基于冲淤过程中河床沉积物渗透性变异条件下的傍河水源地地下水资源量评价

论文摘要

对于傍河水源地,天然河流的入渗补给是最为重要的补给来源,若要合理地规划傍河水源地的开采方案,需要获取河流入渗动态信息,即掌握沉积物属性特征及其随时间的变化性,例如河床沉积物的渗透性。由于河流冲淤作用的影响,天然河床沉积物的岩性、结构和厚度时刻发生着变化,导致河床沉积物的渗透性存在着强烈的时空变异性,进而影响着河流对两岸地下水的补给量。目前对于河流冲淤过程对河床沉积物渗透性的影响机制尚不完全清楚,因此对地表水入渗补给地下水的水量计算不准确,导致区域地下水资源量评价结果失真。基于此,本文以第二松花江中游沿岸德惠市高家店傍河水源地为研究区,在查明水源地地质及水文地质条件的基础上,通过野外监测、室内实验、野外试验、河流动力学数值模拟以及地下水流数值模拟等手段,查明河床沉积物渗透性的时空变化特征及规律,并揭示其影响因素及形成机理,建立河流水动力及泥沙运移模型,识别河流水动力特征及泥沙分布特征,在此基础上对河床沉积物渗透系数进行分区,与地下水流数值模型耦合,对该傍河水源地的地下水资源量进行评价及预测,以期更加精确地评价傍河水源地地下水资源量,为傍河水源地在河床沉积物渗透性的时空变异条件下的的安全运行以及开采方案提供科学依据。通过本次研究,取得以下主要认识:1、受水动力条件控制,河床存在明显的冲淤作用,河床沉积物渗透系数存在着强烈的时空变异性,最大变化高达7个数量级。主槽沉积物渗透系数明显高于心滩、沙洲以及河岸边缘。而受淤塞作用的影响,心滩、心滩及沙洲的边缘水动力较弱处河床沉积物的渗透系数较低。在冲淤作用的影响下,河水在河床沉积物中的入渗速率存在明显的波动,且与河水位存在明显的正相关关系。河流主槽处河水入渗速率最高可达6.455í10-6m/s;而沙洲和心滩或其边缘处河水入渗速率较低,最高可达3.000í10-6m/s。2、河床沉积物渗透性受岩性、河流水动力条件和河床地貌形态等共同影响。河床沉积物的渗透系数与沉积物各特征粒径和水流流速有着显著的正相关关系。当江水流速大于河床沉积物颗粒的临界起动流速时,河床沉积物渗透性的变化主要受河床冲淤过程中推移质运移导致的沉积物岩性改变的影响;当江水流速小于河床沉积物颗粒的临界起动流速时,河床沉积物渗透性的变化要受江水中悬移质沉降导致河床表面形成淤泥层的影响。河床沉积物中方解石和黑锰矿矿物的溶解程度并不是影响河床沉积物渗透性变化的主要因素。河床沉积物中微生物群落分布丰度及多样性通过影响其分解河床沉积物中有机质的能力,进而影响有机质含量,可能导致河床沉积物渗透性的变化。3、化学因素和生物因素相对于物理因素,对沉积物渗透性的影响极小,在冲淤变化明显的研究区可忽略不计。应用逐步回归确定影响河床沉积物渗透系数变化最为敏感的因子,并利用遗传算法（GAS）拟合优化得到渗透性定量估算公式为:（?）基于河流水动力及泥沙模拟对河床沉积物岩性的模拟结果,根据河床沉积物渗透系数与有效粒径及中值粒径的经验公式能够计算河床沉积物渗透系数,并对河床沉积物渗透系数进行时空分布特征的分区。根据逐月的计算结果对各区渗透系数平均值进行计算和赋值,能够较为准确地反映研究区河床沉积物渗透性的空间分布和变化趋势,为傍河水源地地下水资源量评价提供参数依据。4、在不考虑和考虑河床沉积物渗透性变化两种情况下,根据实测数据计算出的地下水储存量的变化与模型计算的数值间误差率分别为16.9%和4.2%。考虑冲淤过程中河床沉积物渗透性的时空变化,更能客观反映出研究区水文地质条件的实际情况。当不考虑河流冲淤过程中河床沉积物渗透性的时空变化时,会低估丰水期河流的入渗补给量。5、傍河水源地在开采条件下,2016年4月2016年12月期间,总补给量为12709.3m3/d,总排泄量为12080.2m3/d,区域地下水处于正均衡,均衡差为629.1 m3/d。河水的入渗量为8940.6m3/d,占总补给量的70.3%,为傍河水源地最为主要的补给来源。高家店傍河水源地的地下水可开采潜力远大于现状开采量,仍具有一定的可开采潜力。在偏丰、平及极枯水年高家店傍河水源地地下水可开采潜力分别为4.12万m3/d、3.90万m3/d和3.11万m3/d。水源地应根据河流水文特征确定开采方案,避免开采量超过地下水可开采量而导致一系列的生态或者环境地质问题。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题依据
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 河床沉积物的渗透性
•     1.2.2 河床冲淤
•     1.2.3 傍河水源地地下水资源评价
•   1.3 研究目标与研究内容
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 研究内容
•   1.4 技术路线
•   1.5 创新点
• 第2章 研究区概况
•   2.1 自然地理概况
•     2.1.1 地理位置
•     2.1.2 地形地貌
•     2.1.3 气象水文
•   2.2 区域地质及水文地质概况
•     2.2.1 区域地质条件
•     2.2.2 区域水文地质条件
•     2.2.3 水资源开发利用情况
• 第3章 河床沉积物渗透性的时空变化特征
•   3.1 样品的采集与测试
•     3.1.1 采样点及监测点布设
•     3.1.2 采集方式及测试指标
•   3.2 河床沉积物的冲淤过程
•     3.2.1 河床冲淤现象
•     3.2.2 水动力条件
•     3.2.3 泥沙含量
•     3.2.4 河床沉积物岩性的时空变化特征
•   3.3 河床沉积物渗透性测定
•     3.3.1 基于热示踪和水动力法的河床沉积物渗透性测定
•     3.3.2 基于竖管法实验的河床沉积物渗透性的测定
•   3.4 河床沉积物渗透性的时间变化特征
•     3.4.1 河床沉积物温度时间动态变化特征
•     3.4.2 河床沉积物中水流入渗速率
•     3.4.3 河床沉积物入渗路径中水力梯度动态变化特征
•     3.4.4 沉积物渗透系数变化特征
•   3.5 河床沉积物渗透性的空间变化特征
•     3.5.1 河床纵断面沉积物渗透系数的变化特征
•     3.5.2 河床横断面沉积物渗透系数的变化特征
•     3.5.3 冲淤情况
•   3.6 本章小结
• 第4章 河床沉积物渗透性变化机理
•   4.1 河床沉积物渗透性时空变化的主要影响因素
•     4.1.1 物理因素
•     4.1.2 化学因素
•     4.1.3 生物因素
•   4.2 河床沉积物淤塞机理实验
•     4.2.1 试验装置
•     4.2.2 试验方法及测试
•     4.2.3 结果与讨论
•   4.3 河床渗透性的定量估算
•     4.3.1 逐步回归法识别决定因子
•     4.3.2 遗传算法推导经验公式
•   4.4 本章小结
• 第5章 河床水动力及泥沙运移模拟
•   5.1 数值模型
•     5.1.1 水动力数值模拟
•     5.1.2 泥沙运移数值模拟
•   5.2 数值方法
•     5.2.1 离散方法
•     5.2.2 边界条件
•   5.3 水动力及泥沙运移模型的建立与求解
•     5.3.1 模型的建立
•     5.3.2 模型验证
•     5.3.3 结果分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 傍河水源地地下水资源量评价
•   6.1 水文地质概念模型
•   6.2 数学模型的建立
•   6.3 参数的获取
•     6.3.1 含水层渗透系数
•     6.3.2 降水入渗补给系数的确定
•     6.3.3 给水度的确定
•   6.4 数学模型的求解
•     6.4.1 空间离散
•     6.4.2 时间离散
•     6.4.3 水文地质参数初值及分区
•     6.4.4 初始水位
•     6.4.5 源汇项处理
•     6.4.6 模型的识别与验证
•   6.5 均衡分析
•   6.6 水源地地下水开采潜力预测
•     6.6.1 水位流量预测
•     6.6.2 降水量预测
•     6.6.3 河床沉积物渗透性的预测
•     6.6.4 开采方案的制定
•     6.6.5 预报结果分析
•   6.7 本章小结
• 第7章 结论与建议
•   7.1 结论
•   7.2 建议
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 崔庚

导师: 苏小四

关键词: 傍河水源地,河流冲淤,河床沉积物,渗透性,地下水资源量评价

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,资源科学

单位: 吉林大学

分类号: P641.8

总页数: 190

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