基于GMS的玉符河人工補源影響研究

齊歡，秦品瑞，趙振華，丁冠濤

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

基于GMS的玉符河人工補源影響研究

齊歡，秦品瑞，趙振華，丁冠濤

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

為探究濟南市玉符河人工補源對趵突泉泉域的影響，在系統(tǒng)分析泉域水文地質(zhì)條件的基礎上，采用地下水數(shù)值模擬軟件GMS10.0建立了2012—2014年覆蓋趵突泉泉域的地下水流數(shù)值模型，通過模型對玉符河補源實施后地下水的徑流方向、影響面積以及對泉水位和西郊水源地水位的提升作用進行評估。結(jié)果表明：玉符河補源在實際滲漏量為10.52×104m3/d的情況下，玉符河補源水首先沿著炒米店地塹由南向北流，然后再向東、西方向徑流。補源后第177d，補源影響范圍基本抵達四大泉群，玉符河補源的最大影響范圍為485.79km2。玉符河補源對趵突泉、黑虎泉的最大影響水位為0.06m和0.04m；對濟南西郊水源地的水位起到明顯的提升作用，最大值達到0.57m。西郊水位的抬升可以緩解地下水開采對趵突泉水位的影響，減小保泉的壓力，也為將來濟南百姓重新喝上優(yōu)質(zhì)地下水奠定了基礎。

人工補源;GMS;玉符河;濟南市

0 引言

濟南是山東省省會，是全省政治、經(jīng)濟、文化中心，素以“泉城”聞名于世，“家家泉水，戶戶垂楊”的自然景觀享譽中外。20世紀50年代末和60年初，泉水常年川流不息。但是，隨著濟南城市的發(fā)展，社會經(jīng)濟的繁榮，人民生活水平的日益提高，需水量也不斷增大[1，2]。自1972年以來，濟南泉水經(jīng)歷了多次斷流，尤其1999年3月停噴以來，濟南泉群創(chuàng)下停噴長達926天的紀錄，引起了各級領導和社會各界的極大關注，后經(jīng)社會各界的不懈努力才得以噴涌[3-5]。目前，用人工補源補充地下水，可以快速、有效地阻止地下水水位的持續(xù)下降，同時防止各種次生災害的發(fā)生。人工補源研究開始于20世紀50年代，并得到普遍的應用，取得了良好的經(jīng)濟效益[1，2]。濟南市先后于2001年8月、2002年3月在玉符河上游渴馬至催馬地段進行了2次補源試驗，2次實驗分別在枯水期、豐水期進行，通過互相驗證對比，證明玉符河補源對泉水起到積極的作用[6-10]。

歷史上有很多學者對玉符河的補源效果進行研究。2003年，吳興波[8]通過對玉符河2次補源試驗進行分析，確定了河道滲水能力和滲漏水區(qū)，提出了補源效果好，關閉開采西郊自來水廠的觀點。2005年，馬承新[11]建立數(shù)值模型對山東省地下水人工回灌補源模型進行研究，總結(jié)出了適宜不同水源條件和不同類型區(qū)的回灌補源模型。2005年，章亦兵[1]建立了玉符河補源期間地下水流數(shù)值模型，并對不同水文年、不同開采量條件下泉水水位的變化進行預測。

已有的研究成果對玉符河補源徑流方式、補源效果進行了論證，但存在一定的不足。如補源對泉水位的影響是基于補源前、后水位長觀孔的日變幅對比得出，易受到降雨、開采等影響；同時對玉符河補源影響范圍、補源對西郊水源地水位的影響也缺乏定量的研究。該文在系統(tǒng)分析趵突泉泉域水文地質(zhì)條件的基礎上，采用地下水數(shù)值模擬軟件GMS10.0建立了2012—2014年覆蓋趵突泉泉域的地下水流數(shù)值模型，并通過模型對玉符河補源影響范圍、對泉水位的影響以及對西郊水源地的水位影響進行評估[12-14]。

1 泉域數(shù)值模型的建立

1.1 水文地質(zhì)概念模型

1.1.1 模型范圍

地下水流場模擬范圍的確定，應該以研究區(qū)水文地質(zhì)條件為依據(jù)，同時還應充分考慮地下水系統(tǒng)的完整性和獨立性。玉符河流域位于趵突泉泉域內(nèi)，考慮到趵突泉泉域地下水系統(tǒng)的形成和發(fā)育，均處在一個比較完整的地下水系統(tǒng)內(nèi)，在較長時期內(nèi)，有相對固定的補給項和排泄項，因此，該次工作對趵突泉泉域進行整體建模。

該次模型的范圍為：東至東塢斷裂;西至馬山斷裂;西北側(cè)以黃河及東阿斷裂為界，北側(cè)以奧陶紀灰?guī)r頂板埋深600m一線為界；南至泰山巖群變質(zhì)巖，面積1315km2，模擬深度-578m～763m(圖1)。

1—斷裂;2—泉圖1 模擬范圍圖

1.1.2 含水層結(jié)構特征

研究區(qū)含水系統(tǒng)主要包括第四紀孔隙含水層和裂隙巖溶含水層。在該次模型中，將研究區(qū)分為3層，概化為非均質(zhì)的各向異性的承壓三維非穩(wěn)定流。

第一層為潛水含水層，該目的層主要為第四紀全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)地層，含水層巖性為中粗砂、砂礫石層，含水層總厚10～40m，概化為二維流。

第二層為越流層，為潛水含水層底板以下的粘土層，石炭、二疊系等弱透水層，只考慮垂向一維流。

第三層為承壓水含水層，該目的層是寒武紀和奧陶紀地層，根據(jù)鉆孔資料，灰?guī)r埋藏深度，確定模型研究深度為600m左右。

根據(jù)收集整理的模擬范圍內(nèi)的水文地質(zhì)剖面，綜合考慮第四紀孔隙含水層和裂隙巖溶含水層之間的水力聯(lián)系，結(jié)合研究區(qū)沖洪積扇的范圍、厚度，區(qū)域水文地質(zhì)圖得出潛水含水層、越流層分布圖(圖2)。

1—斷裂;2—泉;3—潛水層、越流層圖2 潛水層、越流層分布圖

模型邊界概化：泉域東部總體為隔水邊界,僅在徐家莊至濟南鐵廠一帶具弱透水性;南部為隔水邊界;西部總體為隔水邊界,僅在老屯至前隆段具弱透水性;北部總體為隔水邊界,局部具弱透水性[15-16]。

模型內(nèi)部：千佛山斷裂從南到北貫穿整個模擬區(qū),南郊賓館以南為隔水邊界,以北為透水邊界。炒米店斷裂位于泉域中西部,為一組NNE向展布的斷裂，構成地塹，斷裂南起五峰山千佛洞西的石窩村，過炒米店后隱伏于地下。與玉符河在平面上呈相交的關系，該斷裂主要分為3條分支斷裂[1]。受炒米店斷裂的影響，玉符河下伏基巖巖溶裂隙發(fā)育，溝通了張夏組灰?guī)r含水層與奧陶紀灰?guī)r含水層，加強了二者之間的水力聯(lián)系，炒米店地塹在南北方向?qū)阅軓?對巖溶水徑流起到了重要的作用。

1.2 泉域地下水流數(shù)值模型

1.2.1 地下水流數(shù)學模型

研究區(qū)地下水流整體上以水平運動為主、垂向運動為輔，地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮相鄰含水層之間存在水量交換，地下水系統(tǒng)的垂向運動由層間水頭差異引起，地下水運動可概化為空間三維流；地下水系統(tǒng)的輸入輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流；參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性；參數(shù)在平面上有明顯的方向性，垂向上與水平方向有較大的差異，表現(xiàn)出明顯的各向異性。該地下水流系統(tǒng)，可用以下微分方程的定解來描述：

式中：Kx,Ky和Kz為x,y,z方向滲透系數(shù)(LT-1)；h為水位標高(L)；W為含水層的源匯項(T-1)；S為含水介質(zhì)的貯水率(L-1)；h0為初始水位(L)；Γ2為二類邊界；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)(LT-1)；n為Γ2邊界的外法線方向；q(x,y,z,t)為二類邊界上已知流量函數(shù)(LT-1)，流入為正，流出為負，隔水邊界為0；Ω為滲流區(qū)域。

將研究區(qū)平面上剖分為470行，500列，各層采用100m×100m網(wǎng)格剖分，垂向上剖分為3層，每層得到235000個單元格。選擇2012年10月1日至2013年9月30日為模型的識別期;2013年10月1日至2014年9月30日為模型的驗證期。根據(jù)實際野外監(jiān)測情況，以5天為一個應力期，每個應力期包含若干時間步長，時間步長根據(jù)模擬計算量設定，嚴格控制每次迭代的誤差。

1.2.2 源匯項的處理

大氣降水是地下水的重要補給項，據(jù)統(tǒng)計2012年10月—2013年9月泉域內(nèi)平均降雨量為731mm，2013年10月—2014年9月平均降雨量為497mm。結(jié)合該區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，晚寒武世崮山、炒米店組及早寒武世灰?guī)r入滲系數(shù)為0.01，裸露的中晚寒武世張夏組灰?guī)r入滲系數(shù)0.33，奧陶紀灰?guī)r入滲系數(shù)0.45，孔隙水和巖溶水有水力聯(lián)系的山前隱伏區(qū)入滲系數(shù)0.39[6，17]。

根據(jù)玉符河沿線的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件可知：寨而頭以南段，玉符河直接入滲補給張夏組灰?guī)r；催馬至宅科段，玉符河通過第四系入滲補給張夏組灰?guī)r；催馬至潘村段，玉符河通過第四系入滲補給奧陶紀灰?guī)r；潘村以北段，粘土層較厚，玉符河主要入滲補給第四系。根據(jù)大壩、寨而頭、催馬武警橋、羅而鐵路橋、104國道的分段實際測流資料，2012年10月—2013年9月玉符河的滲漏量平均為8.25×104m3/d，2013年10月—2014年9月玉符河的滲漏量平均為12.78×104m3/d，104國道以上河道基本全部滲漏。

水源地主要為西郊的古城水源地、冷莊水源地、橋子李水源地、臘山水源地、大楊莊水源地、峨眉山水源地以及長清區(qū)、蘆莊村水源地等(圖3)。西郊水源地由于保泉供水的需求，開采規(guī)模較小，根據(jù)統(tǒng)計資料，水源地開采量約10×104m3/d。

1—斷裂;2—泉;3—長觀孔；4—水源地圖3 典型水位觀測孔及水源地位置圖

泉域內(nèi)工業(yè)自備井約128個，根據(jù)統(tǒng)計資料開采量為7.39×104m3/d；農(nóng)業(yè)開采主要分布于第四系覆蓋區(qū)，經(jīng)調(diào)查分析，泉域內(nèi)農(nóng)業(yè)開采第四系孔隙水為6.77×104m3/d；農(nóng)村生活用水分布于各個自然村，經(jīng)統(tǒng)計約0.99×104m3/d；據(jù)統(tǒng)計2012年10月—2013年9月，四大泉群排泄地下水19.05×104m3/d，2013年10月—2014年9月，四大泉群排泄地下水17.07×104m3/d。

1.3 模型的識別驗證

1.3.1 水位線的擬合

以2012年10月1日流場作為模型的初始流場，模擬期間源匯項根據(jù)實際搜集的資料，按照GMS要求的格式進行輸入，經(jīng)過參數(shù)的調(diào)整，得到趵突泉、黑虎泉以及濟南西郊的幾個典型承壓水觀測井的位置及水位過程擬合線，如圖3和圖4所示。

圖4 典型水位觀測孔擬合圖

從圖3可以看出，該模型可以較好地反映趵突泉泉域的泉水以及西郊的地下水流場變化趨勢，模型與實際情況具有良好的吻合性，符合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，所建模型合理，可行。

1.3.2 地下水均衡分析

玉符河補源主要補給巖溶水，識別期、驗證期巖溶含水層水量均衡見表1。從表1可以看出,在識別期, 趵突泉泉域補給量為68.14×104m3/d, 排泄量為55.48×104m3/d，均衡差為12.66×104m3/d，補給大于排泄，為正均衡;在驗證期,補給量為55.80×104m3/d, 排泄量為52.90×104m3/d，均衡差為2.90×104m3/d，補給大于排泄，為正均衡。河道水庫滲流量(包含玉符河補源量)對于泉域地下水均衡起到積極的支撐作用。

表1 識別期、驗證期巖溶含水層水量均衡

2 補源實施效果評估

2.1 玉符河補源影響范圍

模擬期內(nèi)，2013年1月5日玉符河開始補源，雖然玉符河并未從模擬初期開始補源，整個模擬期內(nèi)各個月的補源量不同，月內(nèi)分布不均，但并不影響對補源水徑流方向以及補源影響范圍的確定。綜合考慮野外實際水位測量的精度以及模型的運行時間，將GMS的水位收斂標準定為0.01m，在此選取4個典型的時間節(jié)點來論述玉符河補源的影響范圍(圖5)。

(a)2013年1月21日補源影響范圍；(b)2013年2月26日補源影響范圍；(c)2013年7月1日補源影響范圍；(d)2014年9月30日補源影響范圍；1—斷裂;2—泉;3—影響范圍圖5 玉符河補源影響范圍

從圖5(a)(b)可以看出，玉符河補源開始后，補源水沿著玉符河向四周擴散，整體是通過炒米店斷裂由南向北徑流，再分別向東、西方向擴散。其中2013年1月21日補源影響范圍為26.58km2，2013年2月26日補源影響范圍為149.43km2；從圖5(c)可以看出，補源后第177天，補源影響范圍基本抵達四大泉群，此時玉符河補源影響范圍為377.13km2；從圖6(d)可以看出，隨著補源的繼續(xù)進行，補源影響范圍繼續(xù)增大，但增速變緩，模擬期內(nèi)，玉符河補源的最大影響范圍為485.79km2。

2.2 玉符河補源對泉水位影響

利用所建的地下水流數(shù)值模型，采用反演的方式，模擬出玉符河補源對泉水位的影響(圖6)。

圖6 玉符河補源對泉水位的影響

由圖6可以看出：2013年1月5日玉符河開始補源，隨著補源水的不斷入滲，補源對趵突泉和黑虎泉的水位提升作用不斷增大，泉水位的上升趨勢與各個月的補源量基本呈正比，但略有延遲?？紤]到玉符河與四大泉群的距離，補源開始后第177天，對趵突泉的水位提升達到0.01m。模擬期間，玉符河補源對趵突泉水位的最大影響值為0.06m，對黑虎泉水位的最大影響值為0.04m。

2.3 玉符河補源對西郊水源地水位影響

利用所建的地下水流數(shù)值模型，采用反演的方式，模擬出玉符河補源對西郊水源地水位影響(圖7)。

圖7 玉符河補源對水源地水位的影響

從圖5，圖7可以看出，玉符河補源水流首先沿著炒米店地塹由南向北流,然后再分別向東、西兩側(cè)徑流，因此在炒米店地塹沿線及其北側(cè)的古城、峨眉山、大楊莊的水位上升值大于兩側(cè)的橋子李、冷莊的水位上升值。玉符河補源對濟南西郊的水位起到明顯的提升作用，對西郊6個水源地的水位平均提升0.52m，最大為峨眉山和大楊莊，水位提升值達到0.57m。

3 結(jié)論

(1) 在對趵突泉泉域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件綜合分析的基礎上，采用地下水流數(shù)值模擬軟件GMS10.0建立覆蓋趵突泉泉域的地下水流數(shù)值模型。通過模型的識別驗證，使所建模型可以較好地反映研究區(qū)地下水的實際情況。

(2) 玉符河補源開始后，補源水沿著玉符河下滲并向四周擴散。由于濟南地勢南高北低，而且炒米店地塹在南北方向?qū)阅軓?，入滲的地下水首先沿著炒米店斷裂由南向北流，然后再分別向東、西方向徑流。補源后第177天，補源影響范圍到達四大泉群；隨著補源的繼續(xù)進行，補源影響范圍繼續(xù)增大，但幅度變緩。玉符河補源在實際滲漏量為10.52×104m3/d的情況下，補源對趵突泉的最大影響水位為0.06m，對黑虎泉的最大影響水位為0.04m，玉符河補源工程對趵突泉、黑虎泉的水位起到積極的支撐作用。玉符河補源對濟南西郊6個水源地的水位平均提升0.52m，補源效果明顯。

(3) 濟南市西郊水源地由于保泉形勢的需求，開采規(guī)模較小。隨著濟南市海綿城市的建設以及地表水轉(zhuǎn)換地下水工程的實施，補源水將使?jié)衔鹘妓徊粩嗵?。西郊這個“大水庫”賦水性較強，西郊水位的抬升可以緩解水源地開采對趵突泉水位的影響，減小保泉的壓力，也為將來濟南市老百姓重新喝上優(yōu)質(zhì)地下水奠定了基礎。

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StudyonImpactofArtificialRechargeofYufuRiverBasedonGMS

QI Huan， QIN Pinrui，ZHAO Zhenhua， DING Guantao

(Shandong Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Jinan 250014，China)

In order to explore the effect of artificial recharge of Yufu River on the Baotu Spring domain, the groundwater numerical simulation software GMS10.0 was used to analyze the hydrogeological conditions of the spring domain. Groundwater flow numerical model of the Baotu Spring domain was established in 2012 and 2014 to elevate the runoff direction, the influence area of the groundwater, the enhancement of the water level in the spring water level and the western part of the water source after the artificial recharge of Yufu River. It is showed that the recharge water of Yufu River is firstly supplied from south to north along the Chaomidian graben, and then to the east and west. 177 days after the source is compensated, the maximum influence range of the group is 613km2. The maximum impact on water level of Yufu River for Baotu Spring and Heihu Spring is 0.06m and 0.04m, and the water level of western suburbs water source is obviously improved, the maximum value is 0.57m. The water level of the western suburbs can alleviate the impact of groundwater exploitation on the water level of Baotu Spring, reduce the pressure of protection of springs in Jinan, and also lay the foundation for the people of Jinan to re-drink high quality groundwater in the future.

Artificial recharge; GMS; Yufu River; Jinan city

TV213.4

B

2017-03-13；

2017-04-12；編輯陶衛(wèi)衛(wèi)

山東地礦重大科技攻關項目(2012-045)

齊歡(1986—)，男，助理工程師,河北邢臺人，主要從事水文地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)勘察工作；E-mail：943314446@qq.com

齊歡，秦品瑞，趙振華，等.基于GMS的玉符河人工補源影響研究[J].山東國土資源，2017,33(11)：55-61.

QI Huan, QIN Pinrui, ZHAO Zhenhua, etc.Study on Impact of Artificial Recharge of Yufu River Based on GMS[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(11)：55-61.