西北某干旱區(qū)多級儲(chǔ)水洼地地下水?dāng)?shù)值模擬

孫 琦，高為超，陳劍杰，肖禮華

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

西北某干旱區(qū)多級儲(chǔ)水洼地地下水?dāng)?shù)值模擬

孫 琦，高為超，陳劍杰，肖禮華

(西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024)

西北某放射性廢物處置場預(yù)選區(qū)，區(qū)域地下水系統(tǒng)包含多級獨(dú)立第四系儲(chǔ)水洼地，洼地出口以泉水排泄地下水，繼而回滲補(bǔ)給下級洼地。根據(jù)含水層底板起伏特征，利用GMS模擬軟件中的排水溝模塊與溪流模塊概化了泉水，通過泉流量校準(zhǔn)與監(jiān)測孔水位擬合，校正了研究區(qū)滲透系數(shù)、給水度、和儲(chǔ)水率等水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算了地下水流速、流向以及地下水資源量。結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水由南向北東徑流，東北部為最終排泄洼地，地下水流速緩慢，水資源相對匱乏，有利于放射性廢物處置的安全。

GMS;數(shù)值模擬;泉;流速流向

我國對地下水流數(shù)值模擬的應(yīng)用與研究始于1973年［1］。近幾十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬已應(yīng)用到與地下水有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域和部門，地下水?dāng)?shù)值模擬已經(jīng)成為地下水勘察中重要的手段。國內(nèi)鄂爾多斯盆地、銀川平原、華北平原等都進(jìn)行過地下水?dāng)?shù)值模擬的研究工作，這些工作都取得了良好的效果，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)提供了有力支持。國外地下水?dāng)?shù)值模擬更早，QAZIAR［2］建立了美國科羅拉多州San Luis流域地下水準(zhǔn)三維數(shù)值模型，流域面積3000余km2，該模型作為一個(gè)管理工具，可評價(jià)長期使用該流域地下水對其各滯留地表水造成的影響。RIVERA等［3］建立了德國Konrad放射性廢物填埋場地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型，研究了人為干擾作用下對地下水垂向流動(dòng)方向鹽份濃度的影響。國外在數(shù)值模擬軟件的開發(fā)也走在前列，先后開發(fā)了具有實(shí)用價(jià)值的商用軟件，如 Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［4～6］。但各地區(qū)由于地質(zhì)條件不同，地下水?dāng)?shù)值模擬沒有可套用的模式，并且隨著人類對地下水環(huán)境的干擾日益加大，新問題不斷涌現(xiàn)，如承壓 －半承壓 －潛水復(fù)雜系統(tǒng)以及露天礦反復(fù)疏干 －充水－疏干過程、礦坑排水等，導(dǎo)致地下水?dāng)?shù)值模擬具有各自的特點(diǎn)。研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，地下水儲(chǔ)存部位和運(yùn)移規(guī)律較為獨(dú)特?？拷呱絽^(qū)的第四系含水層有足夠儲(chǔ)存空間，水資源豐富;遠(yuǎn)離高山區(qū)的第四系含水層較為開放，水資源匱乏，呈透水不含水層。地下水的最終排泄處由于水位抬升，蒸發(fā)濃縮而成為鹽堿地。地下水在多級洼地內(nèi)儲(chǔ)存、運(yùn)移、排泄，洼地間由泉水的排泄、下滲構(gòu)成水力聯(lián)系。根據(jù)含水層底板抬升至地表的情況，本文嘗試用GMS軟件的排水溝和溪流模塊概化泉水，建立了第四系儲(chǔ)水洼地的地下水徑流模型，為放射性廢物處置場選址提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，受基巖起伏及東西向山體制約，區(qū)內(nèi)發(fā)育多個(gè)第四系儲(chǔ)水洼地且地下水在洼地下游均以泉水形式出露于地表。區(qū)內(nèi)地勢南高北低，全區(qū)地下水除了大氣降水入滲補(bǔ)給外，南部高山區(qū)側(cè)向間接補(bǔ)給亦為重要補(bǔ)給來源，地下水、地表水均由南向北徑流。各儲(chǔ)水洼地內(nèi)水資源分布極不均勻，接近洼地下游出口，水量豐富，而洼地邊緣由于第四系堆積物厚度的減薄、地表高程增加而為透水不含水層。

南部高山區(qū)海拔高程為1 800～2 300 m，最高峰可達(dá)2 787 m，降水量為130～150 mm/a。中部山體海拔高程1 700～2 200 m，降雨量為70～80 mm/a。降雨量嚴(yán)格受控于山體高度，各山間洼地降水量保持在44～65 mm/a，而東北部的洼地中心降水量僅28～40 mm/a，一年很難有幾次降雨，且多為暴雨，形成洪流泄入洼地，很難直接滲入地下轉(zhuǎn)化為地下水。研究區(qū)由南至北可以劃分為一級洼地，東西長3～8 km，南北寬18 km;二級洼地，東西長26 km，南北寬2.5～7 km;三級洼地南北寬5～10 km，東西長50 km;四級洼地為廣闊第四系堆積物，南北寬8～9 km，東西長9 km。其中二級洼地與北部四級洼地通過溝谷連接，且溝谷內(nèi)四季有泉水匯集成河。

2 水文地質(zhì)概念模型

2.1 邊界條件

模型范圍見圖1。模型邊界南部設(shè)定為流量邊界，依據(jù)鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算南部山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給資源量;中部二級洼地東西兩側(cè)為地下水分水嶺，與其它洼地分開，定為隔水邊界;三級洼地西側(cè)為流入邊界;四級洼地東北部為流出邊界;其它基巖與第四系的分界線設(shè)為零流量邊界即隔水邊界。注意到，區(qū)內(nèi)各級洼地出口處出露泉水并回滲補(bǔ)給下游洼地，將以三類邊界處理?？紤]到個(gè)別洼地邊緣有透水不含水層的分布，局部邊界處理依據(jù)水文地質(zhì)資料人為簡化了邊界范圍。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖與模擬區(qū)范圍

2.2 含水層結(jié)構(gòu)

區(qū)內(nèi)第四系洼地沉積了10～150 m粉土、亞砂土、粉土質(zhì)砂礫石、砂卵礫石。洼地中下游含水層厚度較大且絕大部分為單一的砂卵礫石，為地下水的儲(chǔ)存提供了良好空間，形成了單一潛水。但洼地邊緣隨著第四系厚度減薄、地表高程增加，潛水位亦隨著增高，沉積物多為粉土、亞砂土，透水性、儲(chǔ)水性變差，局部由于補(bǔ)給來源不良而形成透水不含水層。由于區(qū)內(nèi)第四系含水層巖性單一，分選不好，且下伏基巖存在基巖風(fēng)化帶，為了刻畫基巖裂隙水與第四系潛水垂向變化趨勢，根據(jù)第四系與基巖特征將該區(qū)分為雙層結(jié)構(gòu)(見圖2)。

2.3 水文地質(zhì)參數(shù)

區(qū)內(nèi)第四系潛水含水層位于山前沖洪積傾斜平原，由于基巖起伏、洪水流量不均及出山口路徑較短等原因，沉積物分選差，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水文地質(zhì)參數(shù)變化較大、分布不均，且在局部沒有規(guī)律性。從第四系潛水與下伏裂隙水構(gòu)成的基本水文地質(zhì)條件出發(fā)，選擇合適的鉆孔數(shù)據(jù)，對比巖性特征，最終確定水平方向滲透系數(shù)在0.12～20 m/d之間，洼地中心部位由于堆積砂礫石層，滲透系數(shù)較大，而向洼地邊緣由于基底起伏，第四系堆積物較薄且顆粒物變細(xì)，滲透系數(shù)反而變小。但是，從垂向上看，含水層中分布有許多弱透水的透鏡體，阻礙地下水的垂向運(yùn)動(dòng)，因此，含水層在宏觀上具有水平方向滲透性強(qiáng)、垂直方向滲透性弱的各向異性特征。垂向滲透系數(shù)為水平方向的1/20。第四系潛水含水層給水度在0.05～0.09之間，基巖裂隙水含水層水平方向滲透系數(shù)在 0.017 ～0.1 m/d之間。

圖2 三維地質(zhì)體結(jié)構(gòu)圖

2.4 地下水補(bǔ)給與排泄

區(qū)內(nèi)降雨量隨著高程的增加而增大，南部高山區(qū)降水豐富，植被良好，有利于地下水的富集、儲(chǔ)存，通過出山口的洪流間接入滲補(bǔ)給一級洼地，同時(shí)山前側(cè)向補(bǔ)給亦為重要補(bǔ)給方式。中部、北部山體降水量減小，植被不佳，不利于地下水的儲(chǔ)存。各級洼地降水量向北逐級降低，且多消耗于蒸發(fā)，對地下水的補(bǔ)給有限，但暴雨形成的洪流補(bǔ)給量不可忽略。三級洼地西側(cè)根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)計(jì)算得到側(cè)向補(bǔ)給資源量，四級洼地東北部為流出邊界，通過斷面計(jì)算得到流出邊界流量。

區(qū)內(nèi)各洼地除四級洼地下游以斷面徑流流出模型外，其它各級洼地下游出口均見泉水出露地表。為真實(shí)刻畫地下水位的抬升以及泉流量在上下游洼地間的補(bǔ)排關(guān)系，將泉以及泉集河用GMS軟件的Drain與Stream模塊刻畫。

圖3 主要泉流量及降雨量變化值(1978－2010年)

3 地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型

3.1 模擬時(shí)段選擇

研究區(qū)地下水人為干擾較少，從多年評價(jià)的角度，選擇完整水文年作為模擬期，以利于地下水均衡分析。選取1977年～2010年作為模型的識別驗(yàn)證期。應(yīng)力期(抽水時(shí)期)以年為單位，則模擬區(qū)各補(bǔ)排項(xiàng)均應(yīng)按年統(tǒng)計(jì)整理。每個(gè)應(yīng)力期內(nèi)包括若干計(jì)算時(shí)間步長，由模型根據(jù)迭代的誤差標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)控制時(shí)間步長。

3.2 模型剖分

進(jìn)行矩形網(wǎng)格剖分，水平方向采用200 m×200 m的網(wǎng)格剖分，有效面積263.5 km2，垂向上分為3層?？倖卧駭?shù)為44 800個(gè)。其中上層含水層活動(dòng)單元格5954個(gè)，下層含水層活動(dòng)單元格6 980個(gè)，其余為非活動(dòng)單元格。

3.5 成本問題 由于國內(nèi)目前3D打印批量生產(chǎn)的效率低，設(shè)備及材料成本高,導(dǎo)致3D打印假肢矯形器成本偏高,終端售價(jià)高,患者接受度低,因此其性價(jià)比有待進(jìn)一步提高。

3.3 地下水位觀測

研究區(qū)內(nèi)共有66個(gè)鉆孔，挑選各級洼地典型鉆孔用于水位擬合和模型的校正。區(qū)內(nèi)地下水位除了南部一級洼地由于人工開采而呈緩慢下降趨勢，其它洼地仍為自然水位波動(dòng)。

3.4 模型泉水刻畫

研究區(qū)多個(gè)洼地下游均有泉水出露，為了真實(shí)刻畫泉水。選擇GMS提供的排水溝Drain模塊來刻畫。但注意到，排水溝模塊的作用是當(dāng)?shù)叵滤桓哂谂潘疁系装鍟r(shí)，地下水流出系統(tǒng)，而地下水位低于底板時(shí)，無流量差。其流出量依據(jù)下式計(jì)算［5］

式中:Q為泉流量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d);A為斷面面積(m2);J為水力坡降;ΔH為水頭損失(m);L為徑流長度(m);C為傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d)。

區(qū)內(nèi)一級洼地、三級洼地泉水均以線狀出露，故利用線性排水溝刻畫，實(shí)測泉流量分別為480 m3/d和680 m3/d。根據(jù)公式輸入模型的數(shù)據(jù)有泉水水頭損失值與傳導(dǎo)系數(shù)值，在實(shí)際計(jì)算中，傳導(dǎo)系數(shù)無法實(shí)測，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值反復(fù)調(diào)試。泉水回滲是下游洼地的補(bǔ)給來源，泉水出露后一般形成溪流，為此在排水溝下游下滲點(diǎn)(線)設(shè)置回滲井，根據(jù)泉水流出量輸入井回灌量。這樣處理的好處是全程控制泉水的流出、回滲量，也便于模型的校正。缺點(diǎn)是使得地下水不連續(xù)，如果計(jì)算溶質(zhì)運(yùn)移，這種方法欠妥。

中部二級洼地下游泉集河在山谷徑流，故使用了溪流(Stream)模塊來刻畫河水。由于泉水流量較大(約1 000 m3/d)，形成的泉集河徑流路徑較長，且泉水出露點(diǎn)相對集中，故溪流模塊可以很好控制泉水出露點(diǎn)和泉集河位置。溪流模型需要輸入的參數(shù)包括傳導(dǎo)系數(shù)、溪流河床的頂?shù)装甯叱?、水位高度、河流寬度以及粗糙系?shù)等。模型的優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)計(jì)算河水與地下水的實(shí)時(shí)補(bǔ)給、排泄，缺點(diǎn)是模塊輸入?yún)?shù)較多，不確定性較大，模型的調(diào)參過于復(fù)雜。

3.5 模型校正

模型校正的原則是:(1)模型計(jì)算水位與觀測水位基本吻合;(2)模型沒有系統(tǒng)誤差，即系統(tǒng)平均誤差接近0;(3)模型計(jì)算流場與實(shí)際流場基本一致;(4)模型內(nèi)水文地質(zhì)參數(shù)能夠反映實(shí)際水文地質(zhì)條件;(5)模型水均衡與實(shí)際地下水資源量相符，即各補(bǔ)排項(xiàng)、各主控?cái)嗝媪髁颗c實(shí)際相符［6］。

4 模型應(yīng)用

4.1 地下水位變化趨勢分析

本次地下水?dāng)?shù)值模擬的模擬期從1978年到2010年，預(yù)報(bào)期從2010年到2050年。根據(jù)調(diào)整的最終模型預(yù)報(bào)水位變幅，預(yù)報(bào)期內(nèi)假設(shè)模型邊界條件及流量不變，蒸發(fā)量不變，降水入滲補(bǔ)給參數(shù)采用多年降水平均值。模擬結(jié)果顯示，一級洼地水位由于人工開采(約1 000 m3/d)而逐年下降，每年漏斗中心下降幅度約0.5 m。可以看出，干旱區(qū)地下水開采量不大，水位下降幅度依然很大，反應(yīng)了西北干旱區(qū)地下水資源匱乏，地下水系統(tǒng)的脆弱性。2010年模擬區(qū)地下水位等值線見圖5。

圖4 地下水位擬合圖

圖5 地下水位等值線圖(2010年)

4.2 地下水資源量評價(jià)

應(yīng)用模型計(jì)算出模擬期2010年地下水均衡結(jié)果(見表1)。由該均衡分析可知，模擬期內(nèi)地下水總補(bǔ)給資源量622.1×104m3，總排泄量 632.4 ×104m3，補(bǔ)排差 －10.3 ×104m3，計(jì)算年為負(fù)均衡。

模擬區(qū)總補(bǔ)給項(xiàng)中，降水入滲量291.3×104m3，占總補(bǔ)給量的 46.8%;側(cè)向補(bǔ)給量為 102.6×104m3，占總補(bǔ)給量的 16.5%。模擬區(qū)總排泄項(xiàng)中，人工開采資源量為47.5×104m3，占總排泄量7.5%;蒸發(fā)排泄量70.9×104m3，占總排泄量的11.2%;側(cè)向流出量為285.7×104m3，占總排泄量的45.2%。

值得注意的是，模擬區(qū)越流量占補(bǔ)排項(xiàng)比例均較大，但并不說明模擬區(qū)地下水由于人為干擾而形成上下層位水力聯(lián)系。概化模型時(shí)，第四系含水層中，各獨(dú)立儲(chǔ)水洼地下游第四系含水層底板標(biāo)高抬高，泉水出露地表，而泉水回滲則進(jìn)入基巖風(fēng)化帶中。即將第四系含水層與泉水回滲補(bǔ)給的基巖裂隙含水層劃分為不同含水系統(tǒng)。由于泉水回滲入基巖裂隙水，徑流到下游儲(chǔ)水洼地后，又將以側(cè)向徑流的形式補(bǔ)給下游第四系含水層，所以越流量在補(bǔ)排項(xiàng)中數(shù)值基本一致。

補(bǔ)給降雨入滲 291.26 59.77% 291.26 46.82%側(cè)向流入量 71.53 14.68% 31.02 23.01% 102.55 16.48%越流補(bǔ)給量 124.52 25.55% 103.77 76.99% 228.29 36.70%小計(jì)487.31 134.79 622.10排泄人工開采 40.15 8.95% 7.30 3.97% 47.45 7.50%蒸發(fā) 70.99 15.84% 70.99 11.23%側(cè)向流出量 233.50 52.07% 52.15 28.35% 285.65 45.17%越流排泄量 103.77 23.14% 124.52 67.68% 228.29 36.10%小計(jì)448.41 183.97 632.38補(bǔ)排差37.32 －48.21 －10.89 38.90 －49.18 －10.28儲(chǔ)變量的變化量

4.3 水流系統(tǒng)分析

為評價(jià)放射性廢物處置場預(yù)選區(qū)安全性，根據(jù)建立的地下水模型計(jì)算出地下水流速、流向(圖6、7)。由于預(yù)選區(qū)位于基巖裂隙的山體中，本次模型將其概化為第四系含水層并以等效連續(xù)介質(zhì)簡化處理。因此主要針對第四系含水層計(jì)算地下水流速、流向。

圖6深色系代表流速較小而淺色系代表流速較大，途中可以反映出各級洼地下游流速較快，洼地連接帶由于水力坡度較大而產(chǎn)生較大流速，而洼地邊緣受補(bǔ)給源減少，流速緩慢。圖7矢量箭頭指示地下水徑流方向。

圖6 地下水流速分區(qū)圖

5 結(jié)論

西北干旱地區(qū)地下水富集多集中在山前沖洪積扇洼地，降水的直接入滲和洪流的間接入滲為主要的補(bǔ)給來源，洼地下游多以泉水排泄地下水。本文對西北某放射性廢物處置場預(yù)選區(qū)區(qū)域地下水流進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過數(shù)值模擬，得到區(qū)域地下水流場，預(yù)報(bào)未來50年的水位變幅影響，一級洼地地下水位每年以0.5 m的速度下降。通過計(jì)算2010年區(qū)域地下水資源總補(bǔ)給資源量622.1×104m3，總排泄量632.4×104m3。最后得到地下水流速、流向。研究區(qū)地下水資源相對匱乏，地下水流速緩慢，地下水匯流于東北部洼地即污染范圍可控，有利于放射性廢物處置的安全。

存在的問題:研究區(qū)位于西北干旱區(qū)，研究程度較低，水文地質(zhì)數(shù)據(jù)多為收集前人資料，而水文地質(zhì)試驗(yàn)由于水資源匱乏，而采用提桶試驗(yàn)或單孔抽水試驗(yàn)，精度不高，在模型建立和檢驗(yàn)過程中不得已采用經(jīng)驗(yàn)值并適當(dāng)調(diào)整。

圖7 地下水流向示意圖

［1］姬亞東，柴學(xué)周，劉其聲等.大區(qū)域地下水流數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及存在問題［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(5):32－37.

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Groundwater Flow Numerical Simulation of Multilevel Basins in Arid Northwest China

SUN Qi，GAO Wei－ chao，CHEN Jian － jie，XIAO Li－ hua
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，Shaanxi)

There are several independent water storage basins of the local groundwater in a preselected radioactive waste disposal site in arid Northwest China. The outlets of the basin discharge the groundwater for spring，then recharge the next basin for infiltration. According to the fluctuation of the aquifer’s base，spring was generalized by DRIAN and STREAM in GMS，and the regional hydrogeological parameters were calibrated against spring flow and the monitoring wells. The model was used to calibrate the current velocities，flow directions，and resources of groundwater. By the modeling，groundwater flow from south to north in the study area，the basins on the northeast is the last evacuation. The velocity of groundwater is slow and the resources amount of water is sparse，which is propitious to radioactive waste disposal.

GMS;numerical modeling;spring;current velocity and flow direction

P641.72

A

1004－1184(2012)01－0038－04

2011－10－14

孫琦(1982－)，男，吉林四平人，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)研究工作。