沖蝕型大陸島地下水數(shù)值模擬研究——以東海島為例

滕建標，劉蘊芳，周雯，李國敏，盧耀東

(1.環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣州 510655;2.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029;3.廣東省水文地質一大隊，廣東湛江 524049)

大陸島是指地貌、地質結構與鄰近的大陸一致或有密切聯(lián)系的島嶼，按其形成的原因可分為構造島和沖蝕島兩種［1］。湛江東海島島內中、深層含水層與大陸(湛江市區(qū))通過湛江灣底部相連，相應含水層水文地質條件一致，地下水水力聯(lián)系密切，是典型的沖蝕型大陸島。

大陸島絕大多數(shù)是基巖島，由于海水入侵［2-3］、地層尖滅等原因，一般作為獨立的水文地質單元進行研究。國內外不少學者對于這些島嶼作了相關的水文地質研究。李國敏等［4］、LiuC［5］分別對廣西潿洲島、金門島作過水文地質數(shù)值模擬研究。但是，對于與大陸地下水聯(lián)系密切的大陸島開展數(shù)值模擬研究仍較少。

數(shù)值模擬技術能夠真實地刻畫含水層系統(tǒng)復雜的水文地質條件，在地下水資源的研究、評價和管理工作中被廣泛采用［6］。本文以廣東湛江東海島為例，對非獨立的沖蝕型大陸島地下水進行地下水數(shù)值模擬研究，建立東海島地下水三維數(shù)值模型，模擬東海島地下水流場，對于沖蝕型大陸島數(shù)值模擬研究具有借鑒意義。

1 東海島水文地質概況

東海島位于廣東省湛江市南部，面積約286km2。自20世紀60年代開始開發(fā)利用島內中層承壓水作為水源以來，隨著本島及鄰區(qū)開采量的不斷增加，中、深層承壓含水層的水位也在逐年下降。據(jù)該區(qū)地下水動態(tài)長期觀測資料顯示，2007年島內中層承壓水降幅最大的監(jiān)測孔水位標高已達－9.71m，水位埋深比1966年降低了14.21m;降幅最大的深層承壓水監(jiān)測孔水位標高為－7.80m，比1966年下降了15.80 m［7］。隨著東海島地下水水資源供需矛盾日益突出，有必要對研究區(qū)地下水水資源進行定量研究，為島內地下水資源開發(fā)利用提供指導。

東海島平均海平面高程為2.2m，地貌類型以北海組平原為主，其次為濱海平原環(huán)島分布，湛江組臺地僅局部分布，玄武巖臺地分布于東部龍水嶺一帶。

東海島位于東海斷凹陷盆地內，盆底主要由白堊系地層構成，地表出露地層為第四系，其下沉積厚約1000m的新生代砂質和泥質巖類互層。島內地下水系統(tǒng)主要由松散巖類孔隙含水巖組構成［8］。含水層按照埋深、水力特征和開采條件可分為三層，如圖1、圖2所示。

(1)淺層水:全島各地均有分布，含水層埋深一般5～30m，巖性主要為粗砂、中砂、細砂等，厚度3～10m不等。島內淺層水接受大氣降水的垂向入滲補給，一部分垂向越流補給下伏含水層，一部分沿著其弱透水層底板潛流入海。

(2)中層承壓水:分布于全島各地，巖性為湛江組的粗砂、礫砂及中細砂，總厚度50～90m。中層水與淺層水之間以10～25m厚的湛江組黏土相隔。中層承壓水主要接受淺層水的越流補給和南側雷州灣的側向補給，受到湛江市區(qū)大量開采形成降落漏斗的影響，地下水總體上由南向北徑流。

(3)深層承壓水:分布于全島各地，巖性為下洋組的礫石、礫砂及中粗砂。深層水和中層水之間以下洋組黏土層相隔。含水層頂板埋深205～332m。地下水位標高為－2～－8m。該層為島內供水的主要開采層位之一，富水性較好，接受上層含水層的越流補給和西南側側向來水補給，向湛江市區(qū)漏斗區(qū)排泄。

圖1 東海島水文地質剖面示意圖Fig.1 Hydrogeologic profile of Donghai Island

圖2 2008年東海島地下水流場實測圖Fig.2 Groundwater contour of Donghai Island in 2008

2 地下水數(shù)值模型建立

2.1 水文地質條件概化

根據(jù)東海島水文地質條件，島內中砂、粗砂和礫砂等砂性土富水性較好，賦存有豐富的地下水，為區(qū)內主要含水層;黏土、砂質黏土等黏性土富水性和透水性均較差，為相對隔水層。

通過分析評價區(qū)實際水文地質條件，建立如下水文地質概念模型:非均質各向異性;上邊界為降水補給、蒸發(fā)和井排泄邊界;下邊界為隔水邊界;模型第一層的四周邊界以海岸帶為邊界，概化為定水頭邊界;模型其他層的四周邊界由海岸帶向四周延伸2km，并將北部和南部邊界概化為流量邊界，通過modflow的井文件實現(xiàn)。中層水概化為2層含水層，淺、深層含水層分別概化為1層，即4層含水層。

2.2 數(shù)學模型

上述水文地質概念模型可用如下數(shù)學模型描述:

式中，Ω為地下水滲流區(qū)域;S1為模型的第一類邊界;S2為模型的第二類邊界;kxx、kyy、kzz分別為x、y、z主方向的滲透系數(shù)，m/s;w為源匯項，包括降水入滲補給、蒸發(fā)、井的抽水量和泉的排泄量，m3/s;μs為貯水率，1/m;H0(x，y，z)為初始地下水水頭函數(shù)，m;H1(x，y，z)為第一類邊界地下水水頭函數(shù)，m;q(x，y，z，t)為第二類邊界單位面積流量函數(shù)，m3/s。

2.3 模型構建

根據(jù)水文地質概念模型和數(shù)學模型，利用國際通用的visuamodflow軟件求解。模型計算單元為100m×100m矩形網(wǎng)格，垂向上按實際鉆孔資料進行分層。最終剖分共計500列、392行、7層，共計592557個有效計算單元，如圖3所示。

為了較準確地刻畫評價區(qū)水文地質條件，本模型依據(jù)水文地質圖及抽水試驗結果，將評價區(qū)分成了14個參數(shù)分區(qū)，同時通過計算水位和實際水位擬合分析，反復調參，得到最終的含水層參數(shù)。

圖3 模型三維視圖(垂向放大30倍)Fig.3 Model of 3D view(Verticalmagnified30times)

3 模型識別與檢驗

3.1 地下水水位動態(tài)擬合

根據(jù)水文地質模型所建立的數(shù)學模型，必須反映實際流場的特點，因此，必須對數(shù)學模型進行校正，即校正其參數(shù)以及邊界條件等是否能確切地反映計算區(qū)的實際水文地質條件。本次模擬依據(jù)2007年的18個長觀孔地下水水位資料來對模型進行校正，共歷時365d，源匯項包括降水、蒸發(fā)、人工開采等。對模型求解后得到在給定水文地質參數(shù)和各均衡項條件下地下水位動態(tài)擬合曲線如圖4、圖5、圖6所示。通過擬合長觀孔水位動態(tài)，識別水文地質參數(shù)、邊界和其他均衡項。由于參數(shù)分區(qū)和參數(shù)初值選取客觀地反映了研究區(qū)的水文地質條件，經(jīng)細致調參后，模型識別取得了較好的效果。

圖4 2007年淺層地下水水位擬合曲線Fig.4 The curve fitting of shallow groundwater in 2007

3.2 模型驗證

圖5 2007年中層地下水水位擬合曲線Fig.5 The curve fitting of middle groundwater in 2007

圖6 2007年深層地下水水位擬合曲線Fig.6 The curve fitting of deep groundwater in 2007

為進一步驗證所建立的數(shù)學模型和模型參數(shù)的可靠性，利用2008—2009年實測地下水水位動態(tài)觀測資料對數(shù)學模型進行了檢驗。采用模型識別后的參數(shù)來計算各長觀測孔水位動態(tài)，模擬計算得到的水位與實測水位比較結果如圖7、圖8、圖9所示。由圖可知，實測值與計算值擬合程度較高，差別不大，基本達到模型精度要求，表明模型正確，可以進行預測。

圖7 2008年淺層地下水水位擬合曲線Fig.7 The curve fitting of shallow groundwater in 2008

圖8 2008年中層地下水水位擬合曲線Fig.8 The curve fitting of middle groundwater in 2008

圖9 2008年深層地下水水位擬合曲線Fig.9 The curve fitting of deep groundwater in 2008

圖10、圖11、圖12為東海島2009年6月淺層、中層和深層流場模擬圖，對比東海島的等水位線圖(圖3)可知，模擬結果與實際流場基本一致，模型可用來進行后續(xù)的水量水質預報。

圖10 2009年6月東海島淺層地下水等水位圖Fig.10 Calculated of shallow groundwater contour，Donghai Island in June 2009

4 結論

圖11 2009年6月東海島中層地下水等水位圖Fig.11 Calculated of middle groundwater contour，Donghai Is land in June 2009

圖12 2009年6月東海島深層地下水等水位圖Fig.12 Calculated of deep groundwater contour，Donghai Island in June 2009

在分析東海島水文地質條件的基礎上，構建了東海島地下水水流三維數(shù)值模型。本次主要工作內容包括:①水文地質條件分析與模型構建;②針對沖蝕型大陸島不同含水層與大陸之間的水文地質關系而采取的模型概化措施;③地下水水流三維數(shù)值模擬檢驗。模型的識別驗證結果表明，所建數(shù)學模型能夠較好地反映東海島水文地質條件，可用做東海島未來的水質水位預報和地下水資源管理。

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