GMS在地下水?dāng)?shù)值模擬及斷層處理中的應(yīng)用:以蓋孜河水源地為例

梁世川，徐 明，王 磊，秦 覃，封麗華

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急中心)，新疆 烏魯木齊830000;2.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830047)

地下水的賦存及資源量的大小受多方面因素的綜合影響，如構(gòu)造、地層巖性、結(jié)構(gòu)、厚度等，在斷裂構(gòu)造存在的地區(qū)，地下流表現(xiàn)為不連續(xù)性和各向異性特征，運(yùn)動(dòng)規(guī)律也變得復(fù)雜，距離斷層越近，流場(chǎng)受斷層的影響就越明顯，隨著離斷層距離的增大，影響效應(yīng)逐步減弱。斷層表現(xiàn)出的導(dǎo)水或阻水特征，取決于斷層的性質(zhì)、滲透率與周圍介質(zhì)滲透率的關(guān)系。分析構(gòu)造條件，研究模擬斷層對(duì)地下水資源的分布的影響，對(duì)確定地下水時(shí)空分布規(guī)律，選取水源地，開采方案等具有重大意義。

GMS(Groundwater Modeling System)是目前國際上流行的地下水模擬軟件，可用來模擬飽和、非飽和流環(huán)境下的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移等問題。運(yùn)用GMS對(duì)蓋孜河水源地地下水流進(jìn)行數(shù)值模擬，在此過程中，采用MODFLOW下的barrier障礙邊界處理斷層，通過分析研究區(qū)內(nèi)斷層特性及其分布規(guī)律，將它作為模型內(nèi)部第二類邊界條件(隔水或弱透水邊界)輸入模型，進(jìn)行模型檢驗(yàn)、運(yùn)行及校正，從而得到了與實(shí)際情況相符的地下水流數(shù)值模型。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

蓋孜河水源地(研究區(qū))地處塔里木盆地西緣(喀什噶爾平原西部)，南北長(zhǎng)約36 km，東西寬約36 km，控制面積1296 km2。屬典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，多年平均氣溫12.0℃，多年平均降水量66.1 mm，多年平均蒸發(fā)量2306.1 mm，區(qū)內(nèi)主要河流為蓋孜河。

1.2 構(gòu)造特征

研究區(qū)屬于南天山及西昆侖兩大褶皺帶之間的坳陷地帶，區(qū)內(nèi)構(gòu)造與新構(gòu)造發(fā)育，其以升降運(yùn)動(dòng)為主并伴隨擠壓作用，在北部的庫馬塔格隆起與南部西昆侖山前帶隆起，形成了區(qū)內(nèi)的新生代向斜褶皺凹陷，地層發(fā)生了強(qiáng)烈的褶皺和斷裂，從而形成四排軸向?yàn)镹W—SE基本平行的背斜隆起、向斜凹陷，并伴生一些大致平行的NW—SE向的高角度逆斷層，控制著區(qū)內(nèi)總體地貌，見圖1。

1.3 水文地質(zhì)概況

根據(jù)含水層分布及水力特征，區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水可劃分為潛水、中層承壓水和深層承壓水。潛水的補(bǔ)給主要來源是降水入滲、渠道滲漏、灌溉回滲、回歸入滲、河流入滲和側(cè)向補(bǔ)給，排泄主要是人工開采和蒸發(fā)排泄，其次是排堿渠和側(cè)向流出。承壓水的補(bǔ)給主要來源是側(cè)向補(bǔ)給，人工開采是承壓水的主要排泄方式，潛水與承壓水含水巖組通過弱透水層存在越流補(bǔ)排關(guān)系。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 水文地質(zhì)條件概況

研究區(qū)南部山前到中部地區(qū)為單一潛水含水層，顆粒由上游向下游逐漸變細(xì)，厚度為50～450m不等，其中南部蓋孜河大橋隱伏斷裂(F5)以南，蓋孜河河谷三角區(qū)域含水層厚度為50m。北部山前到中部地區(qū)，上層為潛水層，厚度25～90m，向下為2層承壓水層(局部地段為1層承壓水層，見圖2)，其間由亞砂土、亞粘土弱透水層隔開，第一承壓水層厚幾米到幾十米不等，第二層承壓含水層厚度幾米－一百多米不等，各研究區(qū)含水層巖性無粉土細(xì)土層等，滲透系數(shù)相對(duì)較大。根據(jù)模擬軟件對(duì)地層連續(xù)性的要求，在模擬中垂向上將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為潛水、2個(gè)承壓水含水層和2個(gè)隔水層的五層結(jié)構(gòu)，組成地下水滲流場(chǎng)。

2.2 斷層對(duì)地下水的影響

由構(gòu)造、水文地質(zhì)資料分析顯示，斷層兩側(cè)地下水水位分布不連續(xù)，存在明顯的“跌水”現(xiàn)象，如烏帕爾西斷裂F1及蓋孜河大橋斷裂F5兩側(cè)，地下水水位不連續(xù)，斷層兩側(cè)“跌水”水位落差達(dá)60～150m。

為準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)值模擬模型的建模和計(jì)算，從斷層的分布規(guī)律、形成條件、水力性質(zhì)等特征出發(fā)，并結(jié)合地下水位長(zhǎng)觀及障礙系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值綜合分析，在不影響計(jì)算精度的前提下，表1列出了各斷層性質(zhì)及其在計(jì)算中采用的水力參數(shù)。

表1 計(jì)算模型中斷層的性質(zhì)及水力參數(shù)

2.3 邊界條件概化

根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等，確定計(jì)算區(qū)邊界的位置和性質(zhì)。對(duì)研究區(qū)邊界進(jìn)行概化，概化為定流量邊界、流線邊界(零流量邊界)以及模型內(nèi)部的斷層作為第二類邊界條件(隔水或弱透水邊界)。在垂向上模型的上邊界為潛水水面，接受河流入滲、渠系水滲漏、降雨入滲及田間灌溉水回滲補(bǔ)給;以潛水淺埋區(qū)蒸發(fā)和人工開采來排泄;下邊界根據(jù)第四系厚度的大小，蓋孜河大橋斷裂(F5)以南，蓋孜河兩側(cè)的三角區(qū)域取50m處的界面為下邊界，北部山前區(qū)80～100m處的界面為下邊界，其余地區(qū)取深度250m處的界面。見圖2。

3 地下水流數(shù)值模擬

3.1 初始模型的建立

模擬中首先將研究區(qū)采用矩形網(wǎng)格剖分為5184個(gè)單元(各層的剖分方法完全相同，部分定義為無效單元)。根據(jù)水文地質(zhì)條件，按滲透系數(shù)、貯水系數(shù)(或給水度)的差異性將1、4、5層參數(shù)劃分為30個(gè)區(qū)，2、3層分為39個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)具有不同的水文地質(zhì)參數(shù)。

利用GMS與 ARCGIS屬性數(shù)據(jù)相容的這一特點(diǎn)，將ARCGIS屬性數(shù)據(jù)(shp文件)導(dǎo)入GMS的map模塊中，水文地質(zhì)參數(shù)利用Layer處理，地下水的補(bǔ)給排泄項(xiàng)通過MAP下的 wells、Recharge、specified flow、ET 等模塊處理，各量的取值均為統(tǒng)計(jì)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。利用map模塊與MODFLOW模塊建立水文地質(zhì)初始模型(見圖3)。

3.2 斷層障礙邊界的輸入

根據(jù)本次研究剖分結(jié)果，墻體的厚度(Thickness)相對(duì)于網(wǎng)格單元(Cell)水平方向的邊長(zhǎng)是足夠小的以至于可被忽略，其符合水平流障礙邊界設(shè)計(jì)的關(guān)鍵假設(shè)。利用這一假設(shè)，模型中中將斷層簡(jiǎn)化為一線狀，從而不必通過加密網(wǎng)格的方法來進(jìn)行模擬，提高了模型計(jì)算效率。

在初始模型中對(duì)斷層進(jìn)行輸入定義，打開GMS工程文件(gpr文件)，建立新的New Coverage數(shù)據(jù)，選擇Sources/Sinks/BC type下的barrier，設(shè)定其垂向作用范圍。點(diǎn)擊輸入菜單，選擇ARCGIS屬性下的shp斷層文件，將ARCGIS屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)入map模塊，對(duì)斷層線進(jìn)行障礙邊界條件輸入，輸入條件包括邊界編碼、類型及障礙系數(shù)(Hyd.char.)等。通過障礙邊界定義，完成了所有條件的定義輸入和模型的建立，進(jìn)入模型檢驗(yàn)運(yùn)行校正階段。

圖3 map模塊下的初始模型

3.3 模型的檢驗(yàn)、運(yùn)行及校正

對(duì)所建立的模型進(jìn)行檢驗(yàn)無誤后開始運(yùn)行，同時(shí)為了證明其對(duì)模擬對(duì)象的模擬是正確的，是具有一定的精度的，必須進(jìn)行模型的校正，校正就是一個(gè)不斷試算的過程，通過不斷地對(duì)參數(shù)(主要是滲透系數(shù)和給水度)進(jìn)行一定的調(diào)整，重復(fù)計(jì)算來提高模擬精度，并不斷把模型中計(jì)算的地下水流場(chǎng)與實(shí)際的地下水流場(chǎng)進(jìn)行比較。

為驗(yàn)證地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，從研究區(qū)長(zhǎng)觀孔中選取14個(gè)用于本次校正研究。將14個(gè)長(zhǎng)觀孔的第365天的觀測(cè)水位與模型計(jì)算水位對(duì)比，得到計(jì)算值與觀測(cè)值耦合情況良好(見圖4)。

圖4 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

同時(shí)，在校正過程中，將觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的差控制在置信度為95%的條件下，計(jì)算值和觀測(cè)值誤差的極差在0.5m的范圍之內(nèi)。校核目標(biāo)在試算后每一個(gè)點(diǎn)上將會(huì)顯示中點(diǎn)為觀測(cè)值，上端為觀測(cè)值加上極差，下端為觀測(cè)值減去下極差，如果表示觀測(cè)值與計(jì)算值的條形顯示在校核置信范圍，則條形顯示為綠色，如果超出置信區(qū)間范圍但小于200%，則呈橙色，大于200%則呈紅色。

經(jīng)過驗(yàn)證，由校正擬合情況圖5可以得出，觀測(cè)值和計(jì)算值的擬合情況良好，除了左側(cè)2個(gè)觀測(cè)孔呈橙色為較好點(diǎn)，其它的觀測(cè)孔均為綠色，即表示觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算值在預(yù)測(cè)誤差范圍內(nèi)，且地下水的流場(chǎng)與調(diào)查、收集的水位資料形成的流場(chǎng)大致相同，模擬的斷層兩側(cè)地下水水位顯示為不連續(xù)，模型中“跌水”存在且與實(shí)際相符，模型基本可以用來模擬研究區(qū)的地下水流情況，同時(shí)也模擬了斷層對(duì)地下水所產(chǎn)生的“跌水”現(xiàn)象。

4 結(jié)語

(1)ARCGIS屬性文件與 GMS有很好的接口，可以將ARCGIS屬性數(shù)據(jù)與GMS軟件中MAP模塊相互轉(zhuǎn)換，再采用MAP模塊來建立水文地質(zhì)初始模型，使模型的建立過程直觀，且易于操作實(shí)現(xiàn)。

圖5 校正后的地下水流場(chǎng)圖

(2)應(yīng)用GMS中MODFLOW模塊下的barrier障礙邊界條件模擬斷層，可改善有限差分法在斷層處理方面的缺陷，提高有限差分方法對(duì)有斷層分布地區(qū)的實(shí)用性，大大減少了網(wǎng)格劃分密度，從而提高了模型的計(jì)算效率。

(3)研究區(qū)地下水受斷層的影響顯著，斷層近南北向貫穿整個(gè)研究區(qū)，斷層兩側(cè)地下水水力聯(lián)系較小，形成“跌水”現(xiàn)象，通過實(shí)際模擬校正計(jì)算結(jié)果，模型計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)吻合情況良好，模型基本可以用來模擬研究區(qū)的復(fù)雜的構(gòu)造影響下的地下水流情況。

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