渗流井取水过程中含水层流态模拟研究

摘要

渗流井反向取水工程是一种经济、高效的水资源利用方式，随着取水工程的投入运营，工程合理取水量的确定、渗流井淤塞等问题得到广泛关注。然而，取水过程中地下水流态变化特征、含水层压力变化情况是直接影响合理取水量的确定以及淤塞问题的重要因素，最终决定取水工程的设计选址等。因此对渗流井反向取水工程中地下水流态变化特征、含水层压力变化情况等的充分认识显得至关重要。本论文结合实际工程问题，借助室内模拟实验、Feflow数值模拟、matlab等研究手段，对渗流井反向取水工程地下水流态变化规律，含水层内部压力变化情况进行研究。为最终解决渗流井反向取水工程实际问题打下基础。本文主要研究成果如下:
　　(1)渗流井取水过程中，取水量Q(cm3/s)随降深s(cm)增大而增大，由于表层水补给能力有限，当降深达到有效最大值时，此后取水量不再随降深增大而增大，最终趋于稳定;定降深取水条件下，取水量随时间变化规律可分为四个阶段:达西渗流、非线性渗流、快速释水、稳定渗流。
　　(2)渗流井反向取水过程中，观测到孔隙水压力随时间曲线类似于“V”型。随着径向距离的不断增加，取水对含水层内部孔隙水压力的影响逐渐降低;垂向深度越大，孔隙水压力越大，表明离渗流井取水口越近，孔隙水压力下降幅度越大。前半段减区间孔隙水压力函数可采用P(x，y，t)=Pi+Qμ/4πKMEi(-r2/4xt)，后半段增区间函数可采用拟合函数P(t)=at3+bt2+ct+d(a,b，c，d均为常数）。
　　(3)孔隙水压力在取水初期急剧减小，导致渗流井取水口正上方含水层中部逐渐形成负压带。
　　(4)提出渗流井管道模型C+kU2=P，通过孔隙水压力值计算渗流井取水量，并利用孔隙水压力时间滞后效应，预测实际工程渗流井取水量，从而确定渗流井合理取水量。
　　(5)通过Feflow数值模拟对渗流井反向取水工程含水层地下水流态模拟研究，表层含水层地下水状态始终处于饱和状态，取水过程中孔隙水压力并不受下渗强度以及含水层浸润程度的影响，始终存在饱水带。由于取水原因，含水层内部形成负压带，含水层系统将由表水层、负压带、非饱和带、饱和地下水带组成。这也揭示了实际工程中多流态共存的特征。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 渗流井取水研究现状

1．2．2 河流与地下水关系研究现状

1．2．3 含水层压力研究现状

1．2．4 研究方法进展情况

1．3 存在问题

1．4 研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第2章 反向取水实验模拟

2．1 取水工程水文地质概念模型

2．2 实验目的与设计原则

2．3 实验装置

2．4 检测装置

2．5 实验过程

2．5．1 砂的选取

2．5．2 装砂

2．5．3 传感器安装

2．5．4 砂层排气饱水过程

2．5．5 实验步骤

2．5．6 注意事项

2．6 本章小结

第3章 室内模拟实验研究

3．1 渗流井取水效果分析

3．1．1 降深与取水量关系

3．1．2 时间与取水量关系

3．2 反向取水压力变化规律

3．2．2 孔隙水压力受反向取水的影响

3．2．3 径向距离对孔隙水压力的影响

3．2．4 垂向距离对孔隙水压力的影响

3．2．5 孔隙水压力变化曲线拟合

3．3 孔隙水压力场变化规律

3．4 渗流管道模型求解取水量

3．5 本章小结

第4章 地下水流态数值模拟

4．2．1 地下水流数学模型

4．2．2 压力场数学模型

4．3．1 网格剖分

4．3．2 边界条件与初始条件

4．3．3 含水层水文地质参数

4．3．4 源汇项计算与处理

4．3．5 模型识别和参数验证

4．4 地下水流态模拟结果分析

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果