CN113486604A - 一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，包括以下步骤；步骤(1)、将含水层系统概化为三个含水层组；步骤(2)、建立地下水流动数学模型；步骤(3)、评价指标选取及赋值；步骤(4)、在所建立的评价模型中，基本条件层有3个评价指标，因子层有7个评价指标；步骤(5)、将每种预测因子所得的预警分区进行数字化模拟，得到带有相应属性的坐标点，这些坐标点所在的预警分级共分为红、橙、黄三个等级及安全区域。本发明在建立水文地质概念模型和数学模型的基础上，分析岩溶条件及覆盖层条件分布特征，并采用数值模拟方法预测了不同环境条件下岩溶地下水动力条件，建立综合评价模型，实现了不同环境条件下岩溶塌陷的预警分区。
Description
技术领域
本发明涉及岩溶塌陷技术领域，具体为一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法。
背景技术
作为全国的经济文化大省，近年来，山东省经济社会发展迅速，人类工程活动强烈，对地质环境的影响较大，特别是岩溶发育区地质环境问题频发，主要岩溶地质环境问题有岩溶塌陷、岩溶地下水水质恶化及岩溶大泉流量衰减等，其中岩溶塌陷问题首当其冲。2015年以来，山东省荆泉断块岩溶塌陷灾害频发，截止目前，共发生岩溶塌陷地质灾害约58起，以西坞沟村岩溶塌陷为例，该塌陷发生于2016年5月26日清晨的马铃薯田地，当时该田地正在灌溉，地面突然下陷，形成一个平面呈圆形、直径约12m、深约13m的塌陷坑，距京沪高铁直线距离仅80余米。频繁发生的岩溶塌陷地质灾害，不仅在当地居民中造成恐慌，还严重威胁着公共交通安全；
通常，岩溶塌陷的形成是由于上覆砂层被基岩渗透带中的水侵蚀至岩溶管道，在基岩面之上形成空腔，随着侵蚀的继续，空腔持续变大，达到砂土层的极限平衡之后，形成塌陷。由于岩溶塌陷的突发性和破坏性，国内外众多学者致力于研究其预警方法，以期降低危害。综合来看，当今预警方法更多的是在查明岩溶塌陷影响因素及分布规律的基础上，通过开展水气压力监测、HVSR探测、大地电磁法探测及数值模拟等手段，总结岩溶塌陷成因机理，建立层次分析模型(AHP)，划定岩溶塌陷预警分区，从而提出岩溶塌陷防治措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，包括以下步骤；
步骤(1)、将含水层系统概化为三个含水层组；
步骤(2)、建立地下水流动数学模型；
根据Darcy定律和水均衡原理，忽略密度变化对地下水的影响，建立三维流动数学模型；
式中：h(x,y,z,t)为某点t时刻地下水水位[L]；Kxx、Kyy和Kzz分别为沿x、y和z方向的渗透系数[L/T]；w为单位体积单位时间内注入或抽出的水量[1/T]；μs为单位储水系数[1/L]；t为时间[T]；h0(x，y，z)为流场初始水位[L]；B1为一类边界条件；B2为二类边界条件；q(x,y,z,t)为二类边界上单位面积已知流量(L/T)；
步骤(3)、评价指标选取及赋值；
引入层次模糊数学方法，对岩溶塌陷进行综合分析，通过对区内岩溶塌陷影响因素进行分析研究，认为其主要受到覆盖层条件、地下水条件以及岩溶条件的影响，将以上条件作为层次模糊评判预测因子，建立综合评价模型；
步骤(4)、在所建立的模型中，基本条件层有3个评价指标，因子层有7个评价指标，则评价单元j所构成的相应模糊子集为：
Bj＝{B1，B2，B3}T
Cj＝{C1，C2，C3，…，C7}T
步骤(5)、将每种预测因子所得的预警分区进行数字化模拟，得到带有相应属性的坐标点，这些坐标点所在的预警分级共分为红、橙、黄三个等级及安全区域，然后将红色、橙色和黄色预警分区内的坐标点分别赋予数值区间3～4、2～3、1～2，将其与二级权重(WC)对应相乘，最后将得到的每种预测因子下的数字化数据进行累加，进行综合分析。
优选的，步骤(1)中，所述三个含水层组，其中，第一层为浅层含水层组，包括第四系孔隙水和基岩裸露区浅层岩溶水，第二层为弱透水层，包括第四系粘土层、奥陶系及寒武系裂隙深层含水层组一定深度范围划为弱透水层；第三层为深层含水层，包括奥陶系和寒武系碳酸盐岩类岩溶水岩组。
优选的，步骤(2)中，在建立所述地下水流数学模型之前，应对实际水文地质条件进行概化，建立水文地质概念模型，并将含水系统概化为非均质各向同性的二维非稳定流。
优选的，步骤(3)中，所述覆盖层条件包括岩性、厚度；所述地下水条件包括地下水径流强度、水位变幅、地下水面与基岩面距离；所述岩溶条件包括地层岩性、发育程度。
优选的，步骤(4)中，权重采用本地专家经验法和试算法确定，即先由专家凭经验确定一套试算权重初值，选择一些塌陷程度不同的单元进行权重反演，若相差太大，则再对权重进行调整，直到调试合理后方可作为计算权重，由此得到各因子权重。
本发明提出的一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，有益效果在于：本发明在建立水文地质概念模型和数学模型的基础上，分析岩溶条件及覆盖层条件分布特征，并采用数值模拟方法预测了不同环境条件下岩溶地下水动力条件，建立综合评价模型，实现了不同环境条件下岩溶塌陷的预警分区，对相关政府职能部门防灾减灾决策的制定具有重要借鉴意义。
附图说明
图1为本发明在不同环境条件下地下水水位模拟结果示意图；
图2为本发明开口型岩溶裂隙埋藏深度及预警情况示意图；
图3为本发明岩溶发育程度预警情况示意图；
图4为本发明的覆盖层岩性预警分区图；
图5为本发明的覆盖层厚度预警分区图；
图6为本发明的现状条件，不同降雨频率下，岩溶塌陷预警分区图；
图7为本发明的现状条件，不同岩溶水开采量条件下，岩溶塌陷预警分区图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1、请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤(1)、将含水层系统概化为三个含水层组；
所述三个含水层组，其中，第一层为浅层含水层组，包括第四系孔隙水和基岩裸露区浅层岩溶水，第二层为弱透水层，包括第四系粘土层、奥陶系及寒武系裂隙深层含水层组一定深度范围划为弱透水层；第三层为深层含水层，包括奥陶系和寒武系碳酸盐岩类岩溶水岩组；
其中，含水层水文地质参数分区及取值的主要依据是：(1)研究区地质和水文地质图；(2)前人在研究区的研究成果；(3)根据抽水试验获得的参数，在此基础上，利用数值模型调整参数，将数值模型计算结果与实测结果进行对比；
步骤(2)、建立地下水流动数学模型；
根据Darcy定律和水均衡原理，忽略密度变化对地下水的影响，建立三维流动数学模型；
式中：h(x,y,z,t)为某点t时刻地下水水位[L]；Kxx、Kyy和Kzz分别为沿x、y和z方向的渗透系数[L/T]；w为单位体积单位时间内注入或抽出的水量[1/T]；μs为单位储水系数[1/L]；t为时间[T]；h0(x，y，z)为流场初始水位[L]；B1为一类边界条件；B2为二类边界条件；q(x,y,z,t)为二类边界上单位面积已知流量(L/T)；
在建立所述地下水流数学模型之前，应对实际水文地质条件进行概化，建立水文地质概念模型，并将含水系统概化为非均质各向同性的二维非稳定流；
步骤(3)、评价指标选取及赋值；
引入层次模糊数学方法，对岩溶塌陷进行综合分析，通过对区内岩溶塌陷影响因素进行分析研究，认为其主要受到覆盖层条件、地下水条件以及岩溶条件的影响，将以上条件作为层次模糊评判预测因子，建立综合评价模型；
所述覆盖层条件包括岩性、厚度；所述地下水条件包括地下水径流强度、水位变幅、地下水面与基岩面距离；所述岩溶条件包括地层岩性、发育程度；
岩溶塌陷综合评判等级和赋值表如下所示：
步骤(4)、在所建立的模型中，基本条件层有3个评价指标，因子层有7个评价指标，则评价单元j所构成的相应模糊子集为：
Bj＝{B1，B2，B3}T
Cj＝{C1，C2，C3，…，C7}T
权重采用本地专家经验法和试算法确定，即先由专家凭经验确定一套试算权重初值，选择一些塌陷程度不同的单元进行权重反演，若相差太大，则再对权重进行调整，直到调试合理后方可作为计算权重，由此得到各因子权重；如下表所示：
步骤(5)、将每种预测因子所得的预警分区进行数字化模拟，得到带有相应属性的坐标点，这些坐标点所在的预警分级共分为红、橙、黄三个等级及安全区域，然后将红色、橙色和黄色预警分区内的坐标点分别赋予数值区间3～4、2～3、1～2，将其与二级权重(WC)对应相乘，最后将得到的每种预测因子下的数字化数据进行累加，进行综合分析。
更具体的，模型源汇要为：1.大气降水入渗根据区内第四系岩性、基岩出露情况及地形地貌等地质特征对模型降雨入渗进行分区，由于区内隔水层较厚，故在垂向上，降水入渗只涉及浅层含水层；2.河流渗漏区内主要渗漏河流为城河，该河流从模拟区东北部流过，按照河底岩性及分布特征，结合河流水位宽度等信息，得到河流渗漏强度；3.人工开采模拟区内集中供水开采井分布于西南部荆泉水源地附近，其它为农业供水开采井，由于农业用水难以准确统计，在计算过程中，对农村生活用水和灌溉水井分布进行了适当概化。
更具体的，如图2所示：区内开口型岩溶裂隙埋深大致由东北向西南方向递减，在罗庄村的南部和东北部出现较大起伏，已发生岩溶塌陷附近开口型岩溶裂隙埋藏深度最低为28.1m，位于虺城店村西，最深达34.4m，位于杨明庄村附近，本次将开口型岩溶裂隙埋深大于28m的地区定为红色预警区，20～28m的地区定为橙色预警区，0～20m的地区定为黄色预警区。
更具体的，如图3所示，本次将三山子组中厚层白云岩、张夏组厚层灰岩以及马家沟组中厚层灰岩分布区定为红色预警区；将马家沟组中厚层白云岩及灰岩分布区定为橙色预警区；将炒米店组薄层-中厚层灰岩、马家沟组薄层白云岩分布区，定为黄色预警区；其余馒头组、崮山组碎屑岩夹灰岩分布区定为安全区域；其中，约86.2％的岩溶塌陷分布在红色预警区，其余均位于橙色预警区。
更具体的，如图4所示，根据岩溶裂隙的上覆土层岩性信息，将土层岩性分为砂土、含砾粉质粘土、冲击粘土和残积粘土，分别对应红色、橙色、黄色和安全预警区。如图6所示，将覆盖层的土层厚度分为5～15m、15～30m、30～50m及大于50m或小于5m四个级别，分别对应红色、橙色、黄色和安全预警区。
更具体的，如图5所示，据统计分析，覆盖层厚度10～15m、5～10m、0～5m及其它厚度的岩溶塌陷分别占总数的48.3％、37.9％、13.8％及0，分别对应红色、橙色、黄色和安全预警区。
更具体的，如图6所示，降雨入渗可以导致上覆第四系土层自重加大，降低岩土体内部的抗滑阻力，且会对围岩产生较大的动水压力和冲刷作用；另外，当岩溶水位下降到基岩顶板以下时，水的承压性会消失，对盖层土体的浮托力也会消失，加速土体的破坏。因此，降雨量大小是影响岩溶塌陷的一个重要因素。综合1956～2019年的降雨量数据，对现状条件，不同降雨频率下，岩溶塌陷产生的可能性进行预警研究；如下表所示：
降雨频率从20％增加到95％的过程中，在开采量等其它条件保持不变的条件下，随着降雨量的不断减小，研究区从无红色预警区增加到红色预警区占整个区域的25.74％，呈逐渐增大的趋势，且橙色预警区最大可占研究区的一半以上；研究区预警严重程度呈现由西南往东北逐渐递减的趋势，主要原因为，在其它条件不变的条件下，随着降雨量的不断减少，区内岩溶水水位不断下降，岩溶空腔产生负压，在地表大气压的作用下，土体较易产生破坏，从而出现岩溶塌陷。
更具体的，如图7所示，在不同岩溶水开采量条件下，红色预警区主要集中在研究区的中部，且随着开采量的增加，红色预警区域逐渐扩大；对于已发生的岩溶塌陷，增加开采量30％、50％和70％条件下，分别有6.9％、31.03％和65.51％的岩溶塌陷位于红色预警区内；对于岩溶塌陷隐患点，增加开采量30％、50％和70％条件下，分别有11.76％、61.76％和67.65％的岩溶塌陷位于红色预警区内。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤(1)、将含水层系统概化为三个含水层组；
步骤(2)、建立地下水流动数学模型；
根据Darcy定律和水均衡原理，忽略密度变化对地下水的影响，建立三维流动数学模型；
式中：h(x,y,z,t)为某点t时刻地下水水位[L]；Kxx、Kyy和Kzz分别为沿x、y和z方向的渗透系数[L/T]；w为单位体积单位时间内注入或抽出的水量[1/T]；μs为单位储水系数[1/L]；t为时间[T]；h0(x，y，z)为流场初始水位[L]；B1为一类边界条件；B2为二类边界条件；q(x,y,z,t)为二类边界上单位面积已知流量(L/T)；
步骤(3)、评价指标选取及赋值；
引入层次模糊数学方法，对岩溶塌陷进行综合分析，通过对区内岩溶塌陷影响因素进行分析研究，认为其主要受到覆盖层条件、地下水条件以及岩溶条件的影响，将以上条件作为层次模糊评判预测因子，建立综合评价模型；
步骤(4)、在所建立的模型中，基本条件层有3个评价指标，因子层有7个评价指标，则评价单元j所构成的相应模糊子集为：
Bj＝{B1，B2，B3}T
Cj＝{C1，C2，C3，…，C7}T
步骤(5)、将每种预测因子所得的预警分区进行数字化模拟，得到带有相应属性的坐标点，这些坐标点所在的预警分级共分为红、橙、黄三个等级及安全区域，然后将红色、橙色和黄色预警分区内的坐标点分别赋予数值区间3～4、2～3、1～2，将其与二级权重(WC)对应相乘，最后将得到的每种预测因子下的数字化数据进行累加，进行综合分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：步骤(1)中，所述三个含水层组，其中，第一层为浅层含水层组，包括第四系孔隙水和基岩裸露区浅层岩溶水，第二层为弱透水层，包括第四系粘土层、奥陶系及寒武系裂隙深层含水层组一定深度范围划为弱透水层；第三层为深层含水层，包括奥陶系和寒武系碳酸盐岩类岩溶水岩组。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：步骤(2)中，在建立所述地下水流数学模型之前，应对实际水文地质条件进行概化，建立水文地质概念模型，并将含水系统概化为非均质各向同性的二维非稳定流。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：步骤(3)中，所述覆盖层条件包括岩性、厚度；所述地下水条件包括地下水径流强度、水位变幅、地下水面与基岩面距离；所述岩溶条件包括地层岩性、发育程度。
5.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法，其特征在于：步骤(4)中，权重采用本地专家经验法和试算法确定，即先由专家凭经验确定一套试算权重初值，选择一些塌陷程度不同的单元进行权重反演，若相差太大，则再对权重进行调整，直到调试合理后方可作为计算权重，由此得到各因子权重。
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| CN202110668118.1A CN113486604A (zh) | 2021-06-16 | 2021-06-16 | 一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113486604A true CN113486604A (zh) | 2021-10-08 |
Family
ID=77935421
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110668118.1A Withdrawn CN113486604A (zh) | 2021-06-16 | 2021-06-16 | 一种基于数值模拟的岩溶塌陷预警分区方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115271555A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院) | 一种岩溶塌陷应急处置多要素综合处理的信息平台系统 |
| CN116910886A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-10-20 | 山东大学 | 一种岩溶地区的冲击能量预警方法及系统 |
-
2021
- 2021-06-16 CN CN202110668118.1A patent/CN113486604A/zh not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115271555A (zh) * | 2022-09-27 | 2022-11-01 | 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院) | 一种岩溶塌陷应急处置多要素综合处理的信息平台系统 |
| CN116910886A (zh) * | 2023-08-25 | 2023-10-20 | 山东大学 | 一种岩溶地区的冲击能量预警方法及系统 |
| CN116910886B (zh) * | 2023-08-25 | 2024-05-07 | 山东大学 | 一种岩溶地区的冲击能量预警方法及系统 |
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