高放廢物處置庫北山預(yù)選區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)概念模型

王海龍，郭永海

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京100029）

地下水是核素運移的載體，因此，高放廢物處置庫場址的適宜性、安全性在很大程度上取決于水文地質(zhì)條件，取決于地下水流的狀態(tài)［1］。而場址水文地質(zhì)評價不僅需要把握預(yù)選區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)特征，更需要把握未來地下水的演化規(guī)律和進程。如何才能正確認識區(qū)域地下水的循環(huán)交替規(guī)律和流場特征？怎樣才能預(yù)測地下水的未來變化？答案是必須依賴地下水流數(shù)值模擬研究［2］。根據(jù)我國北山預(yù)選區(qū)目前的選址研究階段和已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)資料情況，擬對該預(yù)選區(qū)開展區(qū)域地下水流數(shù)值模擬研究。主要介紹區(qū)域水文地質(zhì)概念模型的建立。通過對研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料的分析研究，利用GMS軟件的地質(zhì)建模模塊，建立了北山區(qū)域三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合邊界條件、流場特征、地下水均衡項和水文地質(zhì)參數(shù)的分析和描述，建立了北山地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)概念模型，為地下水數(shù)值模擬模型的建立提供依據(jù)［3-4］。

1 模擬范圍確定

從地下水系統(tǒng)的角度考慮，北山區(qū)域地下水流數(shù)值模型模擬范圍應(yīng)該包括完整的北山流域。由于地形高程差異是北山區(qū)域地下水流動的主要驅(qū)動力，地下水水位與地形之間存在明顯的相關(guān)性，因此，可以認為地表分水嶺便是地下水的分水嶺。運用ArcGIS軟件的水文分析模塊，利用地表數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)對北山地區(qū)進行水系提取和流域劃分，從而確定區(qū)域地下水流數(shù)值模型的范圍［5］。

1.1 利用DEM提取數(shù)字河網(wǎng)

1.1.1 DEM數(shù)據(jù)的獲取

DEM（地表數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)可利用全站儀或激光測距儀等工具測量獲取，也可通過航空或者遙感影像及地形圖進行提取。目前可以免費獲取的精度較高的DEM數(shù)據(jù)是NASA（美國國家航空航天局）發(fā)布的SRTM3（Shuttle Radar Topography Mission）DEM 的“Finished”版本數(shù)據(jù)，分辨率為3弧秒（相當于90 m）。該版本數(shù)據(jù)在原始DEM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，剔除了與周圍高程相差達100 m的數(shù)據(jù)異常點，將海平面高程視為0 m，并視湖面高程為一個常數(shù)，對于無數(shù)據(jù)區(qū)域進行插值填補，使得數(shù)據(jù)精度大大提高（垂直精度小于16 m，水平精度小于20 m），數(shù)據(jù)下載地址為http://seamless.usgs.gov。

1.1.2 流向確定

流向確定是DEM水文分析的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用最廣泛的計算方法為D8算法，即假設(shè)水流只能從一個網(wǎng)格流入與之相鄰的某個網(wǎng)格中。在選取的3×3的窗口中，求取中心網(wǎng)格與相鄰網(wǎng)格的距離權(quán)落差（即各網(wǎng)格與中心網(wǎng)格的高程差除以其對應(yīng)距離），然后以取值最大的網(wǎng)格作為流出網(wǎng)格，取中心網(wǎng)格的流向為流出方向。

1.1.3 匯流累積量的確定

匯流累積量計算的基本原理是賦予DEM柵格一個單位的水量，按照水流從高往低流的規(guī)律，以區(qū)域水流方向數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算流過每個柵格的水量數(shù)值，得到該柵格的匯流累積量。匯流累積量反映柵格匯水能力的強弱程度，其值越大則表示匯流能力越強，反之則越弱，若匯流累計量值為零，則表示無水流流向目標柵格，即柵格所處位置為該區(qū)域內(nèi)的高地。

1.1.4 河網(wǎng)的提取

通過匯流累積量的確定，每一個柵格都被賦予一個匯水能力的特征值，它表示能夠流入該柵格的所有柵格的數(shù)量。當特征值大于給定的閾值時，則認為該柵格位于水道之上，賦值為1，反之，則認為該柵格為產(chǎn)流區(qū)，賦值為0，然后，按有效水流方向連接各河道產(chǎn)生流域河網(wǎng)。

按照上述步驟進行北山區(qū)域水系提取，得到北山地區(qū)地表水系分布圖并對流域進行劃分（圖1），北山流域范圍北起外蒙戈壁阿爾泰山，南至河西走廊，西部以馬鬃山一帶為邊界，東部以黑河流域的額濟納旗盆地為排泄區(qū)。

1.2 模型范圍確定

由圖1可見，該區(qū)季節(jié)洪水形成的溝系十分發(fā)育，溝谷洪流主流向為自SW向NE方向流動，最終匯入黑河下游平原區(qū)。該子流域西部邊界是黑河流域西部邊界的一部分，沿地表分水嶺延伸；北部邊界以最新的黑河流域邊界為準，該邊界位于蒙古共和國境內(nèi)EW向分布的阿塔斯山脈；南部邊界是河西走廊平原北緣與北山地區(qū)山前斜坡接觸地帶；東部邊界則為黑河下游平原西緣與北山地區(qū)東部山前斜坡接觸帶。

圖1 北山預(yù)選區(qū)地表水系分布圖Fig.1 Surface water system of candidate Beishan area

從地下水系統(tǒng)角度來看，該區(qū)構(gòu)成了一個完整的、相對獨立的基巖裂隙地下水系統(tǒng)。西部邊界主要由地下分水嶺及與地下水流方向平行的零通量邊界構(gòu)成；北部邊界為沿山脊構(gòu)成的地下水分水嶺構(gòu)成，南部、東部邊界則主要為地下水排泄邊界。區(qū)內(nèi)地下水主要為當?shù)卮髿饨邓霛B補給形成，西部地形較高的地區(qū)為區(qū)域地下水補給區(qū)，廣大的中部、東部和南部地區(qū)為地下水徑流區(qū)，這些地區(qū)同時也接受大氣降水入滲補給，黑河下游平原及河西走廊則為地下水的排泄區(qū)，具備了一個完整地下水系統(tǒng)應(yīng)有的特征。模型的模擬區(qū)面積為8.24×104km2。

2 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型能夠清晰、準確地展示出整個研究區(qū)內(nèi)地層及含水層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、各含水層之間的相互關(guān)系，為水文地質(zhì)概念模型的建立提供直觀、可靠的依據(jù)。采用GMS7.1.10（地下水模型系統(tǒng)）建立了研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。GMS（Groundwater Modeling Systems） 是 美 國 Brigham Young University環(huán)境模型研究實驗室和美國陸軍排水工程實驗工作站開發(fā)的一個綜合性的用于地下水模擬的圖形界面軟件。在其所包含的模塊中，Borehole Data、TIN（Triangulated Irregular Networks）和Solid實體模塊是建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的主要功能模塊［6］。

建立三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，需要了解研究區(qū)的地貌、地質(zhì)條件，構(gòu)造發(fā)育情況。研究中收集并整理了北山地區(qū)1∶20萬、1∶50萬區(qū)域水文地質(zhì)報告、區(qū)域構(gòu)造分布圖、區(qū)域地質(zhì)圖、地表數(shù)字高程（DEM）以及鉆孔數(shù)據(jù)資料等，由于研究區(qū)區(qū)域面積大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，建模時根據(jù)模型需要并結(jié)合實際水文地質(zhì)條件對資料進行如下整理和概化［7-8］。

（1）合并含水巖組，將洪積、湖積松散沉積物定義為第1含水巖組；將灰?guī)r、頁巖、砂巖等沉積巖類定義為第2含水巖組；將巖漿巖、變質(zhì)巖定義為第3含水巖組。

（2）鉆孔數(shù)據(jù)相對欠缺，為了更準確建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，通過利用研究區(qū)地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)圖等資料的相關(guān)內(nèi)容，解決鉆孔資料不足的問題。

（3）將調(diào)整后的鉆孔資料進行整理，建立適用于GMS錄入的文本格式。

2.1 鉆孔數(shù)據(jù)整理

本次共收集的地質(zhì)、水文地質(zhì)鉆孔柱狀資料276個，根據(jù)地質(zhì)資料虛擬鉆孔83個。將鉆孔數(shù)據(jù)按巖性進行分組，按地層沉積順序進行分層。

在Borehole Date模塊中將鉆孔數(shù)據(jù)進行處理，輸入鉆孔坐標、高程、巖性和分層等數(shù)據(jù)，生成borehole文件（圖2）。

圖2 鉆孔位置分布圖Fig.2 Distribution of boreholes

2.2 地表高程處理

根據(jù)需要將研究區(qū)剖分成有限個不規(guī)則的三角形，并根據(jù)鉆孔高程數(shù)據(jù)插值計算出每個節(jié)點上的高程值，從而確定了研究區(qū)地表高程空間展布。

2.3 三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

GMS（地下水模型系統(tǒng)）提供了三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型建立的插值方法，包括反距離加權(quán)法、自然臨近法、Kriging法和對數(shù)法等。研究中選用自然臨近法，軟件將輸入的鉆孔數(shù)據(jù)根據(jù)不同分層進行插值計算，生成各含水巖組的底板高程線，并連接各鉆孔的同一含水層底板高程點，形成最終的三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型（圖3）。

圖3 研究區(qū)三維水文地質(zhì)構(gòu)造模型示意圖Fig.3 Sketch map showing three-dimensional hydrogeological structure model of candidate Beishan area

在上述研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，如地下水系統(tǒng)的邊界條件、初始地下水流暢、含水層結(jié)構(gòu)、均衡要素以及水文地質(zhì)參數(shù)分布等，建立水文地質(zhì)概念模型，旨在為地下水流數(shù)值模型建立提供依據(jù)。

3 水文地質(zhì)概念模型

3.1 邊界條件確定

模型北部邊界為戈壁阿爾泰山山脈，是北山流域北部的天然分水嶺，為模型零通量邊界（隔水邊界）；西部邊界亦為北山流域的天然分水嶺，為模型零通量邊界 （隔水邊界）；南部以河西走廊疏勒河、北石河一帶為邊界，為模型一類水頭邊界條件（給定水頭邊界）；東部邊界分兩部分，南東邊界為黑河，為模型一類水頭邊界（給定水頭邊界），北東邊界為北山流域排泄區(qū)，設(shè)為模型三類邊界（通用水頭邊界）；在垂向上，將潛水含水層自由水面作為上邊界；模型底部邊界為隔水邊界。

3.2 垂向含水層結(jié)構(gòu)的概化

研究區(qū)巖性分布以花崗巖等基巖為主，局部分布灰?guī)r、砂礫巖、頁巖、變質(zhì)巖以及松散巖類。為便于處理和計算，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)按照類同等厚度處理方法概化為11層含水層：根據(jù)實際調(diào)查結(jié)果，第1層為潛水含水層，厚度50 m；第2層為承壓含水層，厚度50 m；第3至第11層均為承壓含水層，每層厚度100 m；第11含水層以下為隔水底板。

3.3 初始流場確定

模型初始流場主要采用多年平均地下水水位資料，通過繪制地下水等水位線圖獲取。從繪制的等水位線圖可以看出，研究區(qū)地下水位在山區(qū)較高，而地形低洼處較低，地下水主流向為自西向東，南部的局部地區(qū)地下水自北向南流動。

3.4 主要均衡要素確定

3.4.1 降雨入滲補給量

北山地區(qū)地下水主要由大氣降雨入滲補給，其中包括地表徑流（如洪水）入滲補給。計算降雨入滲補給量的公式為：

式中：Qr—大氣降水入滲量，104m3·a-1；α—大氣降水入滲系數(shù)；F—接受降水入滲面積，m2；Qj—多年平均降雨量，m。

根據(jù)北山研究區(qū)各個氣象站的資料，利用泰森多邊形法將北山研究區(qū)不同降水量的控制面積區(qū)域進行分區(qū)，降水入滲系數(shù)值主要是根據(jù)包氣帶巖性，通過類比確定的。

3.4.2 地下水側(cè)向徑流量

根據(jù)區(qū)域地下水穩(wěn)定流流場，可以得到流域邊界上的水力梯度值，再根據(jù)巖性確定滲透系數(shù)，利用達西定律公式進行計算，便可確定側(cè)向徑流量。

3.4.3 蒸發(fā)量

蒸發(fā)是研究區(qū)地下水系統(tǒng)的主要排泄方式之一。蒸發(fā)量的大小與潛水位埋深和氣候條件等因素相關(guān)，參考區(qū)域水文地質(zhì)報告，計算時認為水位埋深大于5 m的地區(qū)潛水蒸發(fā)很小，不同地下水埋深潛水蒸發(fā)強度通過計算獲得。

3.5 水文地質(zhì)參數(shù)確定

水文地質(zhì)參數(shù)主要包括潛水含水層的滲透系數(shù)（k）、給水度（μ），承壓水含水層的滲透系數(shù)（k）及儲水率（Ss）。考慮到北山地區(qū)地下水基本處于天然狀態(tài)，采用穩(wěn)定流模型來刻畫，因此給水度和儲水率在模型中不予考慮。

裂隙介質(zhì)的滲透性受裂隙度、裂隙連接度、裂隙發(fā)育程度、裂隙寬度、裂隙密度和裂隙傾向等因素的影響。但是相對于大尺度模型來說，可將裂隙介質(zhì)近似為多孔介質(zhì)來模擬，視滲透系數(shù)主要受控于巖性。確定各區(qū)的滲透系數(shù)（k）初值主要依據(jù)在區(qū)內(nèi)所做的水文地質(zhì)試驗結(jié)果及相關(guān)水文地質(zhì)研究成果。垂向上的滲透系數(shù)分布滿足指數(shù)遞減方程：

式中：Kz—滲透系數(shù)，m·d-1；K0—第1含水層滲透系數(shù)，m·d-1；λ—衰減指數(shù)；Z—深度，m。

4 結(jié) 語

世界上許多有核國家都在開展高放廢物處置庫選址研究，其中地下水流數(shù)值模擬研究是其中的重要內(nèi)容之一。一般來說，高放廢物處置庫選址中的地下水流數(shù)值模擬研究是分階段分層次開展的，對應(yīng)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查，開展區(qū)域地下水流數(shù)值模擬研究；對應(yīng)場地詳細勘查，則開展場址乃至巖塊規(guī)模的地下水流數(shù)值模擬研究。根據(jù)我國北山預(yù)選區(qū)目前的選址研究階段和已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)資料情況，對該預(yù)選區(qū)開展了區(qū)域地下水流數(shù)值模擬研究。地下水流數(shù)值模擬有多種方法及其適用條件，但都需要建立研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型。正確的水文地質(zhì)概念模型應(yīng)綜合地下水系統(tǒng)的基本特征，反映地下水系統(tǒng)整體性和運動性的特點。筆者在建立北山地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)概念模型過程中，收集、整理和分析了大量已有的水文地質(zhì)資料，通過區(qū)內(nèi)地表水系的生成，把握了地下水系統(tǒng)的整體性，并為正確確定模型邊界位置和屬性提供了先決條件；在分析了所有鉆孔資料水文地質(zhì)信息基礎(chǔ)上，建立了三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型；同時，對區(qū)域地下水流場特征、地下水均衡要素和水文地質(zhì)參數(shù)等進行了綜合分析和描述，由此，建立了研究區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)概念模型。該模型的建立，將對后續(xù)的地下水流數(shù)值模擬研究構(gòu)建一個良好的基礎(chǔ)。

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