巖溶地下水數(shù)值模擬在水資源評價中的應用
--以樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地為例

■王松

（廣東省水文地質(zhì)大隊 廣東廣州 510510）

巖溶地下水數(shù)值模擬在水資源評價中的應用
--以樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地為例

■王松

（廣東省水文地質(zhì)大隊 廣東廣州 510510）

雖然地下水數(shù)值模擬方法研究及其應用已有50多年的歷史，但是強巖溶化含水介質(zhì)地下水的定量研究仍然存在許多有待進一步研究的問題。本次研究基于巖溶水的基本特征，采用了以控制性鉆孔為主，多源數(shù)據(jù)自動地層建模、曲面建模方法，構建了基于研究區(qū)地質(zhì)條件的水文地質(zhì)三維結構模型、地下水三維數(shù)值模擬模型，對研究區(qū)地下水進行數(shù)值模擬研究。模擬結果顯示樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地天然資源量為2986.3萬m3/a，與地下徑流模數(shù)法計算排泄量所得天然資源量2979.74萬m3/a相吻合。

數(shù)值模擬資源評價巖溶地下水

巖溶含水層介質(zhì)發(fā)育不均一性導致巖溶水系統(tǒng)的地下水運動規(guī)律與孔隙水、中小裂隙含水介質(zhì)存在天壤之別。選擇盡可能真實刻畫巖溶地下水流態(tài)的方程對巖溶地下水的模擬至關重要。本次研究基于巖溶水的基本特征，采用三重介質(zhì)模型對研究區(qū)規(guī)劃水源地地下水進行數(shù)值模擬研究。

1 研究區(qū)概況

樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地位于韶關市曲江區(qū)樟市鎮(zhèn)，大致以樟市鎮(zhèn)為中心，整體呈東闊西窄的喇叭形沿EW向展布，富水區(qū)面積56.02km2，匯水面積311.61km2（圖1）。

水源地位于大東山巖體SE側與黃思腦北西的NE端，為構造溶蝕--堆積盆地，盆地面積約160km2，地面高程50~70m，為區(qū)域構造轉折部位。盆地北、西、南三面環(huán)山，巖性以侏羅紀花崗巖和泥盆系桂頭群楊溪組碎屑巖為主，東緣為石炭系測水組碎屑巖所圍，構成半封閉型貯水構造盆地。羅坑河自西向東流經(jīng)盆地于亞婆洲匯入北江，枯季流量90L/s。

盆地上覆第四系厚7.15~35.30m，含孔隙水，水量貧乏~中等，盆地下伏泥盆系天子嶺組及石炭系石磴子組灰?guī)r?；?guī)r含裂隙溶洞水，水量豐富，溶洞發(fā)育。

圖1 樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地水文地質(zhì)略圖

該水源地除接受大氣降雨入滲補給外，還接受地表水和周邊巖溶水、基巖裂隙水的側向補給。地下水由北西南東、南分流，巖層多向盆地傾斜，形成了良好的匯水條件，地下水主要以泉的形式于河谷兩岸排泄。

水源地地處山區(qū)，目前該區(qū)地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，少部分作為生活飲用，利用率不足5%，開發(fā)潛力巨大。

2 數(shù)值模型建立

2.1 地下水模擬基本理論方法

巖溶地下水處于孔隙-裂隙-巖溶管道三重空隙介質(zhì)中，運動過程屬不同流態(tài)，故其滲透系數(shù)的表達式也不相同。為建立三重空隙介質(zhì)地下水流統(tǒng)一的控制方程，本研究引用陳崇希教授提出的折算滲透系數(shù)KL的概念[1]、[2]、[3]，將紊流態(tài)的水流如同層流態(tài)一樣，其流動規(guī)律在形式上用線性定律表示：V=KLJ

式中：V為滲透系數(shù)（LT-1）；J為水力坡度（無量綱）；KL為折算滲透系數(shù)（LT-1）。當?shù)叵滤畬儆谖闪髁鲬B(tài)（非達西流）時，KL隨雷諾系數(shù)Re而變化KL=KL（Re）；若地下水呈層流流態(tài)，則KL與Re無關，且KL=K（K為達西流態(tài)下的滲透系數(shù)）。于是，可采用類似地下水達西流動控制方程的形式來建立達西-非達西流的控制方程：

引入折算滲透系數(shù)KL概念后，可將不同分區(qū)流態(tài)采用一個統(tǒng)一的流動規(guī)律來表示。從而，使巖溶管道水流與孔隙、微裂隙水流耦合起來。

有了上述關于巖溶管道折算系數(shù)的處理方法，對于裂隙中非達西流的處理可以采用類似的方法。根據(jù)Bear、陳崇希等人的理論[4]、[5]，采用相應的軟件，建立樟市規(guī)劃水源地三維地質(zhì)模型及地下水動態(tài)模擬。

2.2 含水層三維結構模型

根據(jù)樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地現(xiàn)有開采井的布設、水源區(qū)的地下水補排條件、周邊地下水源地的分布及水文地質(zhì)條件等，劃定本次模擬范圍為東臨北江與烏石、大坑口隔河相望，南鄰英德市沙口鎮(zhèn)，西聯(lián)羅坑鎮(zhèn)，北接白土鎮(zhèn)。

通過鉆孔信息、地層信息、剖面信息來建立鉆孔數(shù)據(jù)庫管理，利用REIMS軟件來建立三維地質(zhì)模型。將研究區(qū)的鉆孔數(shù)據(jù)通過boreholes模塊導入，研究區(qū)的邊界數(shù)據(jù)通過 GIS模塊導入后再轉換成map模塊的數(shù)據(jù)或通過map模塊直接生成。鉆孔數(shù)據(jù)模型，通過鉆孔巖性相同自動相互連接，并自動插值來形成地質(zhì)實體實現(xiàn)地質(zhì)實體建模。

2.3 邊界條件概化

側向邊界：根據(jù)研究區(qū)邊界的水文地質(zhì)條件和各觀測井的地下水觀測資料，通過水流分析將側向邊界概化為定水頭邊界與定流量邊界兩種。其中沿北江的邊界概化為定水頭邊界，其他邊界為定流量邊界。

垂向邊界：上部邊界為潛水面，是不斷變化的水量交換邊界，有降水入滲、蒸發(fā)和灌溉等；下部邊界為石炭系灰?guī)r地板，概化為隔水邊界。

圖2 樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地三維地質(zhì)結構模型

2.4 含水層介質(zhì)的概化

松散巖類孔隙含水介質(zhì)中，空隙分布較連續(xù)均勻，其中賦存運移的地下水流具有統(tǒng)一水力聯(lián)系，水量分布亦較均勻。而數(shù)值模擬很夠很好的刻畫三維連續(xù)孔隙介質(zhì)，因此模擬結果比較精確。但是巖溶化巖體空隙的高度各向異性和不均勻性導致數(shù)值模擬對巖溶含水介質(zhì)的模擬精度不高。此時，必須對巖溶體做出合理概化，使得概化的地質(zhì)體和實際地質(zhì)體在巖溶分布和結構特征方面大致能夠吻合，做出的模擬結果才能符合實際。本次研究將樟市水源地劃分為上部厚度起伏較大的含松散介質(zhì)孔隙水的潛水層和下部厚度較均勻的基巖裂隙水的承壓含水層。

2.5 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)含水層的埋藏條件及降水入滲能力，將研究區(qū)含水層分為3個參數(shù)區(qū)：I區(qū)為第四系平原區(qū)域；II區(qū)為非巖溶區(qū)域；III區(qū)為巖溶區(qū)和花崗巖區(qū)。各參數(shù)分區(qū)滲透系數(shù)初值主要根據(jù)區(qū)內(nèi)抽水試驗計算成果通過換算確定，給水度及降水入滲系數(shù)取當?shù)亟?jīng)驗值。巖溶區(qū)的巖溶率則根據(jù)樟市巖溶盆地鉆孔調(diào)查數(shù)據(jù)來計算線巖溶率和面巖溶率。其他需要確定的參數(shù)主要有：源匯項、河流滲入補給量、地下水側向補給量、大氣降水入滲補給強度和地下水開采量，其中地下水開采量取樟市水源地的實際開采量和其他開采量（包括農(nóng)村生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)自備井）。

圖3 樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地參數(shù)分區(qū)圖

圖4 樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地第2含水層地下水水流場圖

3 模擬結果

此次模型預測是在不改變率定好的模型的邊界條件，參數(shù)，只更改開采量與降水入滲量的情況下，重新運行模型，模型運行結果即為預測結果。

根據(jù)樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地建立的地下水流模型所計算的資源量和其他方法計算資源量的結果如表1。

表1 樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地資源量計算結果表

運用數(shù)值模擬法得出樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地天然資源量為2986.3萬m3/a，開采量為1934.32萬m3/a，靜儲存量為萬m3，調(diào)節(jié)儲存量為10986.8萬m3。運用降水入滲法計算補給量得出的天然資源量為7632.86萬m3/a，運用徑流模數(shù)法計算排泄量得出的天然資源量為2979.74萬m3/a。

4 水資源計算結果分析

從表1對比分析，數(shù)值法和地下徑流模數(shù)法的計算結果很接近，與大氣降水入滲法的結果相差較大。數(shù)值法和地下水徑流模數(shù)法計算天然資源量結果與大氣降水入滲法計算的結果相差很大。主要原因為樟市鎮(zhèn)規(guī)劃水源地為構造溶蝕--堆積盆地，北、西、南三面環(huán)山，富水區(qū)面積較小，因此很難精確的取得大氣降水入滲系數(shù)。大氣降水入滲后部份遺留含水層中未全部排泄，導致大氣降水入滲法計算的結果偏大。而數(shù)值法是通過對樟鎮(zhèn)市規(guī)劃水源地建立三維地下水流模型來求解的，其中樟市規(guī)劃水源地三維地質(zhì)結構模型真實的反映了樟市地質(zhì)實況，在充分利用已有資料的基礎上，結合本區(qū)以往工作經(jīng)驗，合理的進行參數(shù)分區(qū)和參數(shù)賦值，樟市三維地下水流模型的地下水場及地下水總體流向大體趨勢由西及西南巖溶山地向東南第四系松散盆地流，最終匯入北江與樟市巖溶盆地實際情況相符，同時樟市觀測孔模擬水位和實際水位也相吻合。因此，數(shù)值法計算的結果比較合理，對該水源地規(guī)劃建設、開采具有較大的指導作用。

[1]陳崇希等,地下水不穩(wěn)定混合抽水的滲流-管流耦合模型機其應用,科學技術研究報告 （88172K051） [R].1998.6.

[2]成建梅，陳崇希廣西北山巖溶管道-裂隙-孔隙地下水數(shù)值模擬初探 [J].水文地質(zhì)工程地質(zhì) (4期),1998:50~54.

[3]陳崇希巖溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介質(zhì)地下水流機模擬方法研究 [J].地球科學, Vol 20，No.4，1995.

[4]Bear著，李競生，陳崇希譯，多孔介質(zhì)流動動力學 [M].中國建筑工業(yè)出版社，北京.1983:125~127.

[5]陳崇希，唐仲華.地下水流動問題數(shù)值方法 [M].中國地質(zhì)大學出版社，武漢，1990.

TV211.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-367-2