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1、湖南省岳家桥地区地下水数值模拟研究 王丹 李嘉宝 李海兵 湖南省地质环境监测总站 摘 要： 通过集成益阳市岳家桥地区水文地质调查、勘查、地下水监测成果等资料, 掌握研究区域地下水含水层特征、补径排特征, 岩溶区岩溶发育特征等, 应用GMS 软件建立岳家桥岩溶地下水水文地质概念模型。通过建立岩溶塌陷立体监测网络, 利用监测资料识别和检验水文地质参数, 检验校正地下水三维模拟模型。关键词： 数值模拟; 岳家桥; 地下水资源; 地下水流场; 作者简介：王丹 (1986-) , 女, 湖南岳阳人, 硕士, 工程师, 主要从事水工环地质研究。1 研究区概况研究区位于湖南省益阳市赫山区, 属湘中丘陵与洞庭
2、湖冲击平原之间的过渡地带, 地势较平坦。亚热带季风湿润气候, 雨量充沛, 地表水体较发育。主要发育石炭系、二叠系、白垩系和第四系地层。以覆盖型岩溶区为主。研究区为双层地下水, 上层第四系孔隙水, 总体向北东径流;下层主要含水层为二叠系栖霞组茅口组裂隙溶洞含水层和长兴组溶洞裂隙含水层, 次为石炭系中上统壶天群裂隙溶洞含水层、白垩系崖码头组下段灰质砾岩裂隙溶洞含水层, 总体往南径流。根据研究区塌陷分布特点以及资料掌握的详细程度, 本次研究选取岳家桥地质灾害防治勘查报告中重点勘查区作为建模范围, 总面积 21.18 km。2 地下水资源概算(1) 浅层地下水资源概算。对于浅层地下水, 其补给主要源自
3、大气降入渗补给, 其次为地表水体入渗和地下水的侧向径流补给, 消耗于大气蒸发、侧向排泄、人工开采及越流排泄。其均衡方程式为:(1) 降水入渗补给量本次根据经验公式法计算降雨入渗量:(2) 地表水体入渗补给量由于矿山开采抽排水, 因此本次评价仅考虑地表水补给地下水的情况。(3) 侧向径流补给、排泄量边界流量的计算根据达西定律, 采用有限元法。将边界分根据补给、排泄、零流量分为 8 段进行有限元剖分计算。(4) 潜水蒸发量阿维里扬诺夫经验公式是目前潜水蒸发量计算的应用最为广泛的经验公式。(5) 人工开采量建模区以农村人口为主, 常驻农村人口约 0.9 万人, 目前仍以浅层地下水作为生活用水。(6)
4、 越流排泄量(2) 深层地下水资源概算。对于深层地下水, 其补给主要来自浅层地下水的越流补给和侧向径流补给, 其主要消耗人工开采, 其次为侧向径流排泄。其均衡方程式为:(1) 越流补给量由浅层水资源概算结果可知, 深层地下水接受浅层水年均越流补给量为102.7510m/a。(2) 侧向径流补给、排泄量根据达西定律, 采用有限元法, 计算得到各边界的补给排泄量。(3) 人工开采量由岩溶水开采利用情况可知, 区内深层地下水总开采量约 20 m/h, 即总开采量为 17.5210m/a。(3) 水量均衡分析由年均衡分析可知, 浅层水呈正均衡, 深层水呈负均衡。根据实际情况, 浅层水层正均衡存在 2
5、种可能性: (1) 实际情况与资源概算结果吻合, 浅层水每年有一定的储存; (2) 资源概算过程中, 越流补给量的越流系数是通过取经验垂向渗透系数比上越流层厚度得到的, 在实际情况下, 由于深层地下水被大量抽排, 浅层水与深层水之间的水力梯度加大, 垂向上渗透系数增大, 尤其在断层破碎带附近, 导致概算得到的越流排泄量小于实际越流排泄量。表 1 水均衡计算成果 下载原表 深层水层负均衡与目前煤炭坝矿区大量抽排矿坑水造成的实际情况吻合。3 地下水数值模拟地下水数值模拟是在地质、水文地质条件分析的基础上, 通过概化水文地质条件、组织相关数据, 在确定水文地质概念模型的同时, 采用国际上流行的地下水
6、流模型软件地下水模拟系统 (Groundwater Modeling System) , 简称GMS, 建立岳家桥地区地下水流数值模型。3.1 水文地质概念模型(1) 模拟区边界。模型侧向边界根据研究区水文地质条件概化为流量边界, 通过边界进行侧向补给、排泄;模型上部边界为浅层潜水面, 通过该边界, 地下水获得大气降水入渗补给, 或以蒸发等形式排泄地下水;浅层底部边界为第四系底界面, 为弱透水边界, 在此边界上地下水进行越流补排;深层底部边界取岩溶水含水层厚度 100m 处, 为第三类混合条件边界。(2) 含水层结构。模拟区含水层结构分为两层, 即将浅层松散岩类孔隙水和红层孔隙裂隙水概化为浅层
7、潜水, 深层岩溶水概化为深层承压水。(3) 源汇项概化。模拟区浅层地下水主要接受大气降水入渗补给, 其次为地表水体入渗和地下水的侧向径流补给, 而地表水体入渗又包括河流入渗补给和水库及渠道渗漏、灌溉入渗补给。模拟区深层地下水主要接受侧向径流及上覆含水层的越流补给, 主要排泄为侧向径流及人工开采, 以侧向径流为主 (煤炭坝矿区疏排水) 。(4) 水文地质参数。根据岳家桥地质灾害防治勘查报告中地质统计和抽水试验法对研究区渗透系数的研究结论, 并结合岩溶地下水强径流带分布及前人的经验数据, 对模型中各含水层水平渗透系数进行分区。垂向渗透系数设为水平渗透系数的 0.1 倍。3.2 水文地质数值模型(1
8、) 数学模型。可将研究区地下水流概化成三维非均质各向异性稳定地下水流系统。(2) 模型空间。本次研究选取建模区面积 21.18km, 采用分别平行于 X、Y 轴的正交网格对计算域进行平面上的剖分 50 m50 m 的等间距网格进行剖分, 单层活动单元为 8 485 个。(3) 边界处理。模型的人为侧向边界按照各自的边界特性和规模赋值, 利用GMS 的 special flow package 带入模型中, 补给边界为正, 排泄边界为负。(4) 源汇项处理。在模型模拟中将水库及渠道渗漏、灌溉入渗补给并入大气降水补给中, 并将其作为面状补给源生成 2D grid 文件导入 Recharge Pac
9、kage。河流入渗补给采用 River Package 处理。蒸发排泄导入到 ET Package。人工开采则是将各层开采井的文件直接导入到 Wells Package 中。(5) 模型识别与校正。本次采用稳定流对模型进行识别与校正。侧向补给量采用水资源计算值, 降水、地表水体入渗、灌溉回归量及蒸发采用年均数据, 以岳家桥地质灾害防治勘查报告项目所得水位与模型相应位置计算水位间的误差平方和最小为目标。通过对水文地质参数, 个别源汇项在合理范围内的校正, 经反复调整参数使目标函数值尽量小, 最后根据模拟得到的地下水各均衡要素值和水资源概算的均衡要素值对比, 从而实现对本次所建立的模型进行识别验证
10、。识别后的拟合流场整体效果较好。3.3 模拟结果研究区模型各层模拟流场见图 1。浅层地下水位为 18.1294.98 m, 总体分布规律是中南部存在一地下水分水岭, 北部往东北向径流, 南部向南径流。分布规律主要与地形地貌、地表水分布及浅层地下水的开采强度有关。深层地下水位为-47.3957.35 m, 总体分布规律是由北往南径流, 分布规律主要与煤炭坝矿区疏排地下水相关。图 1 模拟水位等值线 下载原图4 结论与建议对本区地下水分两层进行了水资源概算, 浅层水呈正均衡, 深层水呈负均衡。建立了岳家桥地区地下水流数值模型。通过识别校正, 水位拟合误差小于 2 m的占 92.31%, 模拟流场与实测流场基本一致, 所建模型效果较好, 可进一步用于预测。下一步, 应用三维模型优化地下水监测部署网, 并将三维模型模拟和有效监测手段相结合, 分析岩溶塌陷形成机理, 总结岩溶塌陷监测方式和方法, 最大限度降低灾害的发生及灾害所造成的损失。
