巖溶山區(qū)泉流量對降雨響應規(guī)律模擬研究

胡雨柔,康小兵,張 璐,孫 昊,劉 玲,陳舟浩宇

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

巖溶地下水是人類重要的水源,全球約有20%~25%的人口依靠巖溶地下水作為飲用水源[1].由于巖溶含水系統(tǒng)的高度非均質(zhì)性和各向異性,其水動力循環(huán)過程非常復雜,通過分析降雨泉流量響應規(guī)律獲得巖溶含水系統(tǒng)的水動力循環(huán)特征[2].碳酸鹽巖分布區(qū)的水循環(huán)運移與巖溶發(fā)育及其結構密切相關[3],在巖溶地下水資源開發(fā)利用時不需要獲得準確的管道幾何特征,可以運用模擬技術,探究巖溶山區(qū)降雨泉流量響應特征,為水資源管理和保護、流域生態(tài)環(huán)境綜合治理、安全供水提供重要保證[4].

本文對山西某巖溶泉水文地質(zhì)條件進行概化,通過改變降雨強度、觀測泉流量的變化研究兩者的變化關系,利用所得數(shù)據(jù)在MODFLOW軟件中進行模擬驗證,獲取兩者的相關性.

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

該泉所在巖溶地下水補給系統(tǒng)來源主要有3部分,一是在汾河以北接受降水補給,賦存于灰?guī)r中,流向東南,越過汾河,由潛水轉變?yōu)槌袎核?二是由汾河滲漏補給;三是泉域附近的含水層直接接受大氣降水的入滲補給.該泉域的天然集中排泄點所處的晉祠-冶峪斷裂帶呈NNE向,由3條斷層組成,自西向東形成階梯狀斷階.斷裂西側出露有奧陶系(O)石灰?guī)r,僅在山包頂部有石炭 (C)~二疊系(P)蓋層,這表明奧陶系巖溶含水層在晉祠一帶埋藏較淺;斷裂東側為第四系 (Q)松散層,巖溶地下水向東遇到粘土巖類阻擋而沿斷裂上升溢出地表形成泉水,為典型的山前斷裂溢流泉[5].巖溶泉形成模式示意見圖1.

2 物理模擬

2.1 模型建立

通過分析該巖溶泉水文資料,研究降雨對承壓水的補給,觀察泉流量的變化,得出降雨量與泉流量的相關曲線,討論其響應關系.

圖1 山西某巖溶泉形成模式示意

試驗所假設的水文地質(zhì)模型為一傾斜的均質(zhì)石英砂承壓含水層,均質(zhì)等厚且各向同性,承壓水地質(zhì)模型見圖2.降雨裝置模擬區(qū)域的大氣降水,通過調(diào)整穩(wěn)水箱的高度模擬泉域內(nèi)汾河水位,用承壓水演示儀中的斷層上升泉模擬集中排泄點.按照建立好的模型,安裝承壓水演示儀.

圖2 承壓水地質(zhì)模型

2.2 試驗過程、現(xiàn)象及結果分析

通過控制降雨裝置水流的大小改變降雨強度,在規(guī)定的基準面下,調(diào)整好穩(wěn)水箱高度以使蓄水槽保持一定水位.第1組實驗完成后,待蓄水槽水位降至基準面再進行第2組實驗,試驗數(shù)據(jù)見表1.

表1 降雨量與泉流量試驗數(shù)據(jù)

本文以最后1次降雨過程為例進行研究.從降雨開始到停止補給,記錄泉流量的變化值,得出泉流量隨時間變化的關系曲線,見圖3.從圖3可以看出,泉流量受降雨強度控制呈現(xiàn)先增大、后逐步衰減的變化過程.

圖3 泉流量隨時間的變化

經(jīng)過多次試驗得到泉流量對降雨強度的響應關系曲線,見圖4.從圖4可以可知,在巖溶水文地質(zhì)條件概化基礎上,僅考慮本區(qū)大氣降雨補給因素時,泉流量隨降雨強度的增大而增大,兩者呈正線性相關關系 (y=12.579x+3.1089),且相關性較好,R2=0.988 2.

圖4 泉流量對降雨強度的響應

3 數(shù)值模型

3.1 模型建立

用MODFLOW建立數(shù)值模型時遵循相似原則,各項參數(shù)與物理模型保持1∶1比例賦值.模型空間剖分為3層、8行20列,并將補給區(qū)與排泄區(qū)網(wǎng)格進行細分.三維立體模型見圖5.補給區(qū)位于模型最上端,與物理實驗的補給水箱對應,用MODFLOW中的排水溝模塊模擬巖溶泉,排水溝設置于模型尾端,標高為0.3 m,防滲墻模擬物理實驗中的斷層,使承壓水作為斷層上升泉溢出.

圖5 三維立體模型

3.2 模擬結果分析

模型參數(shù)輸入包括滲透系數(shù)、導水系數(shù)等,模型中的滲透系數(shù)K根據(jù)物理實驗測得,每層賦值為0.000 8 m/s,導水系數(shù)C賦值為0.662 4 m2/h,模型的補給為降雨補給.在補給區(qū)按歷時分為5段輸入不同的降雨強度值 (見表2).模型運行后輸出排水溝的值,即為泉流量.根據(jù)水均衡計算可得出泉域內(nèi)地下水流入流出量以及不同時間步長的變化情況 (見圖6).由圖6可知,在不同時刻,由于補給量的不同,泉流量也隨之發(fā)生變化,兩者呈線性相關.

表2 不同歷時的降雨強度

4 結 論

圖6 泉流量與降雨量的關系

本文將物理模擬與數(shù)值模擬方法相結合,研究了巖溶山區(qū)泉流量對降雨的響應關系.在物理模擬中通過對不同降雨量條件下泉流量的數(shù)據(jù)擬合,直觀地體現(xiàn)了在含水層為均質(zhì)各向同性的條件下兩者的線性關系.結合MODLOW軟件,模擬泉流量與降雨強度的動態(tài)變化,得出與物理模擬相對應的響應關系圖,也反映了兩者之間為線性關系,且存在一定的時間滯后.由于受試驗條件的限制,不能準確地模擬研究區(qū)域的地質(zhì)條件,僅能反映出研究區(qū)的泉流量與降雨之間的總體規(guī)律,而不能準確求出兩者間的響應關系.

[1] 楊平恒,袁道先,袁文昊,等.以PCA揭示降雨期間巖溶地下水文地球化學的形成[J].科學通報,2010,55(9):788-797.

[2] 劉麗紅,束龍倉,魯程鵬.基于管道流模型的巖溶含水系統(tǒng)降雨泉流量響應規(guī)律-以貴州后寨典型小流域為例[J].吉林大學學報:地球科學版,2010,40(5):1083-1089.

[3] 唐健生,夏日元,鄒勝章,等.新疆南天山巖溶系統(tǒng)介質(zhì)結構特征及其水文地質(zhì)效應[J].吉林大學學報:地球科學版,2005,35(4):481-486.

[4] 梁厚學,梁顏紅.利用巖溶泉作供水水源分析[J].人民長江,2007,5(5):99-100.

[5] 黃皓莉.晉祠泉斷流與地下水資源保護關系[J].中國煤田地質(zhì),2003,4(2):26-28.