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基于modflow-cfp的岩溶水模型降雨非线性入渗补给研究——以湖南省香花岭地区为例

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中国岩溶 2019年第5期38卷 691-695页

作者：杨郑秋杨杨邵景力苏春田崔亚莉罗飞北京师范大学北京100875 中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室广西桂林541004 中国地质大学(北京) 北京100083

利用modflow-cfp建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什... 详细信息

利用modflow-cfp建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什系数提高至0.91。结果表明:降雨量系数法可使该模型更好地模拟地下河流量变化,此方法也适用于一些岩溶小流域的数值模拟工作。

关键词：岩溶水数值模拟 modflow-cfp 非线性降雨入渗

基于modflow-cfp湖南省香花岭地区岩溶水数值与溶质运移模拟

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基于MODFLOW-CFP湖南省香花岭地区岩溶水数值与溶质运移模拟

作者：杨郑秋中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

中国广泛分布有古生代、中生代灰岩地层,这些地层构成了重要的岩溶含水层。岩溶发育强烈的岩溶含水层可以概化成两个部分,基岩裂隙概化为等效多孔介质系统,地下水在其中以渗流方式运移。地下河与岩溶管道概化为管道系统,该系统是岩溶地... 详细信息

中国广泛分布有古生代、中生代灰岩地层,这些地层构成了重要的岩溶含水层。岩溶发育强烈的岩溶含水层可以概化成两个部分,基岩裂隙概化为等效多孔介质系统,地下水在其中以渗流方式运移。地下河与岩溶管道概化为管道系统,该系统是岩溶地下水系统中主要的排泄途径。研究岩溶地下水、溶质运移过程,对于岩溶地下水开发利用、污染防治都起到关键作用。modflow-cfp是基于二元结构理论的一种双系统耦合模型。modflow单元网格代表等效渗透介质系统,随后在modflow单元网格之上创建管道节点,节点相连组成管道网络。两系统之间通过交换流量耦合,交换流量与水头差成正比,模型中考虑了管道中地下水紊流与快速层流两种运动状态。香花岭位于湖南省郴州市,是典型的岩溶峰丛洼地地区。本文将modflow-cfp模型用于模拟该地区水文过程。前人研究表明,cfp模型虽然可以通过两种补给方式分别补给管道、裂隙系统,但是模拟效果仍差强人意,具体表现为模拟流量曲线较观测曲线更为平缓。故本文使用非线性方法处理管道补给量,使得模拟流量曲线拟合效果提升。建立月应力期与日应力期两个不同精度模型分析大时间尺度与暴雨过程两种情况下cfp模型的适用性,模拟流量结果的纳什系数分别为0.91、0.68。说明cfp模型在这两种情况下模拟结果都是可信的。分析讨论交换流量的变化,发现在雨季或暴雨过程中管道系统均不会反补等效渗透介质系统,这与实际情况存在差异。在旱季或降雨量减少的时候,地下河流量衰减速率由快变慢,流量逐渐等于交换流量。假设溶质在管道流迁移与在基岩中迁移两种情况。两种情况下分别(1)利用cfp模型输出管道内水流速度,在不考虑扩散、弥散的情况下,计算溶质运移时间后与示踪试验结果对比分析;(2)建立等效多孔介质模型,使用MT3DMS模拟重金属Mn在模型中的运移速度以及污染羽范围。结果发现管道系统中溶质运移的运移速度比等效渗透介质系统中溶质运移速度大4到5个数量级。对研究区进行地下水资源评价,模型计算得出补给资源量为1700*10 m/a。针对该地区地形地貌与水文过程特点,提出两种开发利用方案。

关键词：岩溶水数值模拟管道流 modflow-cfp 溶质运移

管道流模型参数敏感性分析及其在许家沟泉域的应用

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水文地质工程地质 2020年第2期47卷 68-75页

作者：武亚遵李彦涛林云曲鹏冲河南理工大学资源环境学院河南焦作454000 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心河南焦作454000

在岩溶含水系统中,作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用,而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响,前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象,进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨,而对岩溶管道不... 详细信息

在岩溶含水系统中,作为主要排水通道的管道对泉流量动态具有一定的控制作用,而管道特征参数对流量变化亦有影响。为确定管道各参数的影响,前人以管道发育的岩溶水系统为研究对象,进行了短时间序列泉流量响应的分析探讨,而对岩溶管道不十分发育的岩溶水系统的研究较薄弱。为此,本研究结合北方岩溶水系统的发育特征,借助cfp管道流模型对管道各参数对岩溶系统流量和流态的影响程度及各参数的敏感性进行了分析,而后基于河南鹤壁许家沟泉域岩溶水文地质特征构建了泉域的modflow-cfp模型,对泉域岩溶地下水渗流进行了模拟,并对不同降水保证率下的泉流量进行了预测。结果表明:管道流量与管壁渗透系数、管道坡度和管径呈正相关,而随弯曲度和埋深的增加管道流量呈先增大后减小的趋势。管壁粗糙度对流量的影响较小,且呈现出一定的波动性,尤其是当管壁粗糙度较小时,波动比较明显。经敏感性分析发现,管壁渗透系数和埋深的敏感性最高,其次为弯曲度和管道坡度,而管道直径和管壁粗糙度敏感性最低。许家沟泉域在25%降水保证率下,年最大泉流量为0.45 m^3/s,平均泉流量为0.36 m^3/s;在75%降水保证率下,年最大泉流量为0.41 m^3/s,平均泉流量为0.31 m^3/s,与实际情况吻合。该法可为我国北方岩溶区水资源评价及泉域水资源开发保护提供借鉴。

关键词：岩溶管道 modflow-cfp 数值模拟泉流量岩溶水许家沟泉域

modflow岩溶暗河及出口的概化与模拟效果

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地质科技通报 2023年第4期42卷 250-258页

作者：张子琦许模曹聪张强夏强成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室成都610059 重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队重庆401147 重庆市地下水资源利用与环境保护实验室重庆401147

在modflow的三维渗流模拟程序集中,Conduit Flow Process(cfp)模块已被广泛用于模拟岩溶含水层中的管道流,是岩溶地下水流模拟的重要工具。使用cfp模块概化暗河管道时,暗河出口的概化有2种方案:将暗河出口设置在管道模型中(FH方案)或等... 详细信息

在modflow的三维渗流模拟程序集中,Conduit Flow Process(cfp)模块已被广泛用于模拟岩溶含水层中的管道流,是岩溶地下水流模拟的重要工具。使用cfp模块概化暗河管道时,暗河出口的概化有2种方案:将暗河出口设置在管道模型中(FH方案)或等效多孔介质中(Dr方案),其模拟效果有待评价。以重庆缙云山姜家龙洞暗河为例,建立了考虑管道流的地下水流数值模型,分别使用2种方案概化了暗河出口,对比分析了稳定流和非稳定流的模拟结果。结果表明:以排水沟(Drain)模块概化暗河出口的Dr方案,暗河管道的上游段排泄地下水,下游段反而补给含水层,最终在排水沟单元排泄,而定水头(Fix Head)概化的FH方案则准确模拟了暗河全段汇集地下水并在出口排泄出含水层的实际情况。进一步的水均衡分析揭示了模拟差异产生的原理。在模拟岩溶区地下水向暗河管道汇集的水文过程时,如果使用cfp概化管道,则宜配合使用cfp中的定水头边界概化暗河出口。

关键词：岩溶管道管道-等效多孔介质耦合模型 modflow-cfp 暗河

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岩溶管道结构影响泉流量变化的数值模拟研究

中国岩溶 2017年第5期36卷 736-742页

作者：焦友军潘晓东曾洁任坤中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部广西岩溶动力学重点实验室广西桂林541004

采用modflow-cfp建立管道流数值模型,模拟岩溶含水系统在暴雨期的响应过程,以泉口流量峰值作为因变量,分别对控制管道结构的4个参数以及落水洞集中补给比例进行调整,研究管道结构如何控制泉流量变化过程。结果表明:管道直径、管壁渗透... 详细信息

采用modflow-cfp建立管道流数值模型,模拟岩溶含水系统在暴雨期的响应过程,以泉口流量峰值作为因变量,分别对控制管道结构的4个参数以及落水洞集中补给比例进行调整,研究管道结构如何控制泉流量变化过程。结果表明:管道直径、管壁渗透系数和落水洞补给比例对泉口流量峰值均表现为正相关,其中管壁渗透系数影响最大;管道弯曲度值较小时其增大促进出口流量峰值变大,当径流途径变长引起的流量减小幅度超过管壁面积变大引起的流量增大幅度时,流量峰值逐渐变小;管壁粗糙度在达到两个相对应的雷诺数临界值时水流状态发生突变,导致流量峰值也表现为两次突变。

关键词：岩溶含水介质管道参数数值模拟 modflow-cfp

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穿越岩溶管道介质的隧道地下水流场三维模拟

穿越岩溶管道介质的隧道地下水流场三维模拟

作者：张美泉成都理工大学

学位级别：硕士

传统地下水数值模拟使用modflow模拟地下水流场,将含水系统概化为等效连续介质,地下水流为达西流。但在具有多重岩溶介质结构的西南地区,大量管道暗河的发育,使得地下水具有达西流与非达西流并存的流动特征,然而,modflow无法对这一特征... 详细信息

传统地下水数值模拟使用modflow模拟地下水流场,将含水系统概化为等效连续介质,地下水流为达西流。但在具有多重岩溶介质结构的西南地区,大量管道暗河的发育,使得地下水具有达西流与非达西流并存的流动特征,然而,modflow无法对这一特征进行描述。后美国地质调查局基于modflow开发了modflow-cfp（Conduit Flow Process）模块,用于处理岩溶非达西流、多重孔隙介质的复杂情况,其中cfpM1模式可实现传统线性层流模型与离散的管道网络的耦合。cfpM1模式需赋予各管道属性,通过管道临界雷诺数、水量交换等实现水流转变。本文依托重庆明月峡背斜潜在交通走廊可行性论证研究项目,运用modflow-cfp构建典型岩溶含水系统,讨论管道流模拟的关键参数。依据明月山南段建立区域、场地两级尺度的数值模型,首先应用modflow-cfp构建明月山南段管道流地下水流区域模型,使用cfpM1模式对岩溶管道进行刻画,分析区域地下水流场,为场地模型提供边界条件等模型背景;后提出隧址区场地模型A、B两方案,模拟管道段下方隧道开挖、隧道高程选取对地下水流场变化及隧道涌水量影响。主要得出以下认识:（1）modflow-cfp实现了岩溶含水系统中二元结构裂隙-管道的地下水水流模型。将裂隙系统概化为等效多孔介质,管道系统使用cfpM1模块概化为多段相互连接的管道,两系统之间通过交换流量进行耦合。通过构建一典型的岩溶含水单元,基于modflow-cfp模型分析裂隙介质、流场背景以及管道参数对岩溶介质管道流的影响。（2）以明月山南段为研究区建立区域、场地两级尺度的数值模型。区域模型以管道所在的完整的水文地质单元为模拟范围,使用modflow-cfp对岩溶管道进行详细刻画,着重反映管道流情况及区域的地下水流特征;场地模型范围缩小至隧址区,将模型剖分细化,采用第三类边界排水沟Drain模块概化隧道,模型重点反映隧道开挖对管道内水体影响及隧道涌水量的预测。（3）区域模型构建中,应用modflow-cfp对排花洞-张关段典型岩溶暗河管道进行详细刻画。通过实际调查、钻孔资料及示踪试验等方式获取管道介质特征参数,使用cfpM1模式对区域内管道段进行刻画,通过观测孔水位结果拟合,并提取区域模型的模拟结果为隧址区场地模型提供有力的背景条件。（4）建立两种情况下的隧址区场地尺度数值模型:A方案隧道位于管道段（岩峰洞-干洞子）下部;B方案避开暗河管道段,并根据岩溶垂直分带特征进行隧道高程位置讨论。主要从隧址区周围地下水水位变化、管道内水体变化及隧道涌水量方面分析,为隧道规划选址提供参考依据。场地模型模拟结果对比表示,B方案从地下水位变化程度、管道内水体影响及隧道涌水量方面均优于A方案。A方案中隧道穿越岩溶管道段下方,造成管道内灾害水体向隧道处汇集,隧道涌水量为44210.54m/d,对岩溶暗河段影响较大。B方案所进行的隧道空间位置模拟结果显示,在隧道高程位于320-300m,隧道对周围地下水及管道内水体扰动较弱,涌水量最低值达5738m/d,可作为隧道规划的最佳高程段。

关键词：岩溶管道 modflow-cfp 隧道数值模拟涌水量

“渗流—管流耦合模型”的物理模拟及数值模拟

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“渗流—管流耦合模型”的物理模拟及数值模拟

作者：闵佳中国地质大学(北京)

学位级别：硕士

我国西南地区岩溶流域分布广泛,其含水介质的非均质性常以管道—裂隙的耦合为特点。虽然管道和洞穴只占整个岩溶地质系统的很小一部分,但此处的地下水流主要以非线性层流和紊流形式存在,达西定律无法应用于这种方式的流动,这就使得传统... 详细信息

我国西南地区岩溶流域分布广泛,其含水介质的非均质性常以管道—裂隙的耦合为特点。虽然管道和洞穴只占整个岩溶地质系统的很小一部分,但此处的地下水流主要以非线性层流和紊流形式存在,达西定律无法应用于这种方式的流动,这就使得传统的地下水流数值模型并不适用于岩溶含水层。在此背景下,有关复杂岩溶含水介质地下水流运动规律的模拟便获得了国内外学者的广泛关注。目前,通过一些简化和假定来建立合适有效的物理模型和数学模型,并进行室内试验成为了研究岩溶地区水动力过程的有效方法和热点。为了达到本次课题研究的目的,我们设计了一个砂箱装置来模拟管道与多孔介质之间的地下水流动和溶质运移过程。本次所述的砂箱装置,包括6个水箱装置、1个砂箱主体装置、29个压力传感器、3个计量补液泵、3个液位传感器、6个温度传感器、1个XMT-J800八通道控制仪和1个无纸记录仪。其中,砂箱主体装置具有两根平行管道:上管内径1 cm,高31 cm;下管内径1.5 cm,高1 cm。本次研究在砂箱中均匀填充了55 cm厚的石英砂,同时设定基质和两条管道的左、右边界均为定水头边界,通过改变其边界条件值,共设计有12种水流试验和12种溶质试验。试验完成后,通过分析多组实测水压数据以及溶质运移图片可以看出,基质与管道之间以及两条管道之间存在着相互影响的关系,水位值决定了地下水的流动方向,改变基质或上、下两条管道的边界条件,将会改变管道与基质之间水流交换的方向和砂箱各处地下水的水位值,继而对溶质运移过程产生极为重要的影响。基于上述试验装置和试验方案,本次建立的模型的研究范围为120 cm×2cm×46 cm,含水层的渗透系数定为0.02 cm/s,有效孔隙度定为30.5%,纵向弥散度设为0.1 cm。模型定为1个应力期,时长为20 min,均分为10个时间步。含水层被离散为12层、1行、20列,共240个单元格,其中潜水含水层分为1层,承压含水层分为11层。上管与下管分别位于含水层的第4层和第12层,两条管道共剖分为38小节,40个结点。通过modflow-cfp软件和MT3DMS软件进行数值模拟,得到的结果与实测结果相较虽有出入,但基本符合实际情况。

关键词：砂箱试验水流运动溶质运移数值模拟 modflow-cfp

晋祠泉域岩溶地下水系统数值模拟及不确定性分析

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晋祠泉域岩溶地下水系统数值模拟及不确定性分析

作者：彭伏南京大学

学位级别：硕士

晋祠泉是山西省内著名的岩溶大泉,是太原市的重要供水水源之一。自上世纪70年代以来,晋祠泉域内大量开采岩溶地下水,岩溶水资源采补严重失衡,地下水位持续下降,终至1994年4月30日泉水全面断流。在这种情况下,论证不同采补方案条件下泉... 详细信息

晋祠泉是山西省内著名的岩溶大泉,是太原市的重要供水水源之一。自上世纪70年代以来,晋祠泉域内大量开采岩溶地下水,岩溶水资源采补严重失衡,地下水位持续下降,终至1994年4月30日泉水全面断流。在这种情况下,论证不同采补方案条件下泉水复流的可行性,预测晋祠泉何时复流及复流措施的科学性成为当地政府和人民非常关心的问题。前人对晋祠泉的复流研究多采用modflow地下水流数值模拟方法,这些模型没有考虑到地下水模型参数的不确定性和局部紊流对模拟预测结果的影响,所以基于这些模型提出的复流方案存在很大的不确定性。本文以晋祠泉域岩溶地下水含水系统为研究对象,利用GLUE方法耦合modflow模型分析模型参数不确定性对晋祠泉流量预测结果的影响;同时采用modflow-cfp模型建立研究区的地下水流模型,分析了岩溶地下水中局部紊流对晋祠泉流量预测结果的影响。得到的主要结论如下:1.本文建立了晋祠泉域的modflow模型,该模型能较好的模拟研究区的水位和泉流量。在此模型的基础上,进行了水文地质参数的敏感性分析,结果表明在贮水系数、给水度和渗透系数这些参数中,晋祠泉流量和水位仅对渗透系数较为敏感。2.在modflow模型基础上,采用GLUE方法分析了渗透系数的不确定性对晋祠泉流量预测的影响。结果表明渗透系数的不确定性对预测泉流量的影响随时间越来越小,其中在丰水年和平水年情形下渗透系数的不确定性对泉流量预测结果影响不大,其造成的复流时间差异只有两三年;而在枯水年条件下,渗透系数的不确定性会导致二三十年的复流时间差异。所以,若不考虑渗透系数的不确定性,泉水复流时间可能比预期延后二三十年,为了确保制定的复流措施在实施后能达到预期效果,可能需要加大对研究区的补给和压采力度。3.在modflow模型的基础上,建立了能反映地下水紊流的modflow-cfp模型,并进行了紊流单元分布的cfp参数敏感性分析。结果表明紊流常出现在渗透系数较大,单元间模拟水位差较大的区域如研究区中部和晋祠泉泉口附近,且其分布范围大小随参数变化而变化,其中平均孔隙直径d越大,地下水温度T越高,研究区内紊流单元分布范围越广;临界雷诺数NRe越大,研究区内紊流单元分布范围越小。分析各参数条件下紊流单元数目,结果表明d和NRe对紊流单元分布的敏感性相同,远高于T。4.本文选择两组参数分析了局部紊流对模型的识别验证的影响,结果表明局部紊流通过影响等效渗透系数来影响区域的地下水位,其出现在水位上升的区域会加速水位上升,出现在水位下降区域会加速水位下降。由于识别验证期内研究区整体水位下降,随着泉流量逐步变小,泉口附近紊流单元也越来越少,这一过程中等效渗透系数相对变大,cfpM2模型中泉口附近水位下降速度因此减慢,导致识别验证期后期cfpM2模型模拟得到的泉口附近水位比modflow模型高,其中cfpM2（d=10m）模型模拟得到的泉口附近水位比cfpM2（d=3m）模型高。5.结果表明所有补给情形下,局部紊流的出现都会使得泉水复流时间提前;补给较差情景下,复流时间可能大为提前且泉水复流流量较大;补给条件较好时,泉水复流一定时间后,局部紊流的出现会使得预测泉流量相对小。所以,考虑到局部紊流对泉流量预测的影响,适当的减小复流工程力度,泉水仍然可以在预期时间实现复流,从而兼顾到经济和复流效果。但在补给较好的条件下,泉水复流一定时间后,需要加大复流工程的力度才能达到预期的泉水复流流量。本文为正确认识晋祠泉域岩溶地下水流态及地下水模型的构建提供了新的角度,并为晋祠泉的复流方案和岩溶水资源的可持续开发利用提供了科学的建议。

关键词： modflow modflow-cfp GLUE 岩溶不确定性分析晋祠泉域

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黔张常铁路武陵山隧道涌水量预测研究

黔张常铁路武陵山隧道涌水量预测研究

作者：吴铮西南交通大学

学位级别：硕士

长大深埋隧道在穿越强岩溶发育地带时,高承压、强富水的地质环境导致涌突水事故发生的可能性极高,开展涌水量预测对保障隧道施工安全具有重要意义。然而,岩溶地区复杂的地质条件及现有预测手段的局限性等导致涌水量预测结果存在较大偏... 详细信息

长大深埋隧道在穿越强岩溶发育地带时,高承压、强富水的地质环境导致涌突水事故发生的可能性极高,开展涌水量预测对保障隧道施工安全具有重要意义。然而,岩溶地区复杂的地质条件及现有预测手段的局限性等导致涌水量预测结果存在较大偏差。基于岩溶隧道涌水量预测研究现状,本文以黔张常铁路武陵山隧道工程为依托,对隧道施工期及运营期的涌水量进行了预测,主要研究成果如下:(1)通过资料调研,结合涌水特征,概括出七类岩溶隧道涌水模式。根据研究区域背景条件及涌突水记录资料,判断武陵山隧道涌水模式为强降水补给动储量快涌型与强降水补给动储量滞后型。(2)基于研究区域水文地质条件、岩溶发育规律及隧道空间位置等信息,建立武陵山隧道涌水概念模型,利用理论解析公式对隧道涌水量进行分段预测,分析确定了各区段最大涌水量与正常涌水量预测的适用公式。(3)基于岩溶双重介质理论,建立研究区域水文地质概念模型;利用modflow-cfp建立连续管流耦合模型,模拟研究区域地下水渗流场,分析模型参数灵敏度并校核模型。(4)设置动态开挖工况,采用数值模拟预测武陵山隧道施工期涌水量。2个区段最大涌水量预测结果误差分别为13.3%与5.4%,连续管流耦合模型在岩溶隧道涌水量预测中表现更好。(5)运营期隧道涌水量在枯水期时较小,丰水期涌水量随大气降水强度增大而增加。线路运营期间应加强大气降水量及衬砌后水压力的监测,保障行车安全。本文研究结果表明,modflow-cfp能够反映岩溶含水介质的双重特征,较已有方法预测精度更高,并能反映出涌水量动态变化特征,对于岩溶隧道涌水量预测具有理论参考价值及指导意义。

关键词：岩溶隧道涌水量预测连续管流耦合模型 modflow-cfp