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对应分析方法在地下水资源评价中的应用.pdf

对应分析方法在地下水资源评价中的应用.pdf

上传者: 闪亮星lucky 2012-10-04 评分1 评论0 下载30 收藏0 阅读量46 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《对应分析方法在地下水资源评价中的应用pdf》,可适用于项目管理领域,主题内容包含!年第期勘察科学技术地矿部水文程地质工地质技方术法研究队李保中评价中的应用对应分析方法在地下资水源应该有多处哆泉出现,事实恰恰相反,采矿场内并没有沿符等。

!年第期勘察科学技术地矿部水文程地质工地质技方术法研究队李保中评价中的应用对应分析方法在地下资水源应该有多处哆泉出现,事实恰恰相反,采矿场内并没有沿#、断裂带涌出地下水。所有这些已说明第含水带#断裂带中承压水头已降低了余米。那么,地下水到底是怎样降低的呢笔者认为关键在于目前矿山开拓工程的进行。为了进行露天采矿,已将矿体顶部围岩铁帽等地层剥离掉了,导致地形、地貌、地层发生很大的变化,水文地质条件也在改变。原水源坑顶标高为!米,现已降至米,即剥去围岩、铁帽层约(米,露天采矿场最低标高已开挖至))米。这样使第及第)含水层顶部被剥离,作为含水层的基础地层不复存在了,其中的水也就没有依存之处了,这是很容易理解的事实。确切地说,#一、#一及#,’等断层接近地表部分不存在了参见图!,,因此导致第、第)含水层地下水随之大幅度降低。至此,便可以肯定地说,第含水层补给第)含水层,第)含水层又补给了第合水带。这种补给关系是大降坪硫铁矿充水条件的最主要的特征与规律。尚须指出,米平碉,是在!号孔钻探结束后,号与)号钻进过程中施工的。其位置在)号与号孔之间。平洞未揭露#‘断层时,坑道内无水成仅有滴水当遇#、断层时,袍眼喷出水头约!米,)小时后减至米,以后逐渐减至流水而已。最大涌水量达米”日,(天后涌水量仅为米)日左右,实测水温为,水质为‘型,二斗。这也充分表明第含水带地下水来自第)含水层粉矿,。集干第含水层的富水性、导水性较弱,而且位于矿体底部,尽竹其水头压力较大,但因为采用了露天采矿方式,基本上不会对硫铁矿采场造成危害。四大降坪硫铁矿位于当地侵蚀基准面以上,处于中、低,坡上,有利于自然排水,岩性以变质的片岩为主,木身富水性较小,导水性较弱#断裂破碎带为压性断裂,两问题的提出在我国北方的千旱、半千旱地区,随着国民经济的不断发展,工业、农业和人畜用水量普遍增长,加之千旱年频繁出现,这就使许多地区的地下水位呈明显地逐年下降的趋势。虽然丰水年的补给使地下水位有所回升,但已远不能补偿千旱年的消耗。这种情况,已经引起了人们的极大关注。在某一水文地质单元内,地下水的动态变化规律不只受当年降水量的影响。而且还受着以前若千年降水量的影响。因此,分布广泛的“地下水库”具有由丰水年补充和储存的地下水在一个特定的年际范围内补偿干旱年消耗的特点。人们称这种特点为多年调节。如果不考虑其具有多年调节性的补给、赋集和运移规律而一味过量盘紧密性好,透水性差异较大线以北,线以南为不透水断裂,则表示了南北两侧无地下水通道从西到东也没有明显的地下水通道存在矿床周围不存在岩溶地下水,与地表水也无水力联系,因此可以认为大降坪硫铁矿属于以裂隙水为充水条件的不太复杂类型的矿床。矿床地下水来自第、第)含水层,并以静储存量为主,在露天采矿过程中,自然会被排泄、疏干,不会对矿山建设造成危害。拟设计的米标高的排水巷道,作用不大。正如“报告”中指出的“矿量位于当地侵蚀基准面)米标高以上,覆盖厚度小,水文条件简单,开采条件良好。’夕这是十分正确的评价。本文借助了广东()地质大队许多宝贵资料,笔者特向他们表示真诚的谢意。勘察科学技术!年第期开采,势必会出现诸如水位下降、水质变坏、地面沉降等一系列危及工农业生产和城乡人民生活的严重问题。为了保护地下水资源并进行科学的开发利用,人们一直在寻求最优化用水方案,而最优化用水方案往往又离不开多年调节数学模型的建立。地下水调节年份与调节周期确定的合适与否,是合理地进行岩溶水资源评价、泉域地下水资源评价、求水文地质参数、进行水源地用水供需平衡预测的关键。而确定降水对地下通流的滞后影响年份,又是这些工作的中心环节。以往,人们都习惯于用图解法确定降水对地下逞流的滞后影响,但这种方法产生人为误差的可能性比较大,也不利于在计算机上快速实现。如何用解析法解决这个问题,一直使人们感到棘手。因此,木文介绍如何用对应分析方法确定降水对地下迂流的滞后影响。数学摸型我们知道,一个地区地下还流的产生,主要受本地区及邻近地区水文气象和地质地貌因素的影响。降雨是基本补给源。因此,地下还流曲线可视为不连续降水的离散输入经地质休滤波而产生的激化脉冲特性曲线。虽然由于岩性不同、产状不同、分布不同、岩石裂隙发育程度不同,会造成这种激化脉冲特征也不相同,但是在同一水文地质单元,就其宏观上来说,必然是降水量在一个特定的年际范围内增加或减少时,地下通流量在另一个或同一个,年际范围内呈相应的增加或减少。而且在没有足以影响补给条件的外来干涉发生的情况下,这种地下通流与该区域降水的脉冲响应规律是不会随时间的延续而改变的。因此,可以断言地下通流变化规律与降水变化规律具有统计相似性,根据地下水连续运动的原理,某年的地下逼流是由前一年的地下逗流及其当年以及前若干年降水生成的地下通流的统计和。也就是说,某年的地下通流量等于其前一年的地下通流量加分。、。其中是前年的降水量,是权一系数。如果我们对某一流域的地下逞流量进行了年观测,与每一年的地下通流量相对应,我们还可以观测到当年的,前一年的,前二年的,,’’二,直到前一年的降水量。这样,我们便得到了个随机事件对,每个事件对都由个随机事件构成。把每个观测值作为随机变量的值,我们进而得到一个如下形式的:阶矩阵:,,‘<=其中:>,,,”’功’‘’飞>,,,是第个变量的第次观测值。它是年地下通流量的组成因子。矩阵的第一行元素分别是与年的地下通流量对应的、超前一年的地下通流量,第二行直至第行的元素是相应的、当年的直至前一年的降水量。矩阵的某一列元素都对应着某一年的地下通流,它是形成该年地下通流的各种要素的数量表征,通常是由长期观测得到的。为了描述每个观测值在全部观测过程中所占的比例,可以利用>:>艺公:把)原始数据矩阵”:>规格化。为了描述每个变量在时间空间上的运动规律,可以对矩阵>施加进一步变换令Α‘Β>,,Χ艺二>>>且>刁Α变换后的新矩阵Δ为!年第期技术Ε,。群瓦它是第Φ个样品与第Γ个样却之间在概率空间的相对位置的一种度量。通过代数运算,可以求出方差一协方差矩阵Α的特征根久,,,帕和对应的单位特征向量Η。其中Ι为矩阵Α的秩数。根据多元统计分析原理,数据元素可以看作丫维椭球体上的点,特征根表示椭轴的长度,对应的特征向量的方向就是椭轴的方向。椭球的重心在概率平均点。通过方差极大正交旋转可以把原始数据投影到椭轴上,每个椭轴的地质意义以变最的较大载荷值来判别。口。。。Δ竹‘。。口Δ‘人。这样一来,矩阵Δ的每行元素可以粗略地表示每个被观测的变量的时间脉冲特性。也就是说,如果其中两个变量的行元素变化规律相同,就可以初步认为它们具有相同的变化规律。因此,形如,Α,Α,,。Α,,,,,的个向量在时间空间上可以描述降水量与地下通流量之间以及地下通流量之间的相似变化规律。为了既表达出两个变量在时间空间上运动的相似性,又突出各观测值在表达两个变量动态规律时的相对作用,我们选用如下的加权距离公式ϑϑϑ,ϑϑ,云与此同”‘找们用Ε式,Χ‘>’Κ=’Φ,Γ,贪、凑>Φ>ΑΦ一脸飞ΑΓ」二胃,表示个变量在次观测中所表现出来的运动特征。它的方差一协方差矩阵为Α玉二。万,ΛΓΑΛ训Χ>一ΑΓ侧己式。一ϑ石,ϑϑΜΑΑ‘一云七厂,‘Ε沙哀#、一Ν“”‘上式的物理意义是十分明显的。如果把>Α了Χ>作为描述个变量的运动规律的点的坐标,那么Κ,Φ,Γ,也是第Φ个变量和第Γ个变量在时间空间上相似性的一种度量。给每个变量以Χ>的权,则在Α‘空间中平均点的坐标是训Γ训豆入一ΑΓ,Μ卜ΧΒΑ一ΑΝ’Χ>二公>召Χ>二侧Χ>同理,第Ο」个样况=与第Γ个样品之间的协方差为ΑΟΓ乙Α二=Α、Η#乙一ΧΦ,丽ΓΠ‘ΧΓ一ΧΓ,习Φ一ΑΧ=,、一Α几岌=它是第个变量和第Γ个变量在时间空间上变化规律相似性的一种度量。在解决实际水文地质问题时,我们往往需要综合考虑变量空间和时间空间以及变量相互之间错综复杂的关系。为了达到这个目的,必须用相同的坐标系同时表示这些物理意义不完全相同的量。这可以通过构造一个新的统计量)>一ΑΧΘ,训Χ>Α>来解决。可导出ΑΡ,ΑΑΣΡ。因此,ΑΡ二ΑΑ,ΑΑ,Ρ二Α。这说明,Α和ΑΑ有相同的特征根。这样,把变量和样本同时投影到同一坐标系中就有了理论保证。应用实例在同一水文地质单元,降水是产生地下!勘察科学才组术!年第期渔流的重要因素。研究降水对地下逞流的补给规律,是进行水文地质综合评价的重要手段。我们应用本方法,对拒马河石门水文站控制流域的地下通流量及对应的降水量做了对应分析。通过分析对比,认为石门水文站控制流域的地下通流量主要受前三年降水的影响。也就是说,该流域的地下通流量受降水量的连续影响从其前一年一直到前三年见表,。石门水文站控制流域降水量对应分析结果表三个主要因子载荷值及其所占方差比重,二舀至降永画ϑϑ三〔颐至三亘匆毛二〔泛)Μ煎二笙降水晕一Τ卫一二里生妙ϑϑ一几(Κϑϑ前二年降水影ϑϑ卫工毯,ϑϑ止些些久旦Μ二旦夕脸一前三年降全胜鬓一印坚乞」,翅丝一仁)里Μ累计方差百分比)()秒ϑ贫一Υ、Υ月变量ΜΜ一从上表可以着出,石门水文站控制流域的地下通流量受前三年降水的影响。就因子所占的方差百分比来看,以前一年降水量为较大载荷的因子占),以前一)年为较大载荷的因子占)),以前)年降水量为较大载荷的因子)占!。至此,前)个因子的累计方差百分比已占了总方差比重的。这种信息是很有代表性的。因子中前一年的降水载荷较大,因此,因子即为前一年降水因子。同理,因子为前一)年降水因子。因子)为前)年降水因子。这说明,如果用前一)年的降水量参加描述地下通流量的分析计ΠΠΠΠΠ一一。石门水文站拧制流城降水与地下迂流对应分析图算,我们仅仅会损失全部信息的左右。如果用前两年的降水描述地下通流量的变化规律,只损失全部信息的。表中给我们提供的另一重要信息是当年的降水对地下迁流量没有发生明显的影响。这就说明,前期降水是从前一年补给地下水即滞后一年补给地下水,而形成地下通流的。随着时间的推移,其补给能力逐渐减弱,所以因子所占的方差百分比也就越来越小。其补给能力一直延续三年,其后的地下通流便不再受该年降水的明显影响了。换言之,就是每年的降水滞后影响作用一直发挥到其后第三年。由于降水对当年的地下通流没有明显的补给作用。所以,可以认为石门水文站控制流域的降水对地下通流的补给期为)年,地下通流的自然消耗期为年。因此,该流域地下水的调节周期为年。下图表示了用两个主要因子轴坐标系统同时表达地下通流量和降水量的情况。从图中可以明显看出,地下通流量点群全部囿于前三年降水量点群之中。这也说明地下通流量主要受前三年降水量的控制。图中也说明了对应分析方法能将降水量和地下还流量之间的关系清楚地在同一张图上同时表现出来。这一点,恰恰就是对应分析方法的优越性所在。以上的分析结果可以从地质成因得到解释。石门水文站控制流域处于沉积岩区的沫源盆地,属于闭合流域。由于沉积岩区的“地下库容量”较大,故而调节能力比较强,形成了丰水年的地下水不是骤然增加,枯水年的地下水也不是明显减少的独特情况。表中所示的计算结果中,描述地下通流量的前三个综合因子里当年的降水量都不呈现出明显的作用。这就说明了对应分析的结果表达了沉积岩区的水文地质数量特征。通过以上的定性分析我们知道,地下水!年第期劫察、科学技术=(Χ一微计算机在地下水动力学计算中的应用南京地质学校近十多年来,用数值法解复杂的地下水非稳定流的计算问题正在逐步地推广和应用,并已取得较好的效呆。数值法的应用必须借助电子计算机,随着电子计算机的普及,为地下水动力学应用电子计算机结合数值法解决这类问题开辟了广阔的前景。本文就这方面的问题,结合计算实例,利用ΧΜ计算机作了一些尝试和探讨。一、承压水一维非稳定流问题的有限差分法禹祥裕倪卫泽边界条件ςΩ,<,甲。<,<,Ξ将偏微分方程用泰勒级数展开得差分方程Ρς卜十土二件Ψ一ς全<:,ς“、,Ζς卜一Ζς令当Λ时,<:,解ς飞收敛于微分方程的定解Ρ一协ς工Ξ<队Ρ一一方程ς:ς犷Ζ,Λς气,一ς卜ς十,Ζς气一一代入定解条件初始条件ς:,,ς。‘,‘一“、Ξ簇:必式中ΓΜ一时段序号,Ρ导水系数一卜一协子‘乙止储水系数,’卜,若声吐歹‘叱断卜吧步‘,步卜吧笋,泛于,、二手、妊声坛云李、占补,‘歹八,若钾‘笋,专知‘尹吧笋侧手,嗯王卜够产月‘卜崔户,蛋卜心笋喇护吧笋,爹知吧户咭尹崛尹,‘》喊夕,衫熟,乙笋衫笋,石熟,步知,缭,呢户呢去卜要经历消耗和补给两个阶段而完成调节过程。地下水的运动规律不仅与补给源有关,而且与对其储存和运移的导水介质也是密切相关的。在不同的导水介质申,降水按照一定的统计规律滞后补给地下水,而含水岩层也会按照它自己的调节规律,对其原来含有的以及补给它的和流经它的地下水进行调节。这就启示了人们,在不同的含水岩层分布区开发地下水时,应该首先弄清地下水的补给规律和调节周期,以便做到合理开采。讨论从整个计算模型来看,对应分析方法中所用的变量在研究地下水运动规律时,其内容是很广泛的。它们可以是降水量、通流量,也可以是水质参数等一些水化学因子以及泉水流量等等。因此,该模型的通用性比较强,该方法的适用范围也比较大。笔者认为,用对应分析方法研究水文地质间题,特别是研究那些明显地不具有线性规律或拟线性规律的水文地质问题会起到独特的作用。因为在那些问题中,线性相关程之‘淤度的密切与否,已不能做为判断某些变量之闻滩性相关关系的准则,这就使得人们通关关系的方法失去了适用价值。幸好,对应分析方法至少可以部分地弥补这方面的不底别诊,需要指出的是,本文的应用实例中所涉及的流域属闭合流域。对于非闭合流域的情况,只要把全部参加对应分析的变量首先进行还原计算,仍然可以得出较为满意的结果。本文的目的旨在向水文地质工作者介绍在水资源评价工作中如何用对应分析方法解决实际问题以及如何将模型中的各变量、各因子赋予地质意义。我们相信,它在解决其它地质问题中同样会发挥重要作用。本文在修改过程中,承蒙河北大学张贵恩老师、地矿部水文地质工程地质技术方法研究队的方鸿慈工程师提供了大力帮助。作者对他们表示衷心的感谢。参考文献略,

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