松散介質型地下水庫地下水系統特征與庫容計算分析探討

范 堯, 黃 旭, 陸海玉, 鄧繼昌

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

松散介質型地下水庫地下水系統特征與庫容計算分析探討

范 堯, 黃 旭, 陸海玉, 鄧繼昌

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

以兩城河地下水庫為例詳細評價松散介質型地下水庫的基本地質條件、建庫條件以及地下水庫地下水系統特征,探討地下水庫庫容計算方法,首次在松散介質型地下水庫工程建設項目中引入三維模型體積法與數值法相互驗證、同步計算庫容,其方法應用簡單、科學、實用,結果可信度高,在相關類似地下水庫的建設中應用前景非常廣闊。

地下水庫;蓄水構造;地下水庫庫容;計算分析;GMS

地下水庫是利用一定地質條件下含水層介質空間的儲水能力及其調蓄能力來實現儲蓄水功能的,其可以有效解決一個地區的水資源短缺[1]。利用地下水庫調蓄水資源在技術上可行,經濟上合理[2],同時也能防止海水入侵,以及在防洪、抗旱中發揮巨大的調節作用[3]。本文以日照兩城河地下水庫為例,對松散介質型地下水庫成庫地質條件、蓄水構造特點以及庫容計算進行初步分析與探討。

1 兩城河地下水庫成庫條件分析

開發地下水庫,必須具有如下條件:第一,具備儲存地下水的空間,而且具有能有效開采或補給地下水的透水性地層;第二,在透水性地層周圍和下部有相對隔水地層,不會產生地下水外滲;第三,有充足的補給水源(當地下水天然補給量少時,可采用人工補給);第四,地下儲水空間具有一定的調蓄能力。根據國內外地下水庫建設的工程實踐,可將地下水庫從工程形式上劃分為兩類:有壩地下水庫和無壩地下水庫。兩城河在河道下游近入海口處修建地下攔蓄壩截斷礫質粗砂層透水層,形成儲存地下水的空間,為有壩地下水庫,同時在其地表新建橡膠壩,可有充足的補給水源。

1.1 地質條件

水庫區內地形簡單,主要為河谷型小平原,地形總的趨勢是西部高,東部低。庫區內基巖主要為新元古代晉寧期玲瓏超單元云山單元二長花崗巖,塊狀構造。第四系松散堆積物主要為沖洪積相的黏土、壤土、粗砂、礫質粗砂等,分布在山前、河流兩側及河床、河漫灘處(見圖1),沉積范圍與厚度由河間地塊中間部位向兩側逐漸變小,中間區域呈現以厚層的礫質粗砂為主的沉積特點,為地下水庫提供了優良的含水層儲水、導水結構空間。水庫區未見有斷層發育。

1.2 地下水庫范圍

依據研究區位置及區域地質概況分析,兩城河地下水庫地下攔蓄壩走向為泉子溝村南—東河南村西/北側—現有橡膠壩—安家嶺村南側—安家嶺村西側,由南至北全斷面截滲礫質粗砂層。其庫區范圍如下:上游至兩城河、蘆溝河交叉河口處,下游至東河南村—安家嶺村一帶,左岸至安門莊村—安家嶺村一帶,右岸以兩城河—泉子溝村為界,庫區面積為12.3 km2。位置詳見圖1。

通過對兩城河地下水庫區地質條件的分析,結合圖2可知:西部基底高程及地形起伏較大,受地表分水嶺控制,庫區范圍內地表接受兩城河流域、金銀河流域的匯水補給,金銀河河口處地形為一埡口,其地下水受補給源高水位控制流向庫區范圍內;庫區西南主要為基巖山區,為隔水邊界。西北部地勢相對庫區較高,兩城河地表水及其地下水均流向庫區范圍內。北部地區基底高程以及地形相對庫區較高,地表水、地下水均流向庫區方向。在東部地區基底高程及地形地勢較低,主要為地下水、地表河水的流出邊界。上邊界為淺水面,接受大氣降水、夜間凝結水,同時也存在蒸發排泄的作用。庫區基底巖性為二長花崗巖,由于含水層地下水流屬于裂隙介質流,水動力以水平流為主,因此庫區基底二長花崗巖可當作隔水地質體處理。庫區下游為地下攔蓄壩邊界,攔蓄兩城河地下水庫區河水及地下水向下游排泄。

圖1 地下水庫庫區地質略圖Fig.1 Special geological sketch of groundwater reservoir

圖2 地下水庫庫區基底3D示意圖Fig.2 3D schematic diagram of bottom bedrock of groundwater reservoir

綜合以上分析,根據地形地貌、地質及基底巖性特征、構造等確定兩城河地下水庫是一座沿河沖積平原型地下水庫,在水庫區下游興建地下攔蓄壩后可減少水庫區下游地下徑流排泄量,同時又能起到攔蓄水源的作用,使其成為一個相對獨立的水文地質單元,水庫區基本不存在庫周滲漏問題,地下水庫具有良好成庫條件。

2 地下水庫地下水系統特征分析

兩城河地下水庫地下水系統包括地下水含水層系統和地下水流系統兩部分。地下水含水層系統主要界定介質特征,是地下水庫蓄水結構的基本條件。地下水流系統主要用于界定地下水的補給、排泄和滲流場的統一性。

2.1 地下水流系統

本研究區首先考慮兩城河沖積平原的宏觀構造格局和地貌特征,在此基礎上進一步分析區域水流系統的分布特征,進行地下水系統劃分。兩城河地下水庫地下水流系統主要接受庫區大氣降雨、兩城河河水及其地下潛流的補給,地下水基本自北西向南東徑流,在安家嶺村地帶徑流條件變差,局部接受海(咸)水補給;在南部泉子溝村與東河南村一帶受人工開采地下水影響,地下水天然流程也發生改變,導致海(咸)水入侵,兩城河地下水庫地下水流系統水動力場見圖3。

2.1.1 補給條件

兩城河地下水庫潛水主要受大氣降水和側向徑流補給,在河流兩岸接受河流的側向補給,在山前沖洪積平原區還接受大量上游區地下水徑流補給。承壓水主要接受兩城河上游沖積砂層側向徑流補給。

圖3 地下水庫地下水動力場圖Fig.3 Hydrodynamic field of groundwater reservoir1.地表河水流向;2.地下水流向;3.地下水水位等值線;4.工作區范圍線。

本區地表多砂性土,透水性強,故降水對地下水影響較大較迅速,一般雨后2—3 d水位即發生變化,大氣降水成為該區淺層地下水的主要補給源之一。從西北部至東南部濱海沖積平原地勢逐漸降低,其潛水—微承壓水含水層埋深也隨地勢由北向南逐漸加深,主要含水層顆粒較粗。

2.1.2 徑流與排泄

庫區內潛水、承壓水徑流方向總體趨勢由西北流向東南,排泄方式以側向徑流排泄、人工開采為主,其次為天然蒸發。受人為過量開采地下水影響,局部地區已經形成開采漏斗。

2.2 地下水含水層系統

2.2.1 含水層系統的劃分

兩城河地下水庫地下水在埋藏條件和含水介質的控制下,含水層的水力特征在空間上表現出明顯的差異性。依據地下水庫第四紀地層沉積特征,劃分第四系地下水含水層組。

(1) 研究區內分布廣泛、穩定、連續、厚度較大的礫質粗砂層,作為第四系含水層組的標志層,使地下水庫含水層組的劃分地質依據充分。

(2) 淺層水由于埋藏淺,可以直接接受降水、地表水等的補給,地下水循環交替強烈。承壓水由于埋藏相對較深,并由相對隔水層或弱透水層覆壓,不能直接接受降水、地表水等的補給。

(3) 兩城河地下水庫庫區現狀生活、生產用水主要為開采淺層潛水—半承壓水和埋藏于黏土層之下的承壓水。

綜合以上因素,兩城河地下水庫主要含水層為第四系中粗砂、礫質粗砂層,該層是本次工作的主要目的含水層。基巖裂隙含水層,分布范圍和補給能力有限,不作重點研究。在分析含水層沉積環境和沉積物空間分布特征的基礎上,依據研究區內黏性土層的分布范圍,將兩城河地下水庫區內的第四系含水層劃分為單一結構含水層系統和雙層結構含水層系統。

單一結構含水層系統主要分布于紅旗村西北側兩城河與蘆溝河河間地塊,垂向由上到下巖性為壤土(厚度3～5 m)、礫質粗砂局部為中粗砂(厚度8～12 m),下部基底主要為晉寧期玲瓏超單元云山單元二長花崗巖。在與下游沖積平原區含水層交接相互連通,在兩城河與蘆溝河一帶與地表河水水動力條件聯系緊密,無穩定連續的隔水層,上下水力聯系好,構成單一結構含水層,該層空間結構見圖4。雙層結構含水層在庫區內廣泛分布,分布于張王莊村及其東部、安家村及其北部大部分地區。其上部為潛水,含水層巖性為中粗砂,中部分布著一層厚度約2～9 m的粘性土層,構成了含水層隔水層,其下部礫質粗砂層為承壓含水層,形成了雙層結構含水層,空間結構分布見圖4。

礫質粗砂含水層由庫區南北兩側向庫區中間變厚,總體厚度2～13 m,庫區西南側為基巖山包,庫區北側基巖面高程-2～-6 m,庫區北西側兩城河上游方向基巖面抬升至0～-2 m,庫區下游側兩城河近海方向基巖面高程-11～-12 m,庫區基底基巖面總體起伏狀態是由南北兩側逐漸向中間河道部位下切變深,由上游向下游方向基巖面變深。其中在張王莊南側、泉子溝村北側基巖面最深。

2.2.2 黏性土層空間分布特征

通過鉆探工程和水文地質調查,借助三維建模軟件繪制了兩城河地下水庫平原地質結構空間立體圖,見圖4-B。兩城河地區黏性土以黏土為主,為弱透水層或者隔水層,局部連續、巨厚、穩定分布的隔水層(黏土層)對保護承壓含水層起到了極其重要的作用。

圖4 地下水庫含水層空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of aquifer of groundwater reservoir1.礫質粗砂層;2.黏土層;3.中粗砂層;4.細砂層;5.壤土層。

2.2.3 含水層水力聯系

單一結構含水層系統下部與承壓含水層系統直接接觸,上部通過兩城河與下游沖積平原區淺層含水層系統相連。因此,兩城河上游單一結構潛水是淺層含水層系統和承壓含水層系統的共同補給源。單一結構含水層接受來自兩城河與小北河的地表水源和地下水補給,然后分別以側向徑流的形式補給淺層含水層系統和承壓含水層系統。

雙層結構含水層系統中,淺層含水層系統和承壓含水層系統之間的水力聯系主要是通過含水層“天窗”來實現。黏土層同時受兩城河和蘆溝河沖積環境影響,周邊黏土層厚度變小,且局部含有砂礫石層。在黏土層沉積過程中,不可避免地要受到河流入湖洪(河)水的影響,包括對黏土的沖刷及堆積粗顆粒物質。從圖4中黏土層厚度分布可以看出,在黏土層邊界附近有幾個厚度異常帶,一個是兩城河河道附近,一個是蘆溝河河道附近。這些異常地段正好與河谷在位置上相對應,反應了黏土沉積過程中受到山區洪水和河水入海環境的影響。一方面沖刷已經沉積的黏土層使其變薄,另一方面沉積它們所攜帶的砂礫石。局部黏土層尖滅或缺失的地段,是可滲透性比較好的地段。特別是厚度異常地段內,黏土層厚度小,砂礫石含量大,是最有利于補給地下水的通道。

3 地下水庫的調節作用與庫容計算分析

3.1 地下水庫調節原理

兩城河地區降水量在時間分配上極不均勻,豐水年份和汛期很大一部分地表水作為棄水而得不到利用;在干旱年份和枯水季節,河川徑流量銳減,區域地下水位下降明顯,詳見圖5所示。如果利用地下含水層作為地下水庫,聯合調度在當地或附近入滲的大氣降水和地表水,就可以將轉化的攔蓄地下水資源就地在當年或下一個水文年內加以利用[4]。只要使地下水位控制在合理的埋深深度內,既不使水位過淺而造成土壤次生鹽堿化,也不使水位過深而造成地下水位持續下降、無法恢復,就可以得到以利用地下水庫調節作用為主的水資源,該調節過程是水資源優化配置的重要途徑[5]。

為了說明聯合調度是怎樣根據地下水和地表水的動態特征并利用含水層空間起調節作用調動的,現將結合圖5、圖6闡述其基本原理[6]。圖5顯示兩城河地表徑流量具有明顯的季節性特點,圖6示意地表河水隨著時間季節性動態變化大,而地下水徑流量相對較穩定。地下水徑流量出現的高峰期比地表河水徑流量的高峰期滯后,這給兩者的聯合調度提供了時間和空間的有利條件。

這種聯合調度的方法是在枯水季節地表水供水不足的情況下,適量開采地下水,豐水季節進行地下水人工補給和恢復采補失衡[7],一方面滿足需水量,另一方面騰出含水層的儲水空間。總之,通過聯合調度,提高了供水保證程度,增加了可利用水資源量。如果含水層的調蓄空間足夠大,可起到多年調節的作用,則聯合調度的效益會更好[8]。

圖5 典型水文年中兩城河(金銀河河口下游)徑流量過程特征示意圖Fig.5 Schematic diagram of typical water year runoff process of the Liangcheng river(Jinyin River estuary downstream)

圖6 兩城河地下水庫完整水文年中地表河流徑流量和地下水徑流過程特征示意圖Fig.6 Schematic diagram of surface river runoff and groundwater runoff process in complete hydrological year of groundwater reservoir in Liangcheng river

3.2 地下水庫庫容量估算

由于在一定區域內,滲透系數、給水度、彌散度等水文地質參數的分布具有很大不確定性[9],地下水庫庫容計算需進行地質概化處理,可以通過特征水位來刻畫。它包括最大庫容、最小庫容以及作為二者差值的最大調蓄庫容。最大庫容是地下水位最小埋深與隔水底板之間賦水介質的重力疏干和彈性釋水空間,表征地下水庫的最大蓄水能力。最小庫容是地下水位最大埋深與隔水底板之間賦水介質的重力疏干和彈性釋水空間,表征地下水庫的最小蓄水能力。最大調蓄庫容為最大庫容與最小庫容之差,表征地下水庫的最大調蓄空間,詳見圖7。

地下水庫的最大調蓄庫容受含水層的儲水性、含水層的厚度以及環境地質條件制約。環境地質條件的制約主要是當地下水位小于或大于某一埋深,將引起地質環境惡化,造成不良的環境地質問題以及社會問題,這類埋深就是通常指的環境地質約束,即地下水位的最小埋深和最大埋深。

圖7 地下水庫特征庫容計算示意圖Fig.7 Schematic diagram of calculation capacity of groundwater reservoir

3.2.1 地下水庫庫水位分析

兩城河地下水庫主要含水層為礫質粗砂層,其上覆一定厚度、一定面積的黏土,使其在庫區內大范圍以承壓水賦存在含水層中。承壓含水層中水資源人工調蓄的速度和效率比潛水含水層要緩慢,其調控的主要目的有二個:一是控制或改善由于地下水過量開采所造成的環境地質問題,防范可能的新環境地質問題產生;二是增強或恢復含水層的供水能力,或進行水資源的地下儲備。由于含水層的埋藏條件以及調控運用的目的不同,應結合以下方面來確定承壓含水層地下水埋深的控制標準[10]。

(1) 承壓含水層最低水位的確定。如果測壓水位低于承壓含水層頂板,承壓含水層將轉變為無壓含水層,水文地球化學環境由封閉狀態轉向開啟狀態,含水層釋水機理由彈性釋水變為重力釋水,這些變化不但將導致地下水開采井的單位涌水量急劇降低,還可能導致地下水水質發生突變。因此,承壓含水層水資源人工調蓄的最低水位可以考慮將其限定在承壓含水層隔水頂板。

(2) 正常蓄水位的確定標準。正常蓄水位的確定一方面要考慮盡量提高蓄水效益,另一方面還要防范地下水位過高可能造成的環境負效應。庫區地表主要由壤土、細砂組成,其浸沒臨界深度綜合按2.0 m計。

當地下水位埋深為1 m時,地下水蒸發量較平時大一倍。為了控制土壤積鹽,必須控制地下水位。當土壤剖面上、中層有粘土夾層存在時,會有明顯的阻水阻鹽作用。因此,對不同土質,允許的地下水最小埋深是不同的。綜合考慮以上兩方面的因素,結合兩城河地區氣象水文、人類聚集區分布特征、生態環境效應以及地質、水文地質等條件,確定潛水位最小埋深控制為2.0 m。

3.2.2 庫容估算方法

兩城河地下水庫庫容計算采用GMS(Groundwater Modeling System)中的Solids模塊和MODFLOW模塊作為建立地下水庫三維建模的工具軟件。兩種方法可以相互驗證、相互彌補各自算法的不足,進而把庫容誤差量降低到最小。Solids模塊通過對地下水庫三維實體建模來實現對地質體的量化分區與分層,揭示地下水庫庫區地層各沉積相分布疊加空間位置,進而對地下水庫主要含水層進行儲水量計算,主要以地質體體積法結合給水度、承壓水釋水(貯水)系數參數來計算兩城河地下水庫庫容量值。MODFLOW模塊是以建立地下水流數值模型為基礎,首先概化地質條件,進而量化地下水庫水資源量的一種方法。其地下水庫地質條件概化內容主要包括:計算區幾何形狀的概化、邊界類型和邊界值的概化、含水層性質的概化與水文地質結構模型、水文地質參數性質的概化與參數分區和賦值、地下水流場與地下水流動特性的概化、各補排項的處理與確定、地下水均衡分析等[11]。

兩城河地下水庫調蓄含水層主要為承壓含水層,庫容應包括含水層孔隙空間所蓄存的地下水體積以及承壓水位高出含水層頂板所形成的彈性儲存水量的體積。通過Solids模塊,根據庫區鉆孔建立的三維地質實體模型,結合含水層特征值參數及相應兩城河地下水庫庫容計算公式,分別對地下水庫特征水位庫容量進行計算。其中三維模型體積庫容計算公式如下:

V庫容=∑[Vc·n+(Hc-H0)·Vs·μe]+Δh·A·μ

(1)

式中:V庫容為地下水庫的庫容(m3);n為含水層的孔隙度;Vc為承壓含水層的體積(m3);μe為承壓含水層的彈性給水度;Hc為承壓含水層地下水的測壓水位高程(m);H0為承壓含水層的頂板標高(m);Vs為承壓區面積(m2);Δh為潛水區含水層平均厚度(m);A為潛水區分區面積(m2);μ為潛水含水層的重力給水度。

三維數學模型數值計算公式如下:

式中:H為地下水水頭(m);Kx,Ky,Kz為x,y,z方向滲透系數(m/d);K為邊界法線方向滲透系數(m/d);Ss為含水層比儲水系數;Г為模擬區域第二類邊界;H0為含水層初始水頭(m);q為含水層二類邊界單位面積過水斷面補給流量(m2/d);ε為源匯項強度(包括開采強度、入滲強度、蒸發強度等)(l/d);Ω為滲流區域;n為滲流區邊界的單位外法線方向,矢量。

庫區面積為12.3 km2,礫質粗砂層體積為0.83億m3,其中上游潛水區礫質粗砂估算總體積為865萬m3,全區承壓區面積約10.2 km2。礫質粗砂含水層的估算參數:孔隙度取值0.25,重力給水度取值0.15,承壓含水層的彈性給水度取值0.005;中粗砂層重力給水度取值0.14。

3.2.3 計算結果及評價

根據GMS(Groundwater Modeling System)Solids模塊地下水庫庫容計算方法,結合承壓含水層頂板等值線與承壓水位等值線疊加厚度(圖8)以及地下水庫礫質粗砂含水層厚度與基巖面等值線(圖9),借助MODFLOW模塊所建立的地下水流場模擬模型,分別求得各特征庫容,計算結果見表1。

對比分析實體模型體積法和數值模擬算法對庫容量的計算差值大小,在計算豐水年調蓄庫容時,取二者計算量大者為該水文年庫容值;在計算平水年調蓄庫容時,取二者的平均值;在計算枯水年、特枯年調蓄庫容時,取二者較小者為宜。綜合各方案各水文年特征庫容結果分析如下[12]:

在預測豐水年、平水年、枯水年、特枯年承壓水承壓高度分別為6.5 m、6 m、5 m、2.5 m,且潛水含水層特征水位(含水層厚度)平均值分別為2.8(4.0)、1.8(3.0)、0.8(2.0)、-2.0(0)時,兩城河地下水庫最小庫容為1 245萬m3,容積儲量(最大庫容量)為2 305萬m3,豐水年調節儲量1 060萬m3,平水年調節儲量733萬m3,枯水年調節儲量為450萬m3,特枯水年調節儲量在383萬m3。

兩城河地下水庫建成后,有較大開發潛力。但從含水層水力條件及其富水性特征上分析,從調蓄空間上看,潛水含水層可調蓄空間適用性較大,但其水量在枯水年相對較小,承壓含水層富水性較大,水動力條件受限。綜合分析兩城河地下水庫潛水含水層和承壓水含水層聯合調蓄,是發揮地下水庫最優化儲、蓄水的前提條件。

4 結語

本文根據兩城河地下水庫工程項目,初步研究探討了松散介質型地下水庫的基本地質特征、建庫條件、地下水流系統特征以及庫容分析計算,旨在通過對地下水庫地下水系統特征與庫容計算等方面的研究,希望能夠在水利工程界引起對地下水庫基本理論問題的研究和關注,通過研究分析進一步使松散介質型地下水庫的理論體系更趨完善,并對相關或類似的工程建設項目起到分享與借鑒作用。

圖8 承壓含水層頂板等值線與承壓水位等值線疊加圖Fig.8 Overlay of confined aquifer roof and the pressure level contour1.地表河水流向;2.地下水流向;3.地下水水位等值線;4.承壓含水層頂板等值線;5.工作區范圍線。

圖9 地下水庫礫質粗砂含水層厚度與基巖面等值線圖Fig.9 Contour map of gravelly sand aquifer thickness and the bedrock surface of groundwater reservoir1.地表河水流向;2.礫質粗砂層厚度等值線;3.基底高程等值線;4.工作區范圍線。

表1 兩城河地下水庫特征水文年庫容計算值

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(責任編輯：于繼紅)

Characteristics of Groundwater System and Capacity Calculation Analysis ofLoose Medium Groundwater Reservoir

FAN Yao, HUANG Xu, LU Haiyu, DENG Jichang

(ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Jinan,Shandong250013)

In this paper,the groundwater reservoir in Liangcheng River as an example,it has detailed evaluation of the basic geological conditions,construction conditions and groundwater system characteristics of loose medium groundwater reservoir,discussion on the capacity calculation method of groundwater reservoir. Three-dimensional model volume method and numerical method of mutual authentication,synchronized storage capacity calculation method,the first application of the above method are used in construction projects of loose medium groundwater reservoir. Application of this method is simple,scientific,practical,high-confidence results,which is similar in construction-related groundwater reservoir in very broad application prospects.

groundwater reservoirs; water-storing structure; groundwater reservoir capacity; calculation and analysis; GMS

2016-04-22;改回日期:2016-05-06

范堯(1985-),男,工程師,碩士研究生,水利工程專業,從事水文地質與工程地質等勘察研究工作。E-mail:fanyao2004@126.com

P641.2

A

1671-1211(2016)03-0489-08

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.056

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.014.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31