）、边界元模拟（BEM）和拉格朗日模拟（LSM）。
抽汲地下水引起地面沉降三维数值模拟及工程应用
研究的开题报告
题目：抽深地下水引发地面沉降三维数值模拟及工程应用研究
摘要：自上世纪70年代起，人类对于地下水资源的探索和利用愈发频繁，而抽水井则是地下水开发的主要手段之一。
然而大量抽水不仅会导致当地水资源缺乏、水位下降，还可能引发地面沉降等地质灾害。
本文将以常用的抽深井为研究对象，利用数值模拟方法对抽水引起的地面沉降进行研究，并探索实际工程中的应用。
研究内容和方法：研究主要分为两部分，一是数值模拟，二是应用案例分析。
数值模拟方面，将采用有限元方法建立三维地下水流动数学模型，分析抽深井对地下水流动的影响以及引发地面沉降的机理。
同时，考虑土层物理性质的差异性和非线性因素，建立包括-soil-水相互作用、土体弹塑性行为等在内的三维力学模型，模拟地质体的变形过程，并考虑不同地下水位下的地面沉降特征。
应用案例分析方面，选取国内典型地区开展实际工程例分析，进一步说明深水抽采对地面沉降的影响，比较数值模拟和实测数据的关系和符合程度，为实际工程提供科学依据。
预期成果和意义：本文研究结合数值模拟和实际工程应用，在抽深井引起地面沉降机理、规律及特征方面有理论和实践的探索和研究，这对于有效防控地下水开发带来的地质灾害、提高地下水开发的科学性和实用性，推动水资源的科学合理开发和利用具有重要意义。
地下水环境水力学数值模拟研究随着工业化和城市化的迅猛发展，地下水资源的利用和污染问题引起了广泛关注。
地下水环境水力学数值模拟技术在研究地下水流动与污染扩散过程中发挥了不可替代的作用。
本文将介绍地下水环境水力学数值模拟的基本原理、应用范围以及未来发展方向。
一、地下水环境水力学数值模拟的基本原理地下水环境水力学数值模拟是指利用计算机模拟地下水运动和污染物迁移的数值方法。
它基于一系列物理定律和数学模型，通过将地下水系统建模，求解复杂的地下水环境问题。
模型的建立包括采集现场数据，建立模型边界条件和参数，以及选择计算方法和程序等步骤。
在模型建立后，通过数值方法对模型进行求解，以获得模拟结果。
数值方法包括有限差分法、有限元法、边界元法等，其中最常用的是有限差分法。
在数值解法中，通常采用数值积分法对偏微分方程进行离散化，在有限差分法中，通常采用中心差分格式或向后差分格式对偏微分方程进行离散化。
二、地下水环境水力学数值模拟的应用范围地下水环境水力学数值模拟技术可以应用于多个领域，包括地下水开采、地下水污染、地下水保护等。
1. 地下水开采地下水资源是农业、城市供水和工业生产的重要来源。
在地下水开采中，利用水文地质调查数据和地下水数值模拟技术，可以对地下水资源进行评价和预测，制定合理的地下水开采方案，提高地下水利用效率。
2. 地下水污染随着工业和城市的发展，地下水受到人类活动的影响，出现了一系列地下水污染问题。
通过地下水环境水力学数值模拟技术，可以分析地下水污染的来源、扩散和污染物运移规律，帮助制定污染治理措施，预测污染物的未来变化趋势。
3. 地下水保护地下水是一种不可再生资源，保护地下水对于维护自然生态和人类生存环境具有重要意义。
地下水环境水力学数值模拟技术可以用于评估地下水对其周边环境的流动和污染扩散影响，制定地下水管理和保护政策。
三、地下水环境水力学数值模拟的未来发展方向地下水环境水力学数值模拟技术在应对地下水资源管理和污染控制方面具有广阔的应用前景。
隧道开挖对地下水流影响的数值模拟与分析地下水是地球上一种重要的自然资源，它不仅能够供应生活需要，还能够为农业、工业等提供必要的水源，因此对地下水的保护与管理是一项非常重要的工作。
然而，在地下资源开发过程中，由于人类活动的种种因素，地下水往往面临着一定程度的危害。
其中，隧道的开挖是常见的一种地下工程，它能够为城市交通建设提供便利，但同时也会对地下水流动产生一定的影响。
因此，对隧道开挖对地下水流影响的数值模拟与分析是重要的研究方向。
一、隧道开挖对地下水流影响隧道开挖对地下水流的影响主要体现在两个方面：一是对水流的破坏，另一个是对水流的改变。
1、对水流的破坏开挖隧道过程中，需要对地下土壤进行开挖、爆破等作业，这些操作会打击地下土壤的结构和物理性质，导致土壤的渗透性、透水性下降、稳定性降低等，使土壤中的水流逐渐变为非正常状态，甚至导致水流消失。
此外，在开挖隧道的同时，还会排放大量的土方、淤泥等垃圾，这些垃圾会大量地占据原本流动的水流通道，进一步阻碍水流的通畅。
2、对水流的改变隧道的开挖会导致原本流动通畅的地下水流通道受到一定程度的限制，使水流的通畅性受到影响。
另外，由于隧道开挖对周围土层的破坏，土层强度的降低会导致水流通道趋于变窄，流动速度受限。
此外，隧道工程所要使用的排水系统、泵站设备等也会对地下水流的通畅性产生一定影响，使水流的速度、方向等发生变化。
二、隧道开挖对地下水流影响的数值模拟与分析为了深入了解隧道开挖对地下水流的影响，可以采用数值模拟与分析的方法，通过计算机模拟来对隧道开挖的影响进行研究。
1、数值模拟的目的数值模拟的主要目的是为了了解隧道开挖后对地下水流的影响，进而判断隧道开挖是否会对地下水资源造成永久性的破坏，以及拟定合理的措施对其进行保护。
2、数值模拟的方法数值模拟的方法主要包括数学模型的建立、模拟计算及结果分析等步骤。
模型的建立是数值模拟的第一步，它需要了解隧道开挖的具体情况，包括开挖的视线、开挖的深度、松散程度等，然后创建三维数学模型进行计算。
第19卷 增刊2004年6月地球科学进展A DVANC E I N E AR T H S C I ENCE SV o l.19 S uppl.J u n.，2004文章编号：1001-8166（2004）增-0180-05龙湖周边机井开采对地下水流影响的数值模拟陈 喜，刘传杰（河海大学，江苏南京 210098）摘 要：人工湖、库和河流等将改变区域水文循环过程，特别是地表水与地下水交换关系。
本文对郑州市规划的龙湖入渗水利用和龙湖周边机井布设方案进行比较分析。
龙湖水体形成后，湖区与周围地下水位的2.5 m落差将使湖水大量入渗补给地下水，大范围抬升湖区周围地下水位，龙湖周围低洼处将有发生盐碱化的危险，威胁到紧靠龙湖的西部国家森林公园和规划中的东北部生态回廊绿地。
本文利用美国地质调查局（U S G S）颁布的三维地下水数值模型（M OD FL O W），模拟不同湖底防渗措施和机井开采方案下龙湖周围地下水位变化以及龙湖入渗量，对龙湖周边布井方案可行性和降低地下水效果加以分析和比较。
关 键 词：入渗水；机井；地下水数值模拟；防渗措施中图分类号：P641 文献标识码：A1 简 介郑州郑东新区规划阶段推荐挖掘一个6.08 km2，平均水深约2.5m面积的龙湖，相应的水体规模1750万km3，相当于一座中型水库的规模。
该人工湖泊具有景观、水资源综合利用和改善水环境等功能。
该区靠近黄河的平原地带，浅层含水层组在东部平原区由全新统（Q h）和上更新统（Q p3）冲积成因的一套以粗为主，粗细相间的各类砂层和粉土组成，由于黄河的侧渗补给，浅层水资源极为丰富。
目前龙湖附近地下水位约为83m，龙湖设计正常水位为85.5m。
因此，龙湖水体形成后，湖区与周围地下水位的2.5m落差将使湖水大量入渗补给地下水，大范围抬升湖区周围地下水位。
由此将增大地下水蒸发量、造成土壤盐碱化、改变区域地下水补排关系，并影响地下水水质、紧靠龙湖的西部国家森林公园和规划中的东北部生态回廊绿地以及地质环境。
为了降低龙湖周围地下水位，拟在龙湖周围布设开采机井，抽取浅层地下水，为龙湖提供部分环境用水。
为此，本研究重点讨论①龙湖水体形成后，湖水向含水层入渗补给量以及地下水趋于稳定的水位分布；②地下水开采情形下，湖水入渗补给量以及地下水位分布；③湖底不同防渗措施和开采方案下，湖水入渗量与地下水埋深的时空变化。
2区域水文地质概念模型 龙湖湖区区域所揭露的浅层潜水含水层，一般位于地表下60m埋深范围内。
在60m勘探深度范围内按地层的含水条件可将地层划分为上下两段：上段为0～37m左右以上，以粉砂—中细砂夹壤土薄层为主，是主要含水层；下段以粉质粘土为主，属弱含水层及相对隔水层。
目前该地区浅层地下水的补给主要是地表水体补给、灌溉回水和降水入渗。
本研究利用地下水数值模型模拟龙湖周围地下水位变化，为了避免边界地下水位变化影响，模拟范围远大于龙湖规划区，本研究区域为103k m2（图1）。
地形变化西高、东低。
现状地下水位分布西南高、东北低（图2），地下水从西南向东北部流动。
地表至含水层底板厚度，变化幅度为25.6～32.1m。
垂向岩性变化为：含水层顶板埋深小于10m，顶板和底板岩性为粉土、粉质粘土；下伏含水层岩性以细砂、粉砂为主，部分区域为中砂和粗砂，厚度约为5～30m，西南部薄、东北部厚。
通过野外调查、抽水收稿日期：2004-04-10.试验、地下水位动态观测和室内分析、计算整理，求得含水层特性水平分区见图3，东北部I区导水系数为200～300 m2/d，西南部I I区导水系数为100～200m2/d，I I I区导水系数小于100m2/d。
含水层给水度Ⅰ区按0.055、Ⅱ区按0.025、I I I区按0.018计；含水层渗透系数Ⅰ区按15m/d、Ⅱ区按7.5 m/d、I I I区按5.0 m/d计。
在垂直方向上，由于上部含水层（地下水位以下5～8 m）主要为粉土、粉质粘土弱透水层和含水层混层，东北部以含水层岩性为主，渗透系数取8.5 m/d；西南部以弱透水层岩性为主，渗透系数取2.8 m/d。
此外，假设水平方向渗透系数与垂直方向之比为5。
图1研究区域地面高程F i g.1 T h e L a n d e l e va t i on i n s t ud y r e g i on图2现状地下水位分布F i g.2 D i s t r i bu t i on o f g r o und w a t e r t a b l ea t p rese n t s i t u a t i on3地下水数值模型由于龙湖仅穿透小部分含水层，龙湖建成后，湖体水量与地下水水量交换不仅在水平方向上，而且在垂直湖体方向上，是一个三维流过程，当湖边机井图3含水层特性分区F i g.3 A qu i f e r p a r am e t e r s ub re g i o n s抽水时，垂向流非常明显［1，2］。
地下水头分布可用下列三维地下水流方程加以描述：５５x（K x５h５x）＋５５y（K y５h５y）＋５５z（K z５h５z）＝S s５h５t－W s（1）这里，K x，K y和K z分别为x，y和z主方向分量，Ss为孔隙介质储存率，W s为源汇项，包括机井开采强度、蒸散发和降水补给强度以及湖体入渗补给强度，h为地下水头或地下水位。
方程（1）采用数值法求解，本研究采用美国地质调查局最新发布的三维地下水有限差分计算软件－M OD FL O W2000［3］，并结合A r c V i e w作为模型计算的前处理和后处理。
整个研究区划分为174列、173行，在地下水位变化大的湖区周围，网格划分较细，行间距为47.4m，列间距为54.35 m；在湖区外围间距加倍。
垂直方向划分为4层，地表至地下水位的非饱和层、地下水位以下5～8 m的上层含水层（弱透水层和含水层混层），该层以下的主含水层，划分为二、三两层。
研究区边界条件为图2地下水位分布的边界水位，在计算期假设为定值；初始水位为现状地下水位（图2）。
4 河流与含水层之间水量交换由于湖体穿透含水层仅占整个含水层厚度的很小部分，根据规划设计，采用地表输水工程维持湖水位常年在85.5 m，湖边侧向入渗量比湖底体入渗要小得多，湖泊与地下水交换可以近似用河流与含水层交换计算模块［4］。
在M OD FL O W河流计算子模块中，龙湖与含水层交换水量计算公式为：181增刊 陈喜等：龙湖周边机井开采对地下水流影响的数值模拟 Q r i v ＝C r i v （h r －h ）（2）这里，Q r i v 为龙湖与含水层之间交换流量，h r 为龙湖水位，本次计算为龙湖设计水位85.5m ，h 为龙湖附近网格的地下水位，C r i v 表示龙湖与含水层相互作用的水力传导系数： C r i v ＝K r i v L r i v W M（3）这里，K r i v 为河底渗透系数，M 为河底沉积物的厚度。
根据防渗工程设计，龙湖湖体防渗范围是：湖体在湖底部分和湖体围堤为填方段部分，湖底部分全部采用壤土铺盖防渗处理，壤土碾压后厚度为0.60 m ，在碾压后壤土上敷土（利用湖体开挖的砂土）0.20m 做保护层，防止龙湖湖底清淤时对防渗层的破坏。
本计算采用与龙湖土壤特性类似的岗李水源工程库区壤土击实后的渗透系数，在4.5 ×10－6～8.7 ×10 －5c m / s 之间。
L r i v 为网格单元内的龙湖长度，W 为网格单元内龙湖宽度。
5 龙湖水体形成后，龙湖向含水层补给量以及稳定地下水位分布龙湖建成注水后，如龙湖水体保持在正常蓄水位85.5m ，考虑湖底壤土击实后渗透系数最小和最大两种情形下，模型连续计算五年，得出逐年龙湖向含水层补给量见表1。
可以看出，龙湖水体形成后后期入渗量约在200 万～280 万m 3之间，初期入渗量很大，约是后期的2.5倍。
表1龙湖逐年入渗量T a b l e 1 i n f il t r a t i on w a t e r f r om L o n g h u f or e a c h y e ar渗透系数c m / s 入渗量（104m 3）第1年第2年第3年第4年第5年8.7 ×10 －5768 328 291 281 275 4.5 ×10－6506253221204 199龙湖入渗迅速抬高龙湖周边地区地下水位，如在龙湖周边东北、西北、西南和东南四个方向分布取1、2、3、4点作为观测点，图4为龙湖周边四个点地下水位变化过程，地下水位在第一年变化较大，以后趋于稳定。
蓄水后使区域地下水位壅高，北部地下水位低，龙湖水体形成后地下水位抬升较明显，东北、西北1、2两点地下水位抬升约为2m 。
龙湖水体周围地下水埋深小于1m 的面积约18k m 2，小于1.5 m 的面积约为25 k m 2，由于湖区东北部地面高程仅84.0 m 左右，造成湖周部分土地浸没（如图5所示）。
（a ） K ri v ＝8.7 ×10 －5 c m / s （b ） K ri v ＝4.5 ×10－6 c m / s 图4龙湖水体形成后地下水位变化F i g.4 V a r i a t i on o f g r o und w a t e r t a b l e a ft e r L o n g h u i s f o r m e d281 地球科学进展 第19卷图5 龙湖水体形成后地下水埋深（在K r i v ＝8.7 ×10 －5 c m / s 情形下）F i g.5 v a r i a t i on o f d e p t h t o g r o und w a t e ra ft e r L o n g h u i s f o r m e d 根据黄委会设计院对龙湖及周边地区地下水资源评价（2003 年）结果，地下水可利用总量约为440 万m 3/a ，如采用每两周引泄水方案，龙湖平均每天接纳浅层地下水量约为1.2万m 3。
本研究采用下列两个开采机井布局方案：①在龙湖周围布设78眼井，约每三眼井给一个湖湾区供水，开采井离湖岸距离平均约为500m 。
如果每两周连续开采2天，每眼井出水流量为1078 m 3/d ；②在湖湾区（除布置有输水入口和码头的湖湾区）外侧约150m 处共布置了22眼机井，每一眼井给一个湖湾区供水，如果每两周连续开采4天，每眼井出水流量为1909 m 3/d 。
由于龙湖南部地区单井涌水量一般为1000 ～2000 m 3/d ，北部地区单井涌水量一般为1500 ～3000 m 3/d ，因此，上述单井出水量基本上是能满足的。
以龙湖建成后形成的稳定地下水位分布为模型计算的初始条件，分析机井开采情形下，湖水入渗量和地下水位埋深变化。
