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[摘 要]近些年，巖溶塌陷频发，对岩溶塌陷区居民的生产生活产生地质灾害安全隐患，随着地下水数值模拟技术手段日渐成熟，为进行岩溶塌陷预警提供了技术支撑。基于此，本文将在对岩溶塌陷成因分析的基础上，进而提出有关于水文地质概念模型、数值模型的建立的岩溶塌陷区地下水数据模拟方法以及有关于开采量调整模拟预测方案、岩溶塌陷预警的预警系统的建立，希望对岩溶塌陷预警系统的改善有所帮助。
[关键词]地下水数值模拟；岩溶塌陷；预警系统；数值模型；模拟预测
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0217-01
1岩溶塌陷原因分析
目前为止，我国岩溶塌陷的成因包括以下三个方面，其一，具有可溶岩地层，且岩溶（溶洞、溶孔、溶隙等）发育。其二，可溶岩层上覆有的土层较薄。当上覆土层的内聚力强，含水量低，土层越厚越不容易引起塌陷，若果土层较薄，则产生塌陷的可能性较高。我国岩溶塌陷多数都属于土层塌陷。其三，地下水动力条件的改变。从力学角度讲，致塌作用力超过抗塌能力，最终导致岩溶塌陷的发生。岩溶塌陷的形成是由于多种因素综合所致，例如，生产生活大量抽排地下水、自然或人为的震动或加载，均有可能导致岩溶塌陷的发生。通过对近年来我国发生的岩溶塌陷的研究分析可知，地下水动力条件的改变是导致多数岩溶塌陷发生的诱发因素，而根据此建立地下水数值模拟对岩溶塌陷预警预报有着重要的意义。根据致塌作用力及其作用效应的不同，可以将塌陷模式分为潜蚀致塌、真空吸蚀致塌、冲爆致塌、振动致塌、重力致塌、荷载致塌以及溶蚀致塌等。
2地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的运用
2.1岩溶塌陷区地下水数据模拟
2.1.1水文地质概念模型
水文地质概念模型的建立，首先要进行模拟区的边界划分，这种划分条件一般分为两类，一类是已知水位边界，另一类是已知流量边界。例如，山东临沂市城区岩溶塌陷的研究过程中，南部边界朱晨宝泉寺就要以第一类边界条件加以考虑，而大黄土埝村与北沂堂一线则以第二类划分，东部边界以断层与石炭、二叠系地层相接，为此西部边界北段以断层与下寒武系地层相接以及西部边界中南段以上寒武系地层的地表分水岭为界，都可以考虑以隔水边界条件处理。由于岩溶裂隙地下水的动态变化对该区域的岩溶塌陷问题来说最为明显，所以可以将本区条件简化为基岩孔隙一裂隙含水层中的二维平面流问题[1]。
2.1.2数值模型的建立
数值模型的建立，首先，确定模型的结构，即把岩溶塌陷进行确定参数分区，一般情况下以一类边、二类边的分布和分段以及离散化网格进行划分。此时可以将整个计算区域剖分成三角形网格进行分析，每个三角形表示一个单元，把三角形的顶点当做结点。对于某个结点i，考虑所有以结点i为顶点的三角形单元，顺序连接结点i与相邻结点jk构成的边的中点和单元重心，就可以得到结点i的专有子区域，如图1所示。
图1 i的专有子区域
根据结点区域质量均衡原理，可以得出以下公式：
其中，u为状态变量的向量，其分量与h有很大关系。再根据时间的离散化，可将此公式转化为
以此，便可以得出编制解正问题的非稳定流的模拟程序。此外，数值模型的建立还需要进行网格的剖分、数据参数的科学分区、边界问题的细化处理以及模拟模型数据的进一步校正等问题。例如，上文中提到的山东城区岩溶塌陷的模型建立就可以对整个计算区域的631各节点进行1132个单元的剖分，再进行导水系数、给水度、降水入渗等数据的模拟。如图2，图3。
图2 导水系数分布图 图3 井点分布图
2.2岩溶坍塌预警系统的建设
2.2.1开采量调整模拟预测方案
开采量调整模拟预测方案是坍塌预警系统建设的重要环节。预测方案中开采量要根据地区的不同情况进行调整。一般情况下，城市地下水的开采可以通过地下水开采量来进行岩溶塌陷区水位的认定。地下水水位在基岩面附近频繁波动时，最容易诱发岩溶塌陷。所以，控制水位是关键。例如，某城区在2004年的降雨量比较多，在整个城区未发生岩溶塌陷的情况下，要用各控制点控制最低水位。如果水位数据低于基岩顶板标高，就采用控制水位的数据，但要保证控制水位的高度不低于基岩顶板标高的两米，反之，则仍以基岩项板标高为控制水位。根据控制水位以及各项参数制定相应的控制计划，通过比较，在安全性的前提下选取最适宜的实施方案，才能基本解除岩溶塌陷对人们以及自然的威胁，在方案实施的过程中要建立相应的预警机制，方便及时对方案进行调整，保障实施的顺利与安全[2]。
2.2.2岩溶塌陷预警
建立好岩溶塌陷的预警是地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的运用的价值体现之一。做好岩溶塌陷预警通常要考虑很多因素，其中水位是最常见的因素之一。例如，在临沂城区一带的岩溶塌陷预警就是通过地下水位的预报来完成的。而控制水位的高低也可以很大程度上避免岩溶塌陷的发生。地下水位的控制往往受到开采、天气、江河分布等因素的影响，而且这种影响具有滞后性。如果根据实时水位进行措施的实施，往往达不到理想的效果，所以预警工作十分重要，把握将来一段时间内的水位以及其他因素的变化，才能提高防御措施的有效性。岩溶塌陷预警，首先，要建立完善的网络体系，然后，在此基础上进行数据的长时间整理分析以及修正，最后，根据确定下来的数据内容进行分析总结，进而进行岩溶塌陷预警。
结束语：综上所述，岩溶塌陷预警系统的科学性关系着人们的生产生活，地下水数值模拟可以提高岩溶塌陷预警的科学性，增强岩溶塌陷问题的预先处理的及时性，为当地政府部门提供岩溶塌陷预警预报的基础数据，有利于当地政府相关部门在模型发出警示时，对岩溶塌陷易发区采取搬迁避让、巡查监测、岩溶塌陷地质灾害演练等必要措施，避免在未知情况下发生岩溶塌陷，给当地居民生产生活带来影响。
参考文献：
[1]林刚.地下气化导水裂缝带发育规律与地下水流场数值分析[D].中国矿业大学（北京），2016.
[2]孙从军，韩振波，赵振，范宇.地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程，2013，31（05）：9-13+17.
[3]王建军.济南岩溶区地下水系统数值模拟及保泉供水管理模型研究[D].山东大学，2016.
[4]仲伟婉.通榆县开通镇拟建水源地地下水数值模拟及预测[D].吉林大学，2017.
[关键词]地下水数值模拟；岩溶塌陷；预警系统；数值模型；模拟预测
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）06-0217-01
1岩溶塌陷原因分析
目前为止，我国岩溶塌陷的成因包括以下三个方面，其一，具有可溶岩地层，且岩溶（溶洞、溶孔、溶隙等）发育。其二，可溶岩层上覆有的土层较薄。当上覆土层的内聚力强，含水量低，土层越厚越不容易引起塌陷，若果土层较薄，则产生塌陷的可能性较高。我国岩溶塌陷多数都属于土层塌陷。其三，地下水动力条件的改变。从力学角度讲，致塌作用力超过抗塌能力，最终导致岩溶塌陷的发生。岩溶塌陷的形成是由于多种因素综合所致，例如，生产生活大量抽排地下水、自然或人为的震动或加载，均有可能导致岩溶塌陷的发生。通过对近年来我国发生的岩溶塌陷的研究分析可知，地下水动力条件的改变是导致多数岩溶塌陷发生的诱发因素，而根据此建立地下水数值模拟对岩溶塌陷预警预报有着重要的意义。根据致塌作用力及其作用效应的不同，可以将塌陷模式分为潜蚀致塌、真空吸蚀致塌、冲爆致塌、振动致塌、重力致塌、荷载致塌以及溶蚀致塌等。
2地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的运用
2.1岩溶塌陷区地下水数据模拟
2.1.1水文地质概念模型
水文地质概念模型的建立，首先要进行模拟区的边界划分，这种划分条件一般分为两类，一类是已知水位边界，另一类是已知流量边界。例如，山东临沂市城区岩溶塌陷的研究过程中，南部边界朱晨宝泉寺就要以第一类边界条件加以考虑，而大黄土埝村与北沂堂一线则以第二类划分，东部边界以断层与石炭、二叠系地层相接，为此西部边界北段以断层与下寒武系地层相接以及西部边界中南段以上寒武系地层的地表分水岭为界，都可以考虑以隔水边界条件处理。由于岩溶裂隙地下水的动态变化对该区域的岩溶塌陷问题来说最为明显，所以可以将本区条件简化为基岩孔隙一裂隙含水层中的二维平面流问题[1]。
2.1.2数值模型的建立
数值模型的建立，首先，确定模型的结构，即把岩溶塌陷进行确定参数分区，一般情况下以一类边、二类边的分布和分段以及离散化网格进行划分。此时可以将整个计算区域剖分成三角形网格进行分析，每个三角形表示一个单元，把三角形的顶点当做结点。对于某个结点i，考虑所有以结点i为顶点的三角形单元，顺序连接结点i与相邻结点jk构成的边的中点和单元重心，就可以得到结点i的专有子区域，如图1所示。
图1 i的专有子区域
根据结点区域质量均衡原理，可以得出以下公式：
其中，u为状态变量的向量，其分量与h有很大关系。再根据时间的离散化，可将此公式转化为
以此，便可以得出编制解正问题的非稳定流的模拟程序。此外，数值模型的建立还需要进行网格的剖分、数据参数的科学分区、边界问题的细化处理以及模拟模型数据的进一步校正等问题。例如，上文中提到的山东城区岩溶塌陷的模型建立就可以对整个计算区域的631各节点进行1132个单元的剖分，再进行导水系数、给水度、降水入渗等数据的模拟。如图2，图3。
图2 导水系数分布图 图3 井点分布图
2.2岩溶坍塌预警系统的建设
2.2.1开采量调整模拟预测方案
开采量调整模拟预测方案是坍塌预警系统建设的重要环节。预测方案中开采量要根据地区的不同情况进行调整。一般情况下，城市地下水的开采可以通过地下水开采量来进行岩溶塌陷区水位的认定。地下水水位在基岩面附近频繁波动时，最容易诱发岩溶塌陷。所以，控制水位是关键。例如，某城区在2004年的降雨量比较多，在整个城区未发生岩溶塌陷的情况下，要用各控制点控制最低水位。如果水位数据低于基岩顶板标高，就采用控制水位的数据，但要保证控制水位的高度不低于基岩顶板标高的两米，反之，则仍以基岩项板标高为控制水位。根据控制水位以及各项参数制定相应的控制计划，通过比较，在安全性的前提下选取最适宜的实施方案，才能基本解除岩溶塌陷对人们以及自然的威胁，在方案实施的过程中要建立相应的预警机制，方便及时对方案进行调整，保障实施的顺利与安全[2]。
2.2.2岩溶塌陷预警
建立好岩溶塌陷的预警是地下水数值模拟在岩溶塌陷预警系统中的运用的价值体现之一。做好岩溶塌陷预警通常要考虑很多因素，其中水位是最常见的因素之一。例如，在临沂城区一带的岩溶塌陷预警就是通过地下水位的预报来完成的。而控制水位的高低也可以很大程度上避免岩溶塌陷的发生。地下水位的控制往往受到开采、天气、江河分布等因素的影响，而且这种影响具有滞后性。如果根据实时水位进行措施的实施，往往达不到理想的效果，所以预警工作十分重要，把握将来一段时间内的水位以及其他因素的变化，才能提高防御措施的有效性。岩溶塌陷预警，首先，要建立完善的网络体系，然后，在此基础上进行数据的长时间整理分析以及修正，最后，根据确定下来的数据内容进行分析总结，进而进行岩溶塌陷预警。
结束语：综上所述，岩溶塌陷预警系统的科学性关系着人们的生产生活，地下水数值模拟可以提高岩溶塌陷预警的科学性，增强岩溶塌陷问题的预先处理的及时性，为当地政府部门提供岩溶塌陷预警预报的基础数据，有利于当地政府相关部门在模型发出警示时，对岩溶塌陷易发区采取搬迁避让、巡查监测、岩溶塌陷地质灾害演练等必要措施，避免在未知情况下发生岩溶塌陷，给当地居民生产生活带来影响。
参考文献：
[1]林刚.地下气化导水裂缝带发育规律与地下水流场数值分析[D].中国矿业大学（北京），2016.
[2]孙从军，韩振波，赵振，范宇.地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程，2013，31（05）：9-13+17.
[3]王建军.济南岩溶区地下水系统数值模拟及保泉供水管理模型研究[D].山东大学，2016.
[4]仲伟婉.通榆县开通镇拟建水源地地下水数值模拟及预测[D].吉林大学，2017.