山東省德州地區地下水流場動態分析

賈 超，李 輝，周曉勇，賈佳佳，徐玉良

山東省德州地區地下水流場動態分析

賈 超，李 輝，周曉勇，賈佳佳，徐玉良

（山東大學土建與水利學院，濟南250000）

地下水的開采對于地面沉降影響較大，尤其是對于一些特定含水層，過量的開采會導致形成地面沉降漏斗，存在一定安全隱患。基于三維非穩定滲流模型，以試點法為計算手段對德州市德城區進行地下水不同含水層滲流流場分析。分析不同開采量條件下特定含水層滲流流場特性，揭示了地下水在特定含水層中的運動規律，可為計算地面沉降問題提供參考依據。

水文地質模型；地下水滲流流動規律；開采量

地下水是我國水資源的重要組成部分，隨著人口的不斷增長和環境惡化，地下水的污染已經變得越來越嚴重［1-2］。德州市位于魯北平原，是天津濱海新區及環渤海經濟圈和省會濟南的重要節點，所以德州市地下水環境的變化一直是人們關注的對象［3-4］。近年來隨著地下水開采量的增大，地面沉降災害日趨嚴重，確切把握區域流場動態變化是控制地下水開采的重要基礎工作。模擬不同含水層地下流場滲流時空分布規律對分析地下水資源的動態規律變化、進而實現對地下水資源的可持續利用及開采不同含水層引起地面沉降的研究具有重要意義［5］。

以三維地下水滲流基礎作為基本理論，建立德州市德城區三維水文地質概念模型，對淺-中層、深層含水層中地下水滲流流場進行模擬分析，研究了不同開采量條件下地下水流場時空分布規律。

1 水文地質概念模型

1.1 模擬范圍及邊界條件

本研究工作區域選為德州市德城區的行政邊界，研究區域面積539km2。地面高程由德州市城區的地形圖確定。淺-中層模擬區域的邊界條件為四周地下水的排補定流量第一類邊界條件，深層模擬區域的邊界條件為第二類邊界條件，并將邊界進行分段，依照達西定律在模擬過程中對流量大小進行調整。

1.2 含水層組概化

本研究區域屬于黃河下游沖積平原的孔隙水水文地質類型，其含水層在空間分布上結構復雜，地下水有明顯的分帶性［6］。根據區域內地層巖性、沉積年代及土的性質等，將地下800m以上的地層分為淺-中層承壓含水組和深層承壓含水組。由于地層之間相互連通的特性，根據德州市德城區的水文地質條件將含水層概化為4層。

1.3 源匯項概化及水文地質參數的選擇

根據德州市工程地質分層資料顯示，表層土為粉質黏土及粉土，局部地區有淤泥質黏土，地下水水位主要受降雨量大小的影響。研究區域深層地下水排泄主要為地下水開采，補給途徑主要為側向徑流與越流補給，側向徑流補給則由邊界條件所確定，越流補給由數值模擬所確定。各個地層水文地質參數如表1。

表1 各個地層水文地質參數取值

2 建立地下水非穩定流模型

2.1 地下水非穩定流的數學模型

在水文地質模型的基礎上建立德州市德城區地下水滲流數學模型［7］：

式中Kxx，Kyy，Kzz為各方向滲透系數；H0（x，y，z，t）為滲流數學模型初始條件；q1（x，y，z，t）為滲流數學模型邊界條件；W為降雨及蒸發等源匯項。

2.2 地下水非穩定流數值模型

2.2.1 淺—中含水層非穩定滲流數值模擬

本研究對于淺—中層含水層選取2011年9月～2013年9月為模擬時段，J1，J2為兩個水位監測點，用來監測地下水位的變化，如圖1。

通過監測點J1，J2的水位變化可以進一步探究第I地層的水位變化規律，如圖2。

圖1 淺—中層地下水初始流場等水位線

圖2 J1，J2水位監測點水位變化規律對比

由兩個監測點的水位變化可以看出，第I地層水位具有季節性，隨季節變化明顯，且總體趨勢恒定，J1監測點地下水水位變化幅度1.48m，J2監測點地下水水位變化幅度1.30m。結論與地下水水位圖的對比一致。

2.2.2 深層含水層非穩定滲流數值模擬

對深層地下水非穩定流滲流模型以2006年10月～2008年9月作為數值滲流的識別期，以2008年10月～2010年9月作為數值滲流模型的檢驗期。研究區域深層地下水流數值模型參數識別將表1中的參數作為模型識別的初值，根據監測點在模型識別期的水位監測資料，采用試點法計算得到的第III、第IV地層水平滲透系數參數如圖3。

圖3 不同地層水平滲透系數反演參數場

兩個地層貯水系數反演結果分別為0.006，0.005。為檢驗數值模型計算得到地下水滲流流場與實際流場是否一致，選取地下水水位監測點監測資料與數值模型計算結果進行對比檢驗如圖4。

圖4 監測井地下水動態檢驗結果

在地下水水位動態檢驗過程中，水位監測值與計算值之間的差值較小，計算結果可以反映出監測水位的變化趨勢，擬合效果較好。

3 不同開采量深層地下水滲流流場規律

在現開采量條件下德州市德城區深層含水層地下水滲流流場分布基礎上，開展研究區域地下流場隨開采量的變化預測至2020年。德城區深層地下水開采量統計表如表2，年份與開采量擬合曲線為y=-80.169x+164304（將2008年剔除）。將用此公式預測得到的2013～2020年開采量作為預測現狀開采量，可以得出2020年現狀開采量2362.62萬m3。通過對比不同工況下的地下水水位分布，探究開采量對深層地下水流場時空分布規律的影響。開采量工況設置如表3，各開采量工況下不同地層漏斗中心水位變化曲線如圖5。

表2 德城區深層地下水開采量統計

表3 不同方案的開采量

圖5 各開采量工況下不同地層漏斗中心水位變化曲線

4 結語

（1）以德州市德城區埋深800m的地下水做為本次的研究對象，建立地下水非穩定滲流流場數值模型。德城區淺層地下水水位變化受降水和蒸發等影響比較大，水位隨著季節變化波動較大；而深層地下水的水位受開采量控制，并且在現開采量條件下水位將持續下降。

（2）對于第III地層，開采量減少30%時漏斗中心的水位降低顯著減小，開采量減少50%時地下水漏斗中心水位2020年與2010年基本持平；對于第IV地層，開采量減少10%時出現漏斗中心水位降低幅度減小的趨勢，當開采量減少30%時，地下水漏斗中心水位2020年與2010年基本持平，當開采量減少超過30%時，漏斗中心水位逐漸回升。因此降低深層地下水得開采量對于控制深層地下水漏斗的發展，控制地面的沉降災害具有非常顯著的作用。

［1］張壽全.中國的水環境與水資源可持續利用若干問題［J］.工程地質報，1999，7（3）：250-256.

［2］匡耀求.中國水資源利用與水環境保護研究的若干問題［J］.中國人口·資源與環境，2013，23（4）：29-33.

［3］張永偉.華北平原德州地面沉降成生機理、監測預警與可控性研究［D］.濟南：山東大學，2014.

［4］蔡文曉.德州市深層地下水開采與地面沉降關系研究［D］.長春：吉林大學，2009.

［5］馮娟.德州市深層地下水動態變化與模擬研究［D］.青島：青島大學，2008.

［6］馮娟.開采條件下德州地區地下水水質演化研究［D］.青島：中國海洋大學，2011.

［7］Ma X Y，Li S G，Zhu W S．A new method in groundwater flow modeling［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser B），2009，21（2）：245-254.

Dynamic analysis of groundwater flow in Dezhou area of Shandong Province

JIA Chao，LI Hui，ZHOU Xiao-yong，JIA Jia-jia，XU Yu-liang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

The exploitation of groundwater has great influence on the ground settlement，especially for some specific aquifer，the excessive mining will lead to the formation of subsidence funnel with some security risks.To solve the above problems based on the three-dimensional unsteady seepage model，the pilot method for the calculation means of groundwater of Dezhou City，different aquifer seepage flow field analysis.The analysis of the characteristics of the seepage flow field of the specific aquifer under different mining conditions reveals the movement law of the groundwater in the specific aquifer，which can provide reference for the calculation of the ground subsidence.

hydrological geology model；groundwater seepage flow；pilot method；exploitation amount

TV222

B

1672-9900（2016）04-0028-03

2016-05-04

賈超（1976-），男（漢族），江蘇徐州人，教授，主要從事水利工程、巖土工程及工程地質方面的研究工作，（Tel）15098760969。