姚怡光,張 云,孫 鐵,唐 寧,何國峰

(1.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京210023；2.建筑綜合勘察研究設計院有限公司,天津300160)

人工滲流場中的地下水流數值模擬

姚怡光1,張 云1,孫 鐵2,唐 寧1,何國峰1

(1.南京大學地球科學與工程學院,江蘇南京210023；2.建筑綜合勘察研究設計院有限公司,天津300160)

以天津濱海新區某擬建場地人工滲流場為研究對象,對研究區的水文地質條件進行分析和概化,用GMS7.1建立了水文地質概念立體模型。調用GMS7.1中的MODFLOW模塊建立地下水流數值模型并求解,得到研究區的各項水文地質參數,再現并預測了研究區的地下水流場情況。計算結果表明,利用GMS建立的人工滲流場概念模型求解的各項水文參數較為精確,與現場實際情況吻合。同時,利用GMS進一步確定了合理的開采水方量及開采時間,為有效防治抽灌水引起的土體變形提供了理論依據。

人工滲流場；數值模擬；GMS；土體變形

0 引 言

隨著地下水源熱泵技術的廣泛應用,天津市濱海新區地下水天然滲流場不足以使地下水源熱泵充分發揮機組效率的問題日益表現出來[1]。這主要是由于濱海新區的地下土層主要為滲透性極弱的粘性土,地下水滲流條件極差[2]。為了解決這一問題,擬建立人工條件下的滲流場。但人工滲流場會引起土體內部應力或土體、地基本身的強度、結構變化,從而影響建筑物或地基的穩定性或產生有害變形[3]。因此,為更好地利用人工條件下的地下水滲流場這一技術手段,必須對土的滲透性質、地下水在土層中的滲透規律及其與工程的關系進行研究,為地下水源熱泵的科學利用，確定合理的地下水采灌方案,以及土工建筑物設計、施工提供必要的資料。

地下水模擬系統(Groundwater Modeling System,GMS)是美國Brigham Young University的環境模型研究實驗室和美國軍隊排水工程試驗工作站,在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎上開發的一個綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。該軟件可用來求解各種地下水模型,所擁有的可視化前處理界面及后處理功能將各種求解地下水問題的程序集成在一起,為用戶提供了便捷和高效的操作[4-5]。

本文選取天津濱海新區塘沽海河大橋以南的人工滲流場試驗基地為研究對象,結合該場區水文地質勘察和抽水試驗資料,采用GMS7.1軟件對抽灌水過程中的地下滲流場進行數值模擬,反求試驗區域的水文地質參數。同時,分析抽灌水試驗過程中人工滲流場的變化,對采用的抽灌水方案進行分析與預測。

表1 研究區地層結構分布及物理性質

1 工程概況

1.1 試驗場地

試驗場位于天津濱海新區海河大橋以南,占地面積約300 m2(50 m×6 m)。試驗場布設抽水井P與灌水井R,從P井抽出的地下水直接灌入R井,故R井的灌水流量小于或等于P井的抽水流量。此處,抽水量和回灌量都控制在10 m3/h,試驗時長為100 min。P井與R井的設計深度為60 m,濾水管位置30.6～49.3 m,在P井與R井的井口各安裝1臺流量計,監測取水量與回灌量變化。R井周邊分別在埋深為53.0、28.0 m處設置觀測井obs1與obs2。在抽灌水井以及與之相對應的觀測井內采用電流表測線法對地下水位進行人工監測。試驗場地平面見圖1。

圖1 試驗場地平面(單位：m)

1.2 場地地質條件及水文地質參數

濱海新區地層結構總體上分布比較均勻,海陸相沉積交互關系明確。埋深大約在100.0 m以上的地基土從上而下依次為第四系全新統、上更新統及中更新統沉積[6]。根據巖土工程勘察報告,在場地60.0 m深度范圍內,按其地層成因、土層結構及工程特性可劃分為7層。地層呈水平層狀分布,地層埋藏分布與天津市濱海新區塘沽區正常沉積地層基本相符。研究區地層結構分布及物理性質見表1。

場地第③層以上為潛水含水層,下部第⑤層為承壓含水層。其中,潛水含水層的水位埋深為3.54～5.00 m,第⑤層承壓含水層的水位埋深為9.10～9.30 m,P井與R井的濾水管位置為30.6～49.3 m,貫穿整個第⑤層,為完整井。在試驗場地,當僅有P井抽水時,R井可看做觀測井,這時可采用Dupuit公式計算水文地質參數。本次試驗中,P井中的抽水流量Q=294.48 m3/d,計算可得粉砂層的滲透系數k=4.25×10-5m/s。

2 數學模型的建立

2.1 水文地質概念模型

為查清試驗場區的水文地質條件,初步了解地下水滲流場的情況,為后續的抽灌水試驗及數學模型的建立提供合理的設計參數,除巖土工程勘察外,又進行了多次抽水試驗以及水位恢復試驗。由試驗結果可知,研究區土層可劃分為4個水文單元層(不考慮填土層)。②、⑤層各為一個含水層,分別標記為layer1、layer3。③層因厚度僅為1.7 m,可與④概化為一層,標記為layer2；⑥層因厚度僅為2.7 m,可與⑦概化為一層,標記為layer4,這2層均為弱透水層。

2.2 初始及邊界條件

根據現場監測,各井的穩定水位標高：P為-9.40 m；R為-9.26 m；obs1為-3.84 m；obs2為-3.83 m。在模型的四周設置定水頭邊界,模型底部設置隔水邊界。由于整個試驗過程中對潛水水位影響很小,故潛水面處設置零水頭邊界,試驗區內的P井與R井是唯一的源匯項。

圖2 觀測值與計算值擬合對比

3 滲流數值模擬

3.1 網格剖分與參數分區

根據水文地質概念模型,對研究區進行三維網格剖分,平面上將其劃分為28×10個網格單元,垂向上將整個研究層劃分為5層。結合巖土勘察資料及多次抽水試驗的結果,在垂向上將土層劃分為5個參數分區。由于obs1與obs2分別位于layer4與layer2,故本次數值模擬主要對layer2、layer3、layer4進行分析。

3.2 數值模擬

3.2.1 模型識別

本次數值模擬通過抽水井、灌水井以及相應的觀測孔的水位監測資料對模型進行識別,所有井的位置、屬性、觀測時間、水位值以及所允許的誤差范圍都在Conceptual Model中的MAP模塊中定義。MODFLOW對地下水滲流的計算運行結束后,GMS會自動進入模型識別模式,將所有井的觀測值與計算值進行對比,并進行誤差分析。根據模型識別的結果逐步調整參數,直至滿足計算精度為止。圖2為所有井的觀測值與計算值的擬合曲線。各相關井的擬合誤差統計見表2。從圖2及表2可知,所有井的實測水位觀測值與模擬計算得到的水位曲線有極好的吻合度,所有井平均相對誤差為1.751%,滿足計算精度要求,也反映了反求參數的有效性。

表2 參數識別階段所有井的擬合誤差

模型檢驗中,將抽水井與灌水井的流量設置為6 m3/h,抽灌水時間為2 h。圖3為模型檢驗時段內P井與R井各自的計算值和觀測值的擬合曲線。模型檢驗期間2個井的絕對誤差與相對誤差統計見表3。由表3可知,模型檢驗的相對誤差平均為2.095%,滿足精度要求。

圖3 觀測值與計算值擬合對比

表3 參數檢驗階段的擬合誤差

4 模型結果分析

4.1 參數分析

參數擬合階段本研究區的水文地質參數見表4。總體上,水文地質參數的模擬結果基本符合研究區的水文地質特性,比較好地反映了含水層的透水特征。其中,layer3即粉砂含水層的模擬滲透系數與根據DL/T 5213—2005《水電水利工程鉆孔抽水試驗規程》中的抽水試驗所得出的滲透系數較為吻合；layer2即粉土～粉質粘土含水層以及layer4即粉質粘土的模擬滲透系數相對于一般的粉質粘土而言較大,透水性較強,這主要是由于在layer2、layer4含水層中分別包含了1.7 m和2.7 m厚的粉土,但這2層相對于layer3含水層的透水性差了很多,故需對抽灌水引起的layer3含水層的土體變形格外注意。此外,由于layer2含水層的厚度大且概化后的平均滲透系數較大,在抽灌水過程中,也應對其土體變形引起關注。

表4 研究區各含水層水文地質參數

4.2 流場分析

圖4為三維立體模型中含水層layer2、layer3、layer4的地下水流場。由于P井以及R井的濾水管位于且貫穿整個layer3含水層,故在layer3含水層中的P井附近出現了較大的水位降深以及降落漏斗；而在layer3含水層中的R井附近,由于灌入地下水的緣故,水位有所抬升,出現了注水漏斗。從圖4可知,在2個井附近,由于抽水與灌水的緣故而產生的漏斗的影響半徑相對于整個試驗場地而言是很小的,不足以使試驗場地產生較明顯的沉降,這與現場的layer3層的沉降監測結果較為吻合。在弱透水層layer2和layer4中,地下水由R井附近向P井附近流動,水力梯度很小。由于這2個含水層分別為粉土～粉質粘土、粉質粘土,透水性相對layer3粉砂含水層較弱,故在P井與R井附近均未產生明顯的漏斗。

圖4 三維立體模型中含水層中的流場

4.3 降水預測

4.3.1 水井抽灌水能力

傳統的基層組織一線員工教育培訓方法、模式存在著許許多多的缺陷、弊端和問題，不僅影響到了員工正常培訓，而且即使進行了培訓，也是事倍功半、效率低下，這種培訓的方式方法已經到了非改進不可的地步了。隨著電子通訊技術的飛速發展、手機的廣為普及，適時引入E-training 模式，不僅有效解決了基層一線員工培訓所面臨的諸多問題，而且能夠有效提高培訓的效果和質量。因此，當前推出基層一線員工手機E-training 模式，條件上不僅充分、必要，而且時機上也恰逢其時。

P井與R井的抽灌水量控制在10 m3/h,抽灌水周期設置為4 h,試驗共進行3個周期。每個周期內,先抽P井灌R井2 h,再抽R井灌P井2 h,P井與R井交替作為抽水井或灌水井,且不等P井與R井中的水位恢復即刻切換P井與R井的抽灌水狀態。

圖5中前12 h為P井與R井在3個抽灌水周期內的實測水位觀測值與模擬計算得到的水位曲線,后4 h為僅用GMS模擬計算得到的水位曲線。從圖5可知,P井與R井在4個周期內的抽水狀態下達到穩定時的水位并無明顯的變化,這說明P井與R井的出水能力隨著抽灌水循環次數的增加較為穩定；同樣,P井與R井在4個周期內的灌水狀態下達到穩定時的水位也無明顯的變化,這說明P井與R井的灌水能力隨著抽灌水循環次數的增加較為穩定。由此可知,在10 m3/h的抽灌水量條件下,水井的抽灌水能力隨著循環抽灌水次數的增加處于一個比較穩定的狀態,能保證人工滲流場的正常運行。

圖5 周期性抽灌水狀態下水井觀測值與計算值擬合對比

4.3.2 最大開采量與開采時間的確定

將抽水井與灌水井的流量分別調至63 m3/h,定流量抽灌水8 h后,P井中的水位降至-22.11 m,R井中的水位升至-0.25 m(見圖6)。P井降落漏斗范圍內的粉砂層依然處于飽和狀態,不容易被疏干,但R井中的水位即將漫出井口,表明R井的灌水能力在當前設置的灌水方量以及灌水時間條件下已經接近極限,如果再次調高流量或增加灌水時間,那么從P井抽出的地下水將無法全部回灌回地層。由此可知,當前的抽灌水方量及時間的設置是合理的,可以保證從粉砂層中抽出的地下水完全回灌。

圖6 三維立體模型中含水層layer3中的流場

5 結 語

本文基于天津濱海新區海河大橋以南的人工滲流場現場試驗以及運用數值模擬軟件GMS的模擬計算,對人工滲流場的開采方量、開采時間、滲流特征、水位變化特征進行了研究,得出以下結論：

(1)抽灌水井附近由于抽水與灌水的緣故而產生的漏斗的影響半徑相對于整個試驗場地而言是很小的,不足以使試驗場地中距離抽灌水井較遠土體產生變形,土體的變形可能集中在抽水井與灌水井附近,在人工滲流場建設之中應該注重距離抽水井與灌水井較近位置的土體變形。

(2)在10 m3/h的抽灌水量條件下,水井的抽灌水能力隨著循環抽灌水次數的增加處于一個比較穩定的狀態,能保證人工滲流場的正常運行,故可先在10 m3/h的抽灌水量、多次循環抽灌的條件下探究人工滲流場對地下水源熱泵發揮機組效率的影響。

(3)抽水井與灌水井的流量上限均為63 m3/h,時間上限為8 h,在這個范圍內可以保證從粉砂層中抽出的地下水完全回灌回粉砂層,使粉砂層中的地下水位達到動態平衡,避免距離抽灌水井較遠的粉砂層發生抽灌水引起的土體變形。

[1]孟憲軍. 地下水源熱泵抽回灌水對地下水溫度場影響規律研究[D]. 沈陽： 沈陽建筑大學, 2011．

[2]趙立志, 朱平.天津濱海地區淺層軟土沉降淺析[J]. 低溫建筑技術, 2011, 33(11)： 73- 74．

[3]盧廷浩. 土力學[M]. 南京： 河海大學出版社, 2005．

[4]ANDERSON M P, WOESSNER W W, HUNT R J. Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport[M]. Washington: Academic Press, 2015．

[5]祝曉彬. 地下水模擬系統(GMS)軟件[J]. 水文地質工程地質, 2003, 30(5)： 53- 55．

[6]孫明乾. 天津濱海軟土工程特性及工后沉降預測[D]. 吉林： 吉林大學, 2013．

[7]薛禹群, 謝春紅. 地下水數值模擬[M]. 北京： 科學出版社, 2011．

(責任編輯 楊 健)

基康儀器股份有限公司

封二

廣州秀珀化工涂料有限公司

前插1

北京華科同安監控技術有限公司

前插2、3

北京中水科海利工程技術有限公司

前插4、5

北京中元瑞訊科技有限公司

前插6

南京科明自動化設備有限公司

前插7

中國水電十一局鄭州科研設計有限公司

前插8

鄭州機械研究所

封三

北京木聯能工程科技有限公司

封底

Numerical Simulation of an Artificial Seepage Field of Groundwater

YAO Yiguang1, ZHANG Yun1, SUN Tie2, TANG Ning1, HE Guofeng1
(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;2. China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Co., Ltd., Tianjin 300160, China)

Taking a proposed artificial seepage field in Binhai, Tianjin as study object, a hydrogeological solid conceptual model is set up with GMS7.1 based on the complete analysis and summary to geological and hydrogeological conditions of test area. Then a groundwater numerical model is set up by calling the MODFLOW module of GMS7.1 and is solved. The hydrogeologic parameters of test area are obtained and the groundwater flow field in test area is reproduced and predicted. The calculation results show that the hydrological parameters of artificial seepage field model established by GMS are accurate and consistent with actual situation in the field. At the same time, the reasonable amount and time of water pumping are further determined by using GMS, which provides a theoretical basis for the effective control of soil deformation caused by water pumping．

artificial seepage field; numerical simulation; GMS; soil deformation

2016-10-24

國家自然科學基金面上項目(41572250)；國家科技支撐計劃資助項目(2013BAJ09B04)

姚怡光(1991—),男,甘肅張掖人,碩士研究生,主要從事地面沉降的研究．

X143(221)

A

0559- 9342(2017)05- 0025- 05