巖溶地下水數值模擬在水資源評價中的應用
--以樟市鎮規劃水源地為例

■王松

（廣東省水文地質大隊 廣東廣州 510510）

巖溶地下水數值模擬在水資源評價中的應用
--以樟市鎮規劃水源地為例

■王松

（廣東省水文地質大隊 廣東廣州 510510）

雖然地下水數值模擬方法研究及其應用已有50多年的歷史，但是強巖溶化含水介質地下水的定量研究仍然存在許多有待進一步研究的問題。本次研究基于巖溶水的基本特征，采用了以控制性鉆孔為主，多源數據自動地層建模、曲面建模方法，構建了基于研究區地質條件的水文地質三維結構模型、地下水三維數值模擬模型，對研究區地下水進行數值模擬研究。模擬結果顯示樟市鎮規劃水源地天然資源量為2986.3萬m3/a，與地下徑流模數法計算排泄量所得天然資源量2979.74萬m3/a相吻合。

數值模擬資源評價巖溶地下水

巖溶含水層介質發育不均一性導致巖溶水系統的地下水運動規律與孔隙水、中小裂隙含水介質存在天壤之別。選擇盡可能真實刻畫巖溶地下水流態的方程對巖溶地下水的模擬至關重要。本次研究基于巖溶水的基本特征，采用三重介質模型對研究區規劃水源地地下水進行數值模擬研究。

1 研究區概況

樟市鎮規劃水源地位于韶關市曲江區樟市鎮，大致以樟市鎮為中心，整體呈東闊西窄的喇叭形沿EW向展布，富水區面積56.02km2，匯水面積311.61km2（圖1）。

水源地位于大東山巖體SE側與黃思腦北西的NE端，為構造溶蝕--堆積盆地，盆地面積約160km2，地面高程50~70m，為區域構造轉折部位。盆地北、西、南三面環山，巖性以侏羅紀花崗巖和泥盆系桂頭群楊溪組碎屑巖為主，東緣為石炭系測水組碎屑巖所圍，構成半封閉型貯水構造盆地。羅坑河自西向東流經盆地于亞婆洲匯入北江，枯季流量90L/s。

盆地上覆第四系厚7.15~35.30m，含孔隙水，水量貧乏~中等，盆地下伏泥盆系天子嶺組及石炭系石磴子組灰巖。灰巖含裂隙溶洞水，水量豐富，溶洞發育。

圖1 樟市鎮規劃水源地水文地質略圖

該水源地除接受大氣降雨入滲補給外，還接受地表水和周邊巖溶水、基巖裂隙水的側向補給。地下水由北西南東、南分流，巖層多向盆地傾斜，形成了良好的匯水條件，地下水主要以泉的形式于河谷兩岸排泄。

水源地地處山區，目前該區地下水主要用于農業灌溉，少部分作為生活飲用，利用率不足5%，開發潛力巨大。

2 數值模型建立

2.1 地下水模擬基本理論方法

巖溶地下水處于孔隙-裂隙-巖溶管道三重空隙介質中，運動過程屬不同流態，故其滲透系數的表達式也不相同。為建立三重空隙介質地下水流統一的控制方程，本研究引用陳崇希教授提出的折算滲透系數KL的概念[1]、[2]、[3]，將紊流態的水流如同層流態一樣，其流動規律在形式上用線性定律表示：V=KLJ

式中：V為滲透系數（LT-1）；J為水力坡度（無量綱）；KL為折算滲透系數（LT-1）。當地下水屬于紊流流態（非達西流）時，KL隨雷諾系數Re而變化KL=KL（Re）；若地下水呈層流流態，則KL與Re無關，且KL=K（K為達西流態下的滲透系數）。于是，可采用類似地下水達西流動控制方程的形式來建立達西-非達西流的控制方程：

引入折算滲透系數KL概念后，可將不同分區流態采用一個統一的流動規律來表示。從而，使巖溶管道水流與孔隙、微裂隙水流耦合起來。

有了上述關于巖溶管道折算系數的處理方法，對于裂隙中非達西流的處理可以采用類似的方法。根據Bear、陳崇希等人的理論[4]、[5]，采用相應的軟件，建立樟市規劃水源地三維地質模型及地下水動態模擬。

2.2 含水層三維結構模型

根據樟市鎮規劃水源地現有開采井的布設、水源區的地下水補排條件、周邊地下水源地的分布及水文地質條件等，劃定本次模擬范圍為東臨北江與烏石、大坑口隔河相望，南鄰英德市沙口鎮，西聯羅坑鎮，北接白土鎮。

通過鉆孔信息、地層信息、剖面信息來建立鉆孔數據庫管理，利用REIMS軟件來建立三維地質模型。將研究區的鉆孔數據通過boreholes模塊導入，研究區的邊界數據通過 GIS模塊導入后再轉換成map模塊的數據或通過map模塊直接生成。鉆孔數據模型，通過鉆孔巖性相同自動相互連接，并自動插值來形成地質實體實現地質實體建模。

2.3 邊界條件概化

側向邊界：根據研究區邊界的水文地質條件和各觀測井的地下水觀測資料，通過水流分析將側向邊界概化為定水頭邊界與定流量邊界兩種。其中沿北江的邊界概化為定水頭邊界，其他邊界為定流量邊界。

垂向邊界：上部邊界為潛水面，是不斷變化的水量交換邊界，有降水入滲、蒸發和灌溉等；下部邊界為石炭系灰巖地板，概化為隔水邊界。

圖2 樟市鎮規劃水源地三維地質結構模型

2.4 含水層介質的概化

松散巖類孔隙含水介質中，空隙分布較連續均勻，其中賦存運移的地下水流具有統一水力聯系，水量分布亦較均勻。而數值模擬很夠很好的刻畫三維連續孔隙介質，因此模擬結果比較精確。但是巖溶化巖體空隙的高度各向異性和不均勻性導致數值模擬對巖溶含水介質的模擬精度不高。此時，必須對巖溶體做出合理概化，使得概化的地質體和實際地質體在巖溶分布和結構特征方面大致能夠吻合，做出的模擬結果才能符合實際。本次研究將樟市水源地劃分為上部厚度起伏較大的含松散介質孔隙水的潛水層和下部厚度較均勻的基巖裂隙水的承壓含水層。

2.5 水文地質參數分區

根據含水層的埋藏條件及降水入滲能力，將研究區含水層分為3個參數區：I區為第四系平原區域；II區為非巖溶區域；III區為巖溶區和花崗巖區。各參數分區滲透系數初值主要根據區內抽水試驗計算成果通過換算確定，給水度及降水入滲系數取當地經驗值。巖溶區的巖溶率則根據樟市巖溶盆地鉆孔調查數據來計算線巖溶率和面巖溶率。其他需要確定的參數主要有：源匯項、河流滲入補給量、地下水側向補給量、大氣降水入滲補給強度和地下水開采量，其中地下水開采量取樟市水源地的實際開采量和其他開采量（包括農村生活用水、農業灌溉和工業自備井）。

圖3 樟市鎮規劃水源地參數分區圖

圖4 樟市鎮規劃水源地第2含水層地下水水流場圖

3 模擬結果

此次模型預測是在不改變率定好的模型的邊界條件，參數，只更改開采量與降水入滲量的情況下，重新運行模型，模型運行結果即為預測結果。

根據樟市鎮規劃水源地建立的地下水流模型所計算的資源量和其他方法計算資源量的結果如表1。

表1 樟市鎮規劃水源地資源量計算結果表

運用數值模擬法得出樟市鎮規劃水源地天然資源量為2986.3萬m3/a，開采量為1934.32萬m3/a，靜儲存量為萬m3，調節儲存量為10986.8萬m3。運用降水入滲法計算補給量得出的天然資源量為7632.86萬m3/a，運用徑流模數法計算排泄量得出的天然資源量為2979.74萬m3/a。

4 水資源計算結果分析

從表1對比分析，數值法和地下徑流模數法的計算結果很接近，與大氣降水入滲法的結果相差較大。數值法和地下水徑流模數法計算天然資源量結果與大氣降水入滲法計算的結果相差很大。主要原因為樟市鎮規劃水源地為構造溶蝕--堆積盆地，北、西、南三面環山，富水區面積較小，因此很難精確的取得大氣降水入滲系數。大氣降水入滲后部份遺留含水層中未全部排泄，導致大氣降水入滲法計算的結果偏大。而數值法是通過對樟鎮市規劃水源地建立三維地下水流模型來求解的，其中樟市規劃水源地三維地質結構模型真實的反映了樟市地質實況，在充分利用已有資料的基礎上，結合本區以往工作經驗，合理的進行參數分區和參數賦值，樟市三維地下水流模型的地下水場及地下水總體流向大體趨勢由西及西南巖溶山地向東南第四系松散盆地流，最終匯入北江與樟市巖溶盆地實際情況相符，同時樟市觀測孔模擬水位和實際水位也相吻合。因此，數值法計算的結果比較合理，對該水源地規劃建設、開采具有較大的指導作用。

[1]陳崇希等,地下水不穩定混合抽水的滲流-管流耦合模型機其應用,科學技術研究報告 （88172K051） [R].1998.6.

[2]成建梅，陳崇希廣西北山巖溶管道-裂隙-孔隙地下水數值模擬初探 [J].水文地質工程地質 (4期),1998:50~54.

[3]陳崇希巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質地下水流機模擬方法研究 [J].地球科學, Vol 20，No.4，1995.

[4]Bear著，李競生，陳崇希譯，多孔介質流動動力學 [M].中國建筑工業出版社，北京.1983:125~127.

[5]陳崇希，唐仲華.地下水流動問題數值方法 [M].中國地質大學出版社，武漢，1990.

TV211.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-367-2