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控制入渗强度的盆地地下水流模拟及水动力特征分析

作　者: 刘彦
导　师: 梁杏
学　校: 中国地质大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 地下水流模式转化规律物理机制通量上边界水力梯度系数
分类号: P641.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

1940年Hubbert通过势的数学分析得出了具有上升和下降水流的河间地块示意流网图,打破了传统认为的河间地下水水平运动的定式,是地下水流系统理论出现的雏形。1963年,加拿大学者T6th在均质各向同性介质与严格假定的边界条件下,绘制了潜水盆地中具有局部、中间及区域三级水流系统的流网图,创造性的建立了地下水流系统理论,在方法论上对水文地质学的发展做出了重大贡献。几十年来,在Toth及Engelen等后续国内外研究者的努力下,地下水流系统理论得到不断的发展和完善。受到"Toth方法”的限定,研究中还存在一些不足,同时从地下水流运动的基本定律—达西定律的角度探讨地下水流模式的转化规律,地下水流模式发育的物理机制分析还不清晰。针对以上问题,本文开展了以下研究：(1)查阅相关文献,了解地下水流系统理论的研究进展。重点分析Hubbert和Toth的研究方法及成果,并通过河间地块潜水模拟仪和地下水流系统模拟仪分别展现Hubbert的河间地块流网和Toth提出的多级地下水流系统,将物理模拟实验结果与Hubbert、Toth的研究结果对比,提炼更适用的盆地地下水流研究方法。(2)利用地下水流系统模拟仪,进行控制入渗强度的地下水流模拟实验。(3)在物理模拟实验基础上,结合控制单一因素的通量上边界的数值模拟,探讨地下水流模式的转化规律。(4)在数值模拟结果基础上,计算不同条件下盆地不同水流模式的水力梯度系数,从水流能耗率的角度探讨地下水流模式变化的机理。通过以上研究,得出以下主要结论：1、不同上边界条件下盆地水流系统的排泄区不同通过室内物理模拟实验可以直观展现Hubbert分析的河间地块流网和Toth提出的多级地下水流系统,室内物理模拟实验及Hubbert分析的河间地块流网均采用通量上边界,与Toth盆地模型采用定水头上边界相比,不同上边界条件模拟结果的排泄区不同。室内物理模拟实验及Hubbert分析的河间地块流网均显示排泄区集中汇集于河谷地段,而Toth绘制的盆地地下水流系统则显示排泄区与补给区等面积且对称分布,并不仅限于河谷地段。2、通量上边界的模拟方法比定水头上边界更符合实际盆地①Toth模型中,地形控制潜水面及地下水流模式的发育,而通过物理模拟实验得出,地形只在一定条件下控制潜水面及地下水流模式,潜水盆地模拟是不可能通过控制潜水面(Toth研究中的地形势)进行地下水流系统模拟的,只能模拟降水入渗强度。②Toth的模型中,给定相同的定水头上边界条件,单独改变盆地的其它因素(渗透性、盆地长度、深度等),盆地补给和排泄也发生变化,不利于分析单一因素对地下水流模式发育的影响。而通量上边界的模拟方法则避免了上述问题,与实际盆地更符合。3、通量上边界的模拟方法更易理解水流系统模式转化机制通过总结物理模拟实验及数值模拟研究成果,得出盆地水流模式随入渗强度、渗透系数、盆地几何形态(盆地长深比)及盆地势汇的变化而变化：①给定其它条件,单独控制入渗强度由小变大,或者单独控制渗透系数由大变小,地下水流模式从简单区域水流系统—局部及区域两级水流系统—局部、中间及区域三级水流系统—局部及中间两级水流系统—一级局部水流系统,呈现有序转变。②给定其它条件,单独改变盆地长深比Rld比由小变大,盆地水流模式从简单区域水流系统—局部及区域两级水流系统—局部、中间及区域三级水流系统—局部及中间两级水流系统—一级局部水流系统,呈现有序转变。③盆地中存在多个势汇时,只有成为具有排泄作用的实际势汇才能影响地下水流模式的发育,其它不能成为实际势汇的只能称为潜在势汇,盆地存在多个不同强度的潜在势汇是发育多个或多级地下水流系统的必要条件。4、不同水流模式转化的水力梯度特征通过单独改变影响地下水流模式的各因素,计算不同水流模式的水力梯度系数,得出：盆地入渗强度、渗透系数、几何形态(长深比)、潜在势汇这四大因素的变化是通过调整盆地中的能耗率(水力梯度)进而形成新的能耗状态(水流模式),盆地发育区域水流系统时,能耗率最小：盆地发育中间或多个局部水流系统,能耗率增大。①给定其它条件,单独增大盆地入渗强度,水流量增大,水力梯度系数随着入渗强度的增大而增大,本文定义的“水力梯度系数”物理涵义与水力梯度相同,因而盆地水流能耗率增大,局部水流系统的穿透深度增大；因此随着水力梯度系数依次增大,地下水流模式从简单区域水流系统—局部和区域两级水流系统—局部、中间及区域三级水流系统。同时,无论单独改变入渗强度还是渗透系数,只要盆地流场的水力梯度系数相等,盆地能耗率相同,盆地发育相同的水流模式。②给定其它条件,盆地势汇通过影响盆地水流能量分配而影响地下水流模式的发育。同等入渗强度条件下,盆地中实际势汇越多,越多的水流流向邻近势汇,盆地水力梯度系数越小,因而盆地水流能耗率越少,盆地发育多级水流系统；而盆地存在多个潜在势汇条件下,通过多个潜在势汇成为实际势汇,盆地发育水力梯度系数小(水流能耗率少)的水流模式。③给定其它条件,盆地长深比通过影响盆地流场的水力梯度系数(水流能耗率)影响地下水流模式的发育。相同入渗强度条件下,若不同长深比的盆地发育相同的水流模式(实际势汇相同),长深比越大,水力梯度系数系数越大,因而盆地水流能耗率越大；不同长深比的盆地水流模式发生转化时,盆地长深比越大,盆地流场的水力梯度系数越小,则盆地水流能耗率越小。本文创新点：确定了通量上边界的盆地地下水流模拟方法。在探讨地下水流模式转化规律基础上,引入水力梯度系数概念,从水流能耗率角度分析了地下水流模式发育的物理机制,推进和完善地下水流系统理论。

全文目录

作者简介  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-19
  §1.1 研究目的及意义  13
  §1.2 国内外研究现状及存在问题  13-17
    1.2.1 地下水流系统理论的发展  13-15
    1.2.2 地下水流系统理论的应用研究  15-16
    1.2.3 存在的问题及发展趋势  16-17
  §1.3 研究内容及思路  17
  §1.4 论文的创新点  17-19
第二章砂槽潜水模拟仪与实验模拟分析  19-26
  §2.1 物理模拟原理  19-20
  §2.2 河间地块潜水模拟仪  20-22
    2.2.1 河间地块潜水模拟仪简介  20
    2.2.2 河间地块模拟仪模拟效果  20-21
    2.2.3 河间地块流网与地下水流系统对比分析  21-22
  §2.3 潜水盆地地下水流系统模拟仪  22-26
    2.3.1 潜水盆地地下水流系统模拟仪简介  22-23
    2.3.2 地下水流系统模拟仪模拟效果  23-24
    2.3.3 实验模拟与Toth的盆地模型模拟对比  24-26
第三章盆地地下水流系统模拟与影响因素分析  26-33
  §3.1 盆地地下水流系统模拟方法简介  26-28
  §3.2 地下水流模式的实验模拟  28-30
  §3.3 地下水流模式的数值模拟  30-32
  §3.4 地下水流模式转化的影响因素  32-33
第四章关于地下水流系统中的水力梯度  33-39
  §4.1 地下水流系统的水动力特征研究概述  33-36
    4.1.1 地下水流系统的流速特征研究  33-34
    4.1.2 地下水流系统的低流速区研究  34-35
    4.1.3 地下水流系统的水动力特征总结  35-36
  §4.2 关于水力梯度系数  36
  §4.3 水力梯度系数的计算方法  36-39
    4.3.1 简单水流系统的水力梯度系数算法  36-37
    4.3.2 多级水流系统的水力梯度系数算法  37-39
第五章地下水流模式转化与水力梯度系数的关系  39-52
  §5.1 概述  39-40
  §5.2 不同模拟条件下的水力梯度系数变化  40-50
    5.2.1 改变入渗强度条件下的水力梯度系数变化  40-42
    5.2.2 改变渗透系数条件下的水力梯度系数变化  42-44
    5.2.3 不同个数势汇设置条件下的水力梯度系数变化  44-48
    5.2.4 改变盆地长深比条件下的水力梯度系数变化  48-50
  §5.3 地下水流模式与水力梯度系数分析  50-52
第六章结论与建议  52-54
  §6.1 结论  52-53
  §6.2 建议  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-59

控制入渗强度的盆地地下水流模拟及水动力特征分析

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