武漢某場(chǎng)地地下水動(dòng)態(tài)變化及其數(shù)值模擬研究

李玉子，張 偉，汪 嘯，吳慶華

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430010)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，城市建設(shè)活動(dòng)不斷進(jìn)行，對(duì)武漢城市地下水動(dòng)態(tài)產(chǎn)生了很大的影響，由此帶來了地下水降落漏斗和地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題[1]。地下水水位變化是研究地下水動(dòng)態(tài)和流場(chǎng)最直觀的方式[2]。陶虹等結(jié)合地下水開采條件分析了關(guān)中城市群多年水位動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素[3]；張士杰等通過對(duì)邯鄲市平原區(qū)1980—2016年淺層地下水實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究其地下水時(shí)空變化特征及成因[4]；高偉等對(duì)深圳市前海地區(qū)2015～2019年地下水位動(dòng)態(tài)特征及影響因素進(jìn)行分析，并建立了該區(qū)地下水位預(yù)測(cè)模型[5]。研究區(qū)的地下水賦存主要為第四系孔隙承壓水[6]，由于該區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素的研究成果尚未有公開報(bào)道，本文主要根據(jù)研究區(qū)2015～2019年具有代表性的地下水位連續(xù)監(jiān)測(cè)資料對(duì)研究區(qū)孔隙承壓水水位動(dòng)態(tài)特征及其影響因素進(jìn)行分析，并建立合理的研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型進(jìn)行預(yù)報(bào)，為該區(qū)域地下水保護(hù)和可持續(xù)利用提供科學(xué)的管理依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于武漢市江岸區(qū)，處于九萬(wàn)方路以東，黃孝河路以西，武漢大道以南，江大路以北，包括長(zhǎng)江科學(xué)院九萬(wàn)方科研基地、周邊多個(gè)居民區(qū)等(詳見圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置及監(jiān)測(cè)井布置圖

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)性東南季風(fēng)區(qū)，降水充沛，豐水期4-9月，枯水期1-3月和10-12月。區(qū)內(nèi)無河流、水塘、泉等。地層屬于上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)(見圖2)，上層為粉土、粉質(zhì)粘土；下層主要為粉細(xì)砂。地下水主要為孔隙承壓水，賦存于下層的粉細(xì)砂層。粉細(xì)砂承壓含水層頂板變化規(guī)律是：東南方向和中部埋深較淺，往西北方向埋深逐漸增加。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面示意圖

研究區(qū)承壓含水層的主要補(bǔ)給來源為周邊承壓含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給，不能直接接受大氣降水補(bǔ)給。排泄主要為人工開采和向周邊含水層徑流排泄。

1.3 研究區(qū)地下水監(jiān)測(cè)井網(wǎng)的目的和歷史

研究區(qū)自2013年以來，周邊有工程施工運(yùn)行，西北方向的工程在2013-2014年間進(jìn)行了較長(zhǎng)時(shí)間的大降深工程降水，導(dǎo)致地下水位大幅度下降，地面沉降較大，有多處地裂縫，且建筑物產(chǎn)生了不均勻沉降的現(xiàn)象(見圖3)。為了探究研究區(qū)地下水位變化規(guī)律和變化趨勢(shì)，自2014年以來布設(shè)了8口地下水監(jiān)測(cè)井(如圖1，分別編號(hào)為W01-W08)，井深30 m，均為承壓非完整井，用于監(jiān)測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)變化。

圖3 研究區(qū)建筑物不均勻沉降、墻體開裂現(xiàn)場(chǎng)圖

2 地下水位變化趨勢(shì)及影響因素分析

在各種有關(guān)因素的影響下，地下水的水位、水量、水質(zhì)隨時(shí)間作有規(guī)律的變化，便是地下水動(dòng)態(tài)[7]。研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)類型為滲入-徑流型。

2.1 地下水位時(shí)空變化特征

2.1.1 時(shí)間變化特征

研究區(qū)地下水位總體呈逐年上升趨勢(shì)，水位季節(jié)性變化比較明顯，有周期性和同步性的特點(diǎn)。從2015年1月1日到2019年12月31日，研究區(qū)內(nèi)8口地下水監(jiān)測(cè)井的水位變化趨勢(shì)基本一致(見圖4)，取W02號(hào)井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行典型分析(見圖5)。研究區(qū)地下水位變化大致為每年1-3月地下水位上升，4-5月地下水位較穩(wěn)定，6-8月地下水位下降，9-10月地下水位上升，11-12月地下水位下降。五年來全年最高水位分布在2015年4月，2016年7月，2017年11月，2018年11月，2019年11月。

圖4 研究區(qū)W02、W08號(hào)井連續(xù)監(jiān)測(cè)水位動(dòng)態(tài)圖

圖5 W02號(hào)井2015-2019年連續(xù)監(jiān)測(cè)水位動(dòng)態(tài)圖

按地下水位變化幅度分為上升區(qū)(與上年度同期對(duì)比，水位上升大于0.2 m)、下降區(qū)(與上年度同期對(duì)比，水位下降大于0.2 m)、穩(wěn)定區(qū)(與上年度同期對(duì)比，水位變幅在0.2 m之內(nèi))[8]。2015-2019年地下水位監(jiān)測(cè)成果見表1。

表1 2015-2019年研究區(qū)地下水位(承壓水)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果

據(jù)表1，2015-2019年研究區(qū)地下水位上升區(qū)的占比總體大于下降區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，尤其是2017年之后，上升區(qū)占比超過50%，說明研究區(qū)的地下水位是逐年上升的。2015-2019年研究區(qū)地下水位與上年度同期相比最大上升值分別為1.395 m、2.93 m、3.212 m、4.039 m、2.497 m。

2.1.2 空間變化特征

研究區(qū)的承壓水水位動(dòng)態(tài)變化不僅具有明顯的周期性和同步性，還具有空間差異性，表現(xiàn)在研究區(qū)不同區(qū)域地下水位的差異。以2015年、2019年監(jiān)測(cè)資料為例，2015年地下水位呈現(xiàn)中間和北部高、四周低的空間差異，地下水整體流向?yàn)橹胁康剿闹堋⒈辈康街猩喜?見圖6)；2019年地下水位總體呈現(xiàn)東南高、西北低的空間差異，地下水整體流向?yàn)闁|南到西北(見圖7)。地下水位年升降幅度也存在空間差異，2015年在W01號(hào)井附近年變幅2.858 m，W08號(hào)井附近年變幅在3.313 m，二者相差0.455 m；2019年在W01號(hào)井附近年變幅2.673 m，在W08號(hào)井附近年變幅1.153 m，二者相差1.52 m。

圖6 研究區(qū)2015年等水位線圖

圖7 研究區(qū)2019年等水位線圖

2.2 地下水位動(dòng)態(tài)影響因素分析

地下水位動(dòng)態(tài)是受氣象、水文、地質(zhì)、地形、人類活動(dòng)綜合影響的結(jié)果，處于不停的變化之中[9]。其中研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)最重要的制約因素是工程施工運(yùn)行和水文地質(zhì)條件。

2.2.1 工程施工運(yùn)行因素

研究區(qū)周邊在2014年有一大型工程施工大降深長(zhǎng)時(shí)間降水，形成了大范圍的降落漏斗，工程降水完成后，研究區(qū)地下水位緩慢恢復(fù)，表現(xiàn)為地下水位逐年上升至今。在2016年下半年研究區(qū)周邊有一工程施工降水，監(jiān)測(cè)井水位高程在7-9月份大幅度下降，最大降深4.429 m，至2018年水位才恢復(fù)到基坑降水前的水平(見圖8)。

圖8 研究區(qū)W02號(hào)監(jiān)測(cè)井2015-2019年7-12月份水位高程圖

2.2.2 水文地質(zhì)條件影響

研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化還受水文地質(zhì)條件影響。區(qū)內(nèi)地下水不直接接受大氣降水，主要接受周邊承壓含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給，研究區(qū)所處的承壓含水層與地表水體(長(zhǎng)江等)具有水力聯(lián)系[10]，受其水位波動(dòng)影響，地下水動(dòng)態(tài)具有季節(jié)性變化；東南方向和中部埋深較淺、往西北方向埋深逐漸增加的地層構(gòu)造使地下水位出現(xiàn)W05、W08號(hào)井附近高、往W01號(hào)井附近逐漸變低的現(xiàn)象；2014、2016年工程施工降水停止后，研究區(qū)地下水位逐年上升，受工程施工降水形成的降落漏斗在側(cè)向含水層的徑流補(bǔ)給下逐漸恢復(fù)，恢復(fù)過程較長(zhǎng)，說明該承壓含水層對(duì)規(guī)模較大的地下水降落漏斗補(bǔ)給能力有限。

3 場(chǎng)地地下水?dāng)?shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

本研究主要采用FEFLOW有限元軟件[11]對(duì)場(chǎng)區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬。根據(jù)相關(guān)勘察資料，采用自上而下高程插值的方法建立三維模型。模型概化為二元地層結(jié)構(gòu)，上層為粉土、粉質(zhì)粘土層，側(cè)向邊界一律定義為隔水邊界；下層為粉細(xì)砂層，地下水主要賦存于該層中，考慮到側(cè)向邊界附近有地下水位觀測(cè)孔，可以結(jié)合觀測(cè)到的地下水位將側(cè)向邊界設(shè)置為第一類水頭邊界，上部邊界考慮研究區(qū)位于城區(qū)，綠化面積少，因此不考慮大氣降雨補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄；底部邊界為基巖，設(shè)為隔水邊界。

3.2 模型檢驗(yàn)

3.2.1 參數(shù)確定

模型檢驗(yàn)采用間接法，即先給定一組參數(shù)，代入模型計(jì)算，使得模擬水位與實(shí)測(cè)水位誤差最小。模擬區(qū)間為2019年全年，采取自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)。模型選用非穩(wěn)定流計(jì)算，通過試算，優(yōu)選確定模型的參數(shù)(見表2)。

表2 模型參數(shù)選取表

3.2.2 誤差分析

圖9～圖10給出了W02、W08號(hào)監(jiān)測(cè)井2019年模擬月平均水位與實(shí)測(cè)月平均水位線，從總體擬合結(jié)果來看，監(jiān)測(cè)井模擬水位年變化過程趨勢(shì)與實(shí)測(cè)水位動(dòng)態(tài)走勢(shì)總體一致，水位動(dòng)態(tài)過程擬合較為符合監(jiān)測(cè)結(jié)果。對(duì)所有模擬點(diǎn)和實(shí)測(cè)點(diǎn)的月平均水位相對(duì)誤差(RE)、決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[12](結(jié)果如表3)，8口監(jiān)測(cè)井相對(duì)誤差較小，模擬的可靠度較高；決定系數(shù)接近于1，模擬水位和實(shí)測(cè)水位相關(guān)程度高；均方根誤差小，模擬水位與實(shí)測(cè)水位偏差小。因此，該模型選用的參數(shù)正確，所建立的模型可靠，基本能夠反映研究區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化。

表3 8口監(jiān)測(cè)井模擬水位與監(jiān)測(cè)水位檢驗(yàn)表

圖9 研究區(qū)W02號(hào)地下水觀測(cè)井實(shí)測(cè)值與模擬值水位過程圖

圖10 研究區(qū)W08號(hào)地下水觀測(cè)井實(shí)測(cè)值與模擬值水位過程圖

3.3 工程施工對(duì)場(chǎng)地地下水位影響預(yù)報(bào)

研究區(qū)內(nèi)計(jì)劃進(jìn)行工程施工(位置見圖1)，降水方案采取1 200 m3/d，持續(xù)時(shí)間為30 d。為預(yù)報(bào)該工程施工運(yùn)行對(duì)研究區(qū)地下水位的影響，使用檢驗(yàn)后的模型對(duì)降水過程進(jìn)行模擬。

該工程降水運(yùn)行后，研究區(qū)地下水位開始下降(見圖11)，距離施工位置較近的W02、W04、W05、W07號(hào)監(jiān)測(cè)井變化幅度較大，其中W04號(hào)監(jiān)測(cè)井降幅最大，在停止抽水時(shí)達(dá)到最大降深2.53 m，工程降水形成了小型降落漏斗(見圖12～圖13)，停止抽水時(shí)降落漏斗中心降深為14.24 m。停止抽水后水位迅速回升，W02、W04、W05、W07號(hào)監(jiān)測(cè)井150 d左右水位基本恢復(fù)，距離施工位置較遠(yuǎn)的其他監(jiān)測(cè)井60 d左右地下水位基本恢復(fù)。

圖11 工程施工運(yùn)行影響下的W01～W08號(hào)監(jiān)測(cè)井水位變化預(yù)報(bào)圖

圖12 工程施工運(yùn)行前研究區(qū)地下水流場(chǎng)圖

圖13 工程施工運(yùn)行30 d研究區(qū)地下水流場(chǎng)圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)2015-2019年研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)地下水水位時(shí)空動(dòng)態(tài)特征及影響因素進(jìn)行分析，并采用數(shù)值模擬方法對(duì)地下水位在某工程影響下的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)論如下：

(1)地下水水位總體呈逐年上升趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)規(guī)律在時(shí)空分布上呈現(xiàn)出周期性、同步性等特點(diǎn)，年內(nèi)及年際的平均水位、水位變幅有一定的變異性；研究區(qū)流場(chǎng)大致為東南向西北流動(dòng)。

(2)地下水水位動(dòng)態(tài)受工程施工運(yùn)行和水文地質(zhì)條件因素的控制。

(3)計(jì)劃運(yùn)行的工程施工會(huì)使研究區(qū)地下水位持續(xù)下降，形成暫時(shí)的小型降落漏斗，停止抽水后地下水位逐漸恢復(fù)。

(4)建議下一步開展對(duì)地下水水量和水質(zhì)的監(jiān)測(cè)工作，建立地下水水位、水質(zhì)的預(yù)報(bào)、預(yù)警系統(tǒng)[13]，為研究區(qū)地下水的科學(xué)管理和合理利用提供依據(jù)。