水文地質(zhì)孔隙水的研究方法分析

鄭龍日，劉立強

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水文地質(zhì)孔隙水的研究方法分析

鄭龍日1，劉立強2

（1.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六○五隊，吉林 延吉 133000；2.黑龍江省第一地質(zhì)勘察院，黑龍江 牡丹江 157011）

我國是人口大國，每年總體用水量高達6萬億m3，人均用水量更是逐年增長。我國是典型的內(nèi)陸型國家，淡水資源稀缺，以至于我國大部分地區(qū)的淡水資源都是通過開鑿地下井水獲得的。隨著人口的增大，用水量的增加，我國地下水的水位正逐年下降，應(yīng)該讓人們對水文地質(zhì)孔隙水有所了解，加大對水文地質(zhì)孔隙水的重視。

水文地質(zhì)；孔隙水；研究方法；地下水

孔隙水是地下水的一種，主要賦存在松散沉積物顆粒的孔隙中，多呈層狀分布，空隙間互相連接，同一含水層為統(tǒng)一的地下水面。在堆積平原和山間盆地內(nèi)廣泛分布，是工農(nóng)業(yè)和日常生活用水的主要來源?？紫端蕦訝罘植迹臻g上連續(xù)均勻，含水系統(tǒng)內(nèi)部水力聯(lián)系良好，因此，在孔隙水系統(tǒng)中打井取水，成功率很高。水文地質(zhì)孔隙水能夠?qū)紫端乃髁俊⑺桓叩瓦M行科學(xué)地測量，能夠為我國地下孔隙水的研究提供很多便利。

1　水文地質(zhì)孔隙水研究的意義

我國從幾千年前就通過挖井開采地下淡水，這種獲取淡水的方法一直延續(xù)到今天。但是由于常年的開采地下水，不僅直接導(dǎo)致我國地下水存儲量減少，還間接造成了許多問題。例如，地下水的減少造成沉積物顆粒間的孔隙水流失，沉積物顆粒坍塌堆積，使原本的土地缺失了泥土的支撐，從而導(dǎo)致地面凹陷、下沉、裂縫等現(xiàn)象。此外，由于土地中水分的流失，導(dǎo)致土壤中的營養(yǎng)隨之減少，土壤干旱、農(nóng)作物收成不好的現(xiàn)象時常發(fā)生。個別地區(qū)更是由于土壤缺水導(dǎo)致地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不能正常運作，發(fā)生地區(qū)干旱等自然災(zāi)害，造成人員的傷亡，地區(qū)經(jīng)濟水平下降。由此可見，我國應(yīng)該對地下水的開采實行相應(yīng)的措施，降低地下水過量開采的問題，保護我國的淡水資源不被破壞。要做到這些就必須對水文地質(zhì)孔隙水進行相應(yīng)的研究，通過三維立體地下模擬模型對地下孔隙水的情況進行分析，確定什么地區(qū)適合開采，什么地區(qū)不適合開采。

2　水文地質(zhì)孔隙水相關(guān)數(shù)據(jù)獲得方法

2.1實際數(shù)據(jù)收集方法

水文地質(zhì)孔隙水研究需要建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，這就需要大量的數(shù)據(jù)支持。我們需要對各個地區(qū)的水文地質(zhì)進行研究，如果將每個地區(qū)的所有數(shù)據(jù)都進行一一收集，不但會花費大量的時間和經(jīng)費，而且在研究過程中可能還會出現(xiàn)地下水輕微變動的情況，對相關(guān)研究造成很大的影響。所以，我們首先應(yīng)該對數(shù)據(jù)收集方法進行研究，選擇適合的獲取數(shù)據(jù)方法。我國常用的收集數(shù)據(jù)方法為實際檢測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)。實際數(shù)據(jù)從字面上就可得知，是根據(jù)地區(qū)的實際情況進行數(shù)據(jù)收集。然而，對整個研究地區(qū)的水文地質(zhì)孔隙水進行總體數(shù)據(jù)收集很困難，并且還要通過多次測量取平均值，這顯然很難辦到。所以，我們不得不采取隨機抽樣的方式對勘察地區(qū)進行數(shù)據(jù)收集，收集數(shù)據(jù)時需要在不同分割區(qū)內(nèi)進行隨機取樣，并且，需要對測量時間進行規(guī)定，在不同時間進行重復(fù)測量，這樣能夠更加準確地收集水文地質(zhì)孔隙水的地域情況。

2.2模擬數(shù)據(jù)收集方法

模擬數(shù)據(jù)方法與上一種數(shù)據(jù)收集方法有很大的區(qū)別，不需要對勘察地區(qū)進行現(xiàn)場考察，僅僅通過其他相關(guān)信息進行分析就可推算水文地質(zhì)孔隙水的目前情況。這種數(shù)據(jù)收集方法需要三維地下水數(shù)值模擬計算方法加以輔助。模擬數(shù)據(jù)收集的優(yōu)點就是耗費時間少、成本低。不僅不用花費大量的勘察設(shè)備，還大大減少了人工費用的開支，也不用大量的時間進行數(shù)據(jù)采集。然而，這種方法是通過信息推算得出的數(shù)據(jù)，與實際數(shù)據(jù)收集方法相比，其準確率明顯低于實際操作，所以這種方法一直都沒有被廣泛使用。

3　地下水數(shù)值模擬研究方法

3.1三維地下水數(shù)值模擬研究方法

近幾年，隨著科技的發(fā)展和地下水勘測技術(shù)的進步，三維地下水數(shù)值模擬技術(shù)被人們廣泛應(yīng)用，成為了當前水文地質(zhì)孔隙水研究的最實用的方法。數(shù)值模擬方法是對真實情況的仿真模擬，其原理是根據(jù)水文地質(zhì)的孔隙水相關(guān)數(shù)據(jù)進行參數(shù)分析，確定地下孔隙水的大概含量，根據(jù)確定結(jié)果做出合理的計劃。目前國內(nèi)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法有有限分差法（FDM）、有限單元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限分析法（FBM）等。有限差分方法是一種求偏微分（或常微分）方程和方程組定解問題的數(shù)值解方法，簡稱差分方法。這種方法是一種數(shù)學(xué)方法，被巧妙運用在孔隙水研究當中，可對孔隙水的流向和水位進行大致推算。雖然三維地下水數(shù)值模擬一直被廣泛應(yīng)用，但是還是存在短板，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該對數(shù)值模擬的薄弱環(huán)節(jié)進行研究，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具。

3.2GIS地下水數(shù)值模擬模型擬合方法

對于三維地下水數(shù)值模擬方法來說，整個過程通過數(shù)字數(shù)據(jù)和相關(guān)文件進行展示，其可視化程度差，表達出的形式不能夠直觀地進行判斷，很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析錯誤。GIS即地理信息系統(tǒng)的地下水數(shù)值模擬模型方法能很好地彌補可視性差的缺點。它將相關(guān)數(shù)據(jù)和地形勘測結(jié)合，通過機器轉(zhuǎn)化圖紙，方便人們直接觀察。這種方法可以通過勘測地形、水位高度、孔隙水流等要素進行自動曲線繪制，繪制出相應(yīng)的剖面圖，再通過參數(shù)對比判斷其準確度，如果準確率過低，將重新進行要素分析，直到其達到滿意的準確度。地下水的元素特征在點、線、面3種狀態(tài)下有一定的差距，所以GIS地下水數(shù)值模擬模型擬合方法應(yīng)該分別從點、線、面3個方面進行模擬研究。

4　我國水文地質(zhì)孔隙水研究存在的不足和相應(yīng)優(yōu)化

我國雖然已經(jīng)大量開采地下水資源，但是對地下水數(shù)值模擬的研究起步較晚。雖然我國近幾年科技發(fā)展迅速，但是仍然有一些問題亟待解決，最主要的問題是人們對于基本學(xué)術(shù)知識和地質(zhì)條件的研究重視度不夠。我國在水文地質(zhì)孔隙水研究方面的一流人才較少，人們大多只關(guān)心具體實踐，忽略專業(yè)知識，導(dǎo)致相關(guān)工人在具體操作時困難重重。由于研究設(shè)備花費大，研究時間較長，我國的大部分技術(shù)都是從國外引進，沒有真正花時間研究適合我國的孔隙水研究技術(shù)，導(dǎo)致我國的研究技術(shù)效率低，成果差。所以要真正將我國的水文地質(zhì)孔隙水研究提高上去，需要創(chuàng)建適合我國的研究體系，提高孔隙水研究人員的素質(zhì)。國家也應(yīng)大力支持人才培養(yǎng)建設(shè)，讓學(xué)生有更多的機會了解相關(guān)專業(yè)。

5　結(jié)語

我國的地下水數(shù)值模擬的研究和使用較晚，雖然近幾年的水文地質(zhì)孔隙技術(shù)研究有了很大的進步，但與發(fā)達國家相比還有一定的差距。我們還應(yīng)從國際的角度對地下水模擬的發(fā)展趨勢進行研究，對孔隙水發(fā)展制度制定科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃，真正地使我國的地下水實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保證居民的用水安全。

［1］翁愛華，李舟波，王雪秋，等.黑河干流淺層地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化的水化學(xué)特征［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2012，（3）：39.

［2］ 武強，董東林，武鋼，等.水位下降過程中孔隙水壓力變化的若干規(guī)律研究［J］.西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（4）：28.

Analysis of research methods of hydrogeological pore water

ZHENGLong-ri1，LIULi-qiang2
（1.Jilin Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau No.605 Team，Yanji 133000，China；2.First Geological Exploration Institute ofHeilongjiangProvince，Mudanjiang157011，China）

Our country is a large country in population，the annual total water consumption is up to 6 trillion m3，water consumption per capita is increasing year by year.Our country is a typical inland country and lacks of fresh water resources，so that freshwater resources of most parts of China are obtained by digging underground wells.With the increasing population and water consumption，the water level of groundwater is declining year by year，we should let people understand hydrogeological pore water，and make emphasis on issues of hydrogeological pore water.

Hydrogeology；Pore water；Research method；Groundwater

P641

A

1674-8646（2016）15-0020-02

2016-02-04