地下跌水的跌水量、跌水宽度、坎上水层厚度的计算方法与流程

本发明属于水文地质技术领域，特别是地下水流计算领域，具体涉及地下跌水的跌水量、跌水宽度、坎上水层厚度的计算方法。

背景技术：

在盆地的山前多分布有平行于山体的大断层，第四系基底常因断层作用而产生大幅度的垂直位移，导致第四系潜水流经基底陡坎时由水平径流折转为垂直渗漏而形成地下跌水，使得跌水陡坎两侧的地下水位不连续，地下水位差可高达几十米甚至100m以上，跌水陡坎两侧上下游含水层的地下水已无直接的水力联系，仅发生着水量联系，即陡坎下游含水层将承接来自陡坎上游含水层的地下水径流，这意味着下游含水层的承接水量应等于上游含水层在陡坎处的排出水量，即跌水量。跌水量仅由上游含水层水平径流区与垂直渗漏区的渗透性和水力条件控制。

目前，针对陡坎跌水的解析模型研究较少，代表性的研究成果主要有“跌水量估算的半解析模型”(wenpingli,zhenyingliu等人，2011年)和“渗流场分析的解析模型”(a.r.kacimov，2012)，前者是基于均质各向异性含水层的剖面二维稳定流模型导出的，开发的单宽跌水量半解析解的模型包gwf，已作为地下水数值模拟大型软件modflow的一个结构模块，并成功地应用于上层滞水、断层跌水的两个算例；后者是基于无界均质各向同性含水层的剖面二维稳定流模型，采用复变函数论的映射法导出的，该解析模型用于分析地下跌水渗流场有很好的效果。然而，二者均没有对非均质含水层的地下跌水解析模型进行研究，地下跌水陡坎两侧含水层的非均质是客观存在且非常显著的，不考虑地下跌水陡坎两侧含水层的非均质特性，将会导致计算分析得到的跌水量和渗流场不够准确，对地下跌水机理的解释不够清楚。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的现有陡坎跌水的解析模型未考虑陡坎两侧含水层的非均质特性而导致计算分析得到的跌水量和渗流场不够准确的问题，本发明提出了地下跌水的跌水量、跌水宽度、坎上水层厚度的计算方法，包括如下步骤：

步骤1：在上游区打孔，记陡坎处为x轴的坐标原点，获得上游区打孔处距坐标原点的距离l；

步骤2：测量上游区打孔处距坐标原点l处的含水层厚度hl、水平渗流的水力传导系数k、陡坎处水平渗流的水力传导系数kr和垂直渗流的水力传导系数kd；

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的l、hl、k、kr和kd的值通过式ⅰ计算地下跌水的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0，

其中：α和β为无量纲参数，且

地下跌水区渗流场模型的构造方法，包括如下步骤：

步骤1：采用如权利要求1所述的地下跌水的跌水量、跌水宽度、坎上水层厚度的计算方法，获得地下跌水的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0；

步骤2：利用二维流有限差分法及modflow软件处理步骤1得到的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0，获得地下跌水区渗流场模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明客观模拟地下水渗流场的跌水现象，为地下水模拟与地下水评价提供数学模型，提高地下水计算与评价精度，可广泛应用于地下水资源评价与保护、地下水环境影响评价与污染防控、地下工程的水害评价与防治等领域。

附图说明

图1为基底陡降引起地下跌水的纵向剖面结构模型图；

图2为地下跌水不同模拟情况的h0、r、q曲线图；

图3(a)为上游单元和断层垂直x方向图；

图3(b)为上游单元和断层垂直y方向图；

图4为地下跌水数值模拟区的位置与基本特征图；

图5为地下跌水数值模拟区的含水层结构剖面图；

图6为数值模拟区地下跌水模拟剖面图。

具体实施方式

1、地下跌水的跌水量、跌水宽度、坎上水层厚度的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在上游区打孔，记陡坎处为x轴的坐标原点，获得上游区打孔处距坐标原点的距离l；

步骤2：测量上游区打孔处距坐标原点l处的含水层厚度hl、水平渗流的水力传导系数k、陡坎处水平渗流的水力传导系数kr和垂直渗流的水力传导系数kd；

步骤3：根据步骤1和步骤2得到的l、hl、k、kr和kd的值通过式ⅰ计算地下跌水的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0，

其中：α和β为无量纲参数，且

具体的，式1还可写为：

具体的，l的数值由钻孔的位置到陡坎的位置确定，当l确定后hl的数值能够直接测得，k、kr和kd为常数能够测量。

基底陡降引起地下跌水的纵向剖面如图1所示，选择陡坎处为坐标x轴的原点，选择陡坎下游含水层的基底为潜水位h的起点，潜水位h与坐标轴x的交汇点用符号o表示。陡坎上游含水层基底高度为o，上游距坐标原点l处的潜水位为hl、含水层厚度为hl，陡坎上的潜水位为ho、含水层厚度为ho，陡坎下的潜水位为hr，地下跌水宽度为r、跌水高度为d。显然有：h＝h-b，d＝b-hr。

地下跌水区渗流场模型的构造方法，包括如下步骤：

步骤1：获得地下跌水的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0；

步骤2：利用二维流有限差分法及modflow软件处理步骤1得到的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0，获得地下跌水区渗流场模型。

wenpingli,zhenyingliu等人(2011年)基于断层陡坎单宽跌水量q的半解析模型，研究了断层陡坎跌水量q的有限差分的数值解，开发了modflow的gwf软件包。该gwf包包括三个子程序：gwfal，gwfrp和gwffm，前两个子程序分别用于分配存储器和数据准备；子程序gwffm用来计算地下水穿越断层的跌水量q，并将该跌水量由断层上游节点分配给断层下游节点。

其中，基于断层陡坎单宽跌水量q的解析模型，得到了断层陡坎跌水量q的有限差分的数值解：假设断层上游单元的剖分间隔为δx或δy，如图3所示，则上游单元节点到断层的距离为δx/2(或δy/2)，故基于式ⅰ的断层陡坎上游单元的跌水量qx和qy数值解可写为式2和式3：

利用式ⅱ或式ⅲ得到断层陡坎跌水量q，采用平面二维流有限差分法及modflow软件获得地下跌水区渗流场模型。

本发明客观模拟地下水渗流场的跌水现象，为地下水模拟与地下水评价提供数学模型，提高地下水计算与评价精度，可广泛应用于地下水资源评价与保护、地下水环境影响评价与污染防控、地下工程的水害评价与防治等领域。

下面结合地下跌水渗流精进行计算分析，给定不同的l、hl、k、kr和kd的值，利用式ⅰ计算出地下跌水不同模拟情况的无量纲综合参数α和β以及地下跌水的跌水量q、跌水宽度r和坎上水层厚度h0，根据地下跌水不同模拟情况绘制表1。

通过表1绘制的不同距离l、不同含水层厚度hl、不同参数(k、kr和kd)的q、r和h0的曲线，如图2所示。

从图2中曲线①③⑤⑦可以看出，坎上水层厚度h0特征为：l越长、hl越低时，h0值越小；kr或kd值越小时，h0值越大。

从图2中曲线①④⑤⑧可以看出，跌水宽度r特征为：l越长、hl越低时，r值越小；kr值越小时，r值越小，kd值越小时，r值越大。

从图2中曲线②④⑥⑧可以看出，单宽跌水量q特征为：l越长、hl越低时，q值越小；kr或kd值越小时，q值越大。

表1地下跌水不同模拟情况的q、r、h0计算成果表

以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

地下跌水数值模拟区为东西长70000m、南北宽30000m的矩形区域如图4所示。如图5所示，模拟区的南部山区与中部隆起区主要为第三系基岩，为不透水岩层；南盆地和倾斜平原区及穿越隆起区的四个过水通道(即为图4的①、②、③、④)均为第四系松散堆积层，其中赋存孔隙潜水；中部隆起区北侧断层将潜水含水层的基底大幅垂直错落，并导致断层两侧潜水位不连续，四个过水通道在断层处的潜水位下跌高达200～20m。

本渗流场数值模拟采用规则网格剖分，剖分间距为200m×200m，南北剖分为150行，东西剖分为350列，共52500个单元，其中有效计算单元39983个。模拟区为单一潜水含水层，断层两侧含水层的水力传导系数kx＝ky90m/day，含水层给水度μ＝0.08～0.20，跌水区松散层的水力传导系数kr＝kd＝5m/day。断层陡坎跌水量q依据式ⅱ或式ⅲ给出，采用平面二维流有限差分法及modflow软件模拟了地下跌水区渗流场，如图6所示，模拟的渗流场准确地反映了断层跌水现象。