武漢市三維水文地質(zhì)建模要點研究

許彥平，熊志濤，趙德君，柯鵬振，楊 登，張 藝

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034;2.湖北省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖北 武漢 430070;3.恩施市環(huán)境監(jiān)測站，湖北恩施 445000;4.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心，湖北 武漢 430034)

0 引言

武漢市位于江漢平原東部，區(qū)內(nèi)地勢大致南東高、北西低，以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主。市區(qū)有兩列東西走向、南北平行的基巖殘丘。長江、漢江將區(qū)內(nèi)切割成武昌、漢口、漢陽三大地段。前人在對該區(qū)進(jìn)行地下水資源計算過程中，曾采用水動力學(xué)及均衡法、“R－C”電網(wǎng)絡(luò)模擬法、有限單元法等多種方法，并對計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，達(dá)到了一定的精度。但是，前期計算過程中，對模型的概化、邊界的選取、網(wǎng)格的剖分、參數(shù)的選取等方面，限于當(dāng)時的條件，存在一定的局限性。

三維水文地質(zhì)建模技術(shù)是一個多學(xué)科交叉技術(shù)，需要地質(zhì)、水文地質(zhì)、計算機科學(xué)、物理等多學(xué)科的支撐［1］。目前的三維水文地質(zhì)建模技術(shù)還存在著較多不足，主要表現(xiàn)在:數(shù)據(jù)需求量大及數(shù)據(jù)類型的多樣性;模型的構(gòu)建方法復(fù)雜多樣;數(shù)學(xué)模型復(fù)雜;模型不確定因素較多等［2］。本文結(jié)合武漢市水文地質(zhì)特點開展對三維水文地質(zhì)建模主要控制性要點進(jìn)行研究，以期更為精確、全面地反映武漢市地下水動態(tài)特征。

1 武漢市水文地質(zhì)條件概況

武漢市地下水類型按含水巖類性質(zhì)分為松散巖類孔隙水和基巖水兩大類，松散巖類孔隙水分布較廣，水量較為豐富;基巖中局部分布的碳酸鹽巖條帶分布區(qū)富水性較強—中等，其他含水巖類的富水性差。

第四系孔隙潛水含水巖組:主要分布于長江、漢江一級階地或河漫灘、心灘以及山區(qū)或崗狀平原的河谷、沖溝內(nèi)。含水巖組由第四系全新統(tǒng)亞砂土、粉細(xì)砂及砂礫石組成。分布范圍較小，水質(zhì)受地表水影響較大，集中供水意義不大。

第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組:分布于江河一、二級階地。含水巖組由第四系全新統(tǒng)沖積、沖洪積砂、砂礫(卵)石組成，巖性自下而上為砂(卵)石—中粗砂—粉細(xì)砂之韻律層。全新統(tǒng)含水層厚度變化較大，階地中前緣厚度較大，向后緣逐漸變薄。

第四系上更新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組:主要分布在二級階地上，含水巖組主要由含泥質(zhì)的砂、砂礫(卵)石組成。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水:賦存于石炭—三疊系碳酸鹽巖條帶的溶蝕裂隙和溶洞中。含水巖組的巖性主要為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r等。

碎屑巖類裂隙水:賦存于白堊—下第三系及志留—二疊系上統(tǒng)泥巖、頁巖、砂巖、硅質(zhì)巖等裂隙中。含水巖組一般隱伏于第四系松散巖類之下，一級階地埋藏于第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水層之下，二級階地埋藏于上更新統(tǒng)粘土層之下，崗狀平原區(qū)埋藏于中更新統(tǒng)粘土層之下。

白堊—下第三系砂巖、泥巖含水巖組分布于東西湖、武昌徐家棚、漢陽十里鋪等地段;志留系—二疊系上統(tǒng)泥巖、頁巖、硅質(zhì)巖含水巖組分布于武昌、漢陽的剝蝕丘陵區(qū)。該類型地下水富水程度取決于巖層張開裂隙的發(fā)育程度，水量一般較貧乏，不具集中供水意義。

2 武漢市三維水文地質(zhì)建模的要點

2.1 合理劃分地下水含水層

根據(jù)武漢市地層分布規(guī)律、巖土體水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合地下水動態(tài)特征、補徑排條件的分析，可將地層劃分為4個主要含水層:第四系全新統(tǒng)潛水含水層、第四系全新統(tǒng)承壓水含水層、第四系上更新統(tǒng)承壓水含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層。

武漢市第四系孔隙水含水層主要分布于長江及漢江沿岸河流沖洪積平原區(qū)，受江水分割及崗地區(qū)中更新統(tǒng)紅色粘土形成相對隔水邊界，前人將其劃分為多個獨立的水文地質(zhì)單元(圖1);但是由于各水文單元之間通過江水、湖水和下部巖溶水等越流補給，水力聯(lián)系較為緊密，如人為劃分為多個獨立的水文地質(zhì)單元，無疑將割裂其間聯(lián)系，造成地下水總量的重復(fù)計算和參數(shù)取值困難。同時，碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層呈近東西向條帶狀展布(圖2)，其巖溶發(fā)育程度明顯與上部第四系含水層的分布及富水性呈現(xiàn)正相關(guān)，故應(yīng)將武漢市原有水文地質(zhì)單元作為一個整體進(jìn)行研究。

圖1 第四系孔隙水含水層分布圖Fig.1 Distribution map of pore confined aquifer in the Quaternary

同時，第四系上更新統(tǒng)承壓水分布范圍相對較小，且與第四系全新統(tǒng)承壓水之間無明顯的隔水層，二者可概化為統(tǒng)一的承壓含水層;碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要分布于武漢市近東西向巖溶條帶區(qū)，其巖溶發(fā)育規(guī)律主要根據(jù)前人研究成果分析總結(jié)，以等效滲透系數(shù)的方式，基本符合達(dá)西定律，概化為孔隙水處理。

2.2 選取合理的邊界條件

邊界的選取關(guān)系到模型的成敗，選取合理的模型邊界，可以準(zhǔn)確反映武漢市地下水的總體分布;反之，則會造成地下水被認(rèn)為分隔，最后模擬結(jié)果可信性差。本次模型主要選取武漢市周邊的定水頭(第一類邊界)或者定流量(第二類邊界)區(qū)作為邊界［3］，最大程度保持含水層的完整性。

圖2 碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層分布圖Fig.2 Distribution map of karstwater of fractured rock of aquifer

東側(cè)以九峰山—鳳凰山一線低丘崗地為界，崗地地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土，低丘出露地層主要為泥盆系上統(tǒng)云臺觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁巖，可視為定流量邊界;王家店—龍口段地表出露地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖積層粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、砂礫石層，為地下水流出邊界。

南側(cè)以紙坊—石咀低丘崗地區(qū)和長河為界，紙坊—石咀低丘崗地區(qū)地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土、泥盆系上統(tǒng)云臺觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁巖，低丘走向近東西向，可視為定流量邊界;長河入江段基本切穿第四系承壓含水層，按定水頭邊界處理，其動水頭根據(jù)長河水位監(jiān)測資料確定。

西側(cè)基本以東西湖新溝農(nóng)場—東山農(nóng)場及蔡甸—新農(nóng)低丘崗地區(qū)為邊界，為定流量邊界;蔡甸低丘崗地區(qū)地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土、泥盆系上統(tǒng)云臺觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁巖，可視為定流量邊界。

北側(cè)以府河及長江為界，根據(jù)府河水位、長江動水位、水力坡度及切穿含水層滲透系數(shù)確定。

2.3 地表水與地下水之間的關(guān)系

如何分析確定地表水與地下水之間的補給、徑流、排泄關(guān)系，對于查明地下水的補給來源和補給量具有重要意義。研究區(qū)內(nèi)河流湖泊眾多，大型河流主要有長江、漢江、府河、長河等，主要湖泊有:東湖、嚴(yán)西湖、青菱湖、南太子湖、墨水湖、珠山湖、后官湖、什湖、金銀湖、黃家湖、湯遜湖、南湖、沙湖。

長河、府河作為模型邊界處理，取為定水頭邊界;長江、漢江則需分段定義，其中長江北東段、漢江西段為模型邊界，取為定水頭邊界;長江南段、漢江東部定義為內(nèi)部河流，需輸入河流動態(tài)數(shù)據(jù)，模擬計算地表水對地下水的入滲補給。長江、漢江主要在每年豐水期間對第四系孔隙水含水層地下水存在滲漏補給，可根據(jù)每年長江、漢江水位變化與該層監(jiān)測井地下水動態(tài)水位相對比，江水位高于觀測水位的時間即為實際滲漏補給時間;根據(jù)江水位動態(tài)變化與地下水位之間計算水頭差，進(jìn)而求出斷面水力坡度;將江底高程與含水層分布相對比，計算出補給面積，同時取含水層的滲透系數(shù)，最終求取江水對地下水的動態(tài)補給量。

湖泊水體對地下水的滲漏主要與湖底高程、湖泊水位，與地下水位間水力坡度、湖底巖土體滲透系數(shù)、湖泊庫容等相關(guān);需收集區(qū)內(nèi)主要湖泊水位動態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)湖泊周邊不同地層巖性，賦予不同分配系數(shù)，最終通過計算獲得湖泊對地下水的滲漏補給量。

2.4 準(zhǔn)確模擬開采井

武漢市開采井井孔多采用混合井，該井成井工藝簡單，可增加出水量和降低成本?；旌暇诘叵滤髂Ｐ椭腥绾文M，國際上尚未很好解決。目前，大多采用由美國地調(diào)局推出，并在國際上廣泛流傳和應(yīng)用的MODFLOW三維有限差分地下水流模型的建議，即按各層導(dǎo)水系數(shù)T的比例來預(yù)先認(rèn)為劃分各層的流量［4］。該措施明顯缺乏理論依據(jù)，因為該做法要求各分層的有效井徑相等和井壁處的水力坡度上下處相同，這兩個條件不可能人為控制，預(yù)先也不得而知。本次模擬主要根據(jù)前人(陳崇希，2001)研究提出的滲流—管流耦合模型來刻畫混合井，其中滲流刻畫地下水運動，管流刻畫井管中的水流，解決了混合井的模擬問題，大大地提高了模型的準(zhǔn)確性。

2.5 確定初始水頭的分布

初始水頭的確定是數(shù)值模擬的必要條件，通常利用一定數(shù)量觀測孔的水位數(shù)據(jù)，通過插值獲得各結(jié)點的初始水頭值。但是武漢市地下水觀測孔數(shù)量較少，且孔位分布不均，各種動態(tài)類型多樣，地下水開采層位不同等，會嚴(yán)重影響插值方法的準(zhǔn)確性［5］。本模型的建立，需考慮上述影響因素，采用“參數(shù)—初始水頭迭代法”，具體做法為:選取模擬的初始時間為2009年1月，用參數(shù)初始估計值從1980年1月開始模擬，至2009年1月將模擬水頭值與實測值擬合，粗略確定初始水頭;再以此初始水頭按常規(guī)方法求參，如此迭代求解。

2.6 合理概化水流模型

第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水含水層主要接受區(qū)內(nèi)降雨、河流入滲等因素對地下水的補給;潛水主要分布于長江、漢江兩側(cè)，與第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水相連通，二者形成統(tǒng)一的水力聯(lián)系;研究區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖裂隙巖溶水與上部第四系孔隙承壓水之間無明顯隔水層，二者呈互補關(guān)系，根據(jù)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖條帶分布及巖溶發(fā)育規(guī)律，巖溶通道內(nèi)地下水可概化為孔隙承壓水。

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)觀測孔長觀資料分析，不同地點、不同時間，地下水動態(tài)變化呈現(xiàn)不同的特征，加之武漢市地下水開采具有季節(jié)性，開采井分布具有不規(guī)律性，這就造成了武漢市地下水動態(tài)變化的多樣性特征。

基于此，武漢市地下水流問題可以概化為非均質(zhì)三維地下水非穩(wěn)定滲流模型。

2.7 地下水流模型的建立

依據(jù)本區(qū)地層巖性特征資料、水文地質(zhì)剖面圖和鉆孔資料等，在垂向上分為5層。第1層為潛水含水層，第2層為承壓水含水層，第3層為弱透水層，第4層為裂隙巖溶水含水層，第5層弱透水層。各模擬層底板標(biāo)高采用克里格法(Kring)對區(qū)內(nèi)近1 200個鉆孔各層底板標(biāo)高進(jìn)行插值計算求得;地表標(biāo)高主要對區(qū)內(nèi)1∶5萬地形圖等高線抽稀提點法，保證模型的真實性。

本文主要運用GMS數(shù)值模擬軟件，在創(chuàng)建地下水?dāng)?shù)值模擬模型時，采用有限差分方法對武漢市鉆孔分層數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，水平方向剖分為700 m×500 m的網(wǎng)格，每個單元面積為0.35 km2，整個研究區(qū)五層共剖分為24 390個網(wǎng)格單元。模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 武漢市地下水流模型網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Mesh generation of groundwater hydrogeologicalmodeling

模型識別的時段為2009年1月—2011年12月，通過對監(jiān)測孔擬合曲線的分析，總體誤差滿足本次模擬精度要求，模擬出2011年6月豐水期地下水水位等值線圖(圖4)。

3 結(jié)語

武漢市因受長江、漢江的分割，天然形成多個不同的水文地質(zhì)單元，但各水文地質(zhì)單元之間并非絕對獨立，需采用地下水系統(tǒng)概念，選取合理的水文地質(zhì)邊界，科學(xué)劃分地下水含水層，查明地表水與地下水的相互補給關(guān)系，大量收集全區(qū)地層高程數(shù)據(jù)及巖(土)體水文地質(zhì)參數(shù)等，才能建立準(zhǔn)確的地下水水流模型，從而反映武漢市地下水動態(tài)變化特征。

圖4 武漢市豐水期地下水水位等值線圖(2011年6月)Fig.4 Contourmap of groundwater level of high water season in Wuhan

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