數(shù)值法在巖溶地區(qū)地下水資源量計算中的研究應(yīng)用

劉躍蔭

摘要：Visual MODFLOW4.1是由加拿大Watedoo水文地質(zhì)公司在MODFLOW的基礎(chǔ)上開發(fā)研制而成，曾是國際上最為流行且被各國同行一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。該軟件提供了求解地下水流有限差分公式的很多種方法，如強(qiáng)隱式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、預(yù)調(diào)共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等，使模擬計算更加貼近實際，計算精度進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)值法；巖溶地區(qū)；地下水；可開采資源量

數(shù)學(xué)模型是建立在對天然地質(zhì)體概念模型高度認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，要確定一個地下水流問題的數(shù)學(xué)模型，就必須進(jìn)行水文地質(zhì)測繪、鉆探、試驗，查明地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。為了更精確地評價研究區(qū)的地下水資源量，預(yù)測地下水系統(tǒng)狀態(tài)及其變化趨勢。本次根據(jù)柳東區(qū)的水文地質(zhì)條件、鉆孔、地下水水位動態(tài)，建立地下水系統(tǒng)模擬模型；在地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌條件的控制下，柳東區(qū)的水文地質(zhì)邊界清晰，屬于一個較完整的水文地質(zhì)單元，模擬范圍以河間地塊地下水分水嶺與柳江為界。

1.地下水賦存介質(zhì)概化

柳東區(qū)地形為峰林谷地一洼地地貌，地面高程一般80～380m，北面及南面有碳酸鹽巖山體出露，其余皆為第四系所覆蓋。模型三維立體展示如圖1所示。

本次地下水資源數(shù)值法評價采用地下水模擬軟件VisualMODFLOW4.1進(jìn)行模擬。

Visual MODFLOW4.1是由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在MODFLOW的基礎(chǔ)上開發(fā)研制而成，曾是國際上最為流行且被各國同行一致認(rèn)可的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評價的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。該軟件提供了求解地下水流有限差分公式的很多種方法，如強(qiáng)隱式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、預(yù)調(diào)共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等，使模擬計算更加貼近實際，計算精度進(jìn)一步提高。

如圖，第四系覆蓋層之下地層有孤峰組下段（P2g1）、棲霞組（P2g）、南丹組（C2Pn）、馬平組（C2Pm）和黃龍組下段（c2h2）灰?guī)r以及黃龍組上段（Ceh1）、大埔組（C2d）白云巖，受巖性及構(gòu)造影響，該區(qū)巖溶裂隙、溶洞較發(fā)育，為地下水賦存提供有利條件。根據(jù)模擬區(qū)地下水系統(tǒng)含水介質(zhì)的特點(diǎn)及水文地質(zhì)條件，將含水層概化為兩層。

2含水層水力特征的概化

數(shù)學(xué)模型是建立在對天然地質(zhì)體概念模型高度認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，要確定一個地下水流問題的數(shù)學(xué)模型，就必須進(jìn)行水文地質(zhì)測繪、鉆探、試驗，查明地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。為了更精確地評價研究區(qū)的地下水資源量，預(yù)測地下水系統(tǒng)狀態(tài)及其變化趨勢。本次根據(jù)柳東區(qū)的水文地質(zhì)條件、鉆孔、地下水水位動態(tài)，建立地下水系統(tǒng)模擬模型；在地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌條件的控制下，柳東區(qū)的水文地質(zhì)邊界清晰，屬于一個較完整的水文地質(zhì)單元，模擬范圍以河間地塊地下水分水嶺與柳江為界。從空間上看，地下水流整體上以水平運(yùn)動為主、垂向運(yùn)動為輔，地下水系統(tǒng)的流入、輸出隨著時間、空間變化而變化，故該系統(tǒng)地下水為非穩(wěn)定流；參數(shù)隨時間和空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，在水平與垂向上有明顯的差異性，所以參數(shù)概化成各向異性。故將模擬區(qū)的地下水流作為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流處理。

3.柳東區(qū)邊界條件的概化

柳東區(qū)地形為峰林谷地一洼地地貌，地面高程一般80～380m，北面及南面有碳酸鹽巖山體出露，其余皆為第四系所覆蓋。上覆第四系粘土可視為相對隔水層，下伏碳酸鹽巖溶水含水層，稍具承壓性，以下對各個邊界概化作具體闡述。

1）側(cè)向邊界概化

①東西兩側(cè)為柳江河，河床切割較深，均切割基巖，河水流量較穩(wěn)定，水流平緩，水位變幅小，可作為碳酸鹽巖溶水含水層第一類邊界，即河流定水頭邊界。

②北面牛車坪村一馬鹿村一帶，山體高程達(dá)180～380m，為地下水分水嶺，主要為碎屑巖分布區(qū)，巖性以砂、泥及頁巖為主，透性及富水性差，可作為隔水邊界，即為第二類邊界。

③南面以架鶴村一市福利院一帶的局部地下水分水嶺作為隔水邊界，即為第二類邊界。

4.水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和初值的確定

模型主要的水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、給水度、貯水率。在不影響計算精度的情況下，為了使參數(shù)分區(qū)簡化，將每一個滲透系數(shù)分區(qū)同時視為給水度、貯水率分區(qū)。將第四系土層分區(qū)劃分為一層，根據(jù)模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件，將碳酸鹽巖含水層在平面上進(jìn)行參數(shù)初步分區(qū)，其參數(shù)大小的初始值按照本次各地段施工鉆孔及收集以往資料的鉆孔揭露的巖溶發(fā)育特征和相應(yīng)有鉆孔抽水實驗資料，初步確定每個分區(qū)相對應(yīng)的參數(shù)初值。

5.滲流場數(shù)值模型的識別和驗證

取SZ10、SZ20、SZ23鉆孔觀測水位數(shù)據(jù)與模擬水位數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，作為模型的識別和檢驗，根據(jù)收集到的地下水觀測資料，取模型識別的時段為2015年5月20日到2016年4月20日，以實際水位和計算水位的擬合情況作為調(diào)整參數(shù)的依據(jù)。通過多次修正滲透系數(shù)、給水度、貯水率等，得出了含水層滲透系數(shù)和貯水率的大小及分區(qū)與觀測孔的計算與實測水位的對比。

計算水位較實測水位滯后，模擬水位比較接近實測水位，水位線趨勢相同，水位擬合誤差小于0.5m。水位變化值較少的情況下誤差在容許范圍內(nèi)。從圖中可看出，各觀測孔模擬值與實際值動態(tài)擬合效果較好，說明模擬所用的參數(shù)是合理的。

6.模擬區(qū)地下水流場分析

通過數(shù)學(xué)模型識別和驗證，表明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件概化、水文地質(zhì)參數(shù)的選取較合理的，數(shù)學(xué)模型能較真實地反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)特征，可用模型數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水流場分析。天然條件下河間地塊地下水均向柳江排泄，在中部形成了一條近南北向的地下水分水嶺，將模擬區(qū)分成兩個次級水文地質(zhì)單元。東面水力坡度比西面的小。隨著地下水水位的下降，水力坡度逐漸減小。整體地下水位略高于柳江水位，水流較平緩。

7.模擬區(qū)地下水允許開采量的預(yù)測

1）預(yù)測方案

在降水保證率95%條件下，利用建立的地下水模型對設(shè)計方案進(jìn)行模擬預(yù)測，本次預(yù)測模型的邊界條件和水文地質(zhì)參數(shù)保持不變，補(bǔ)給項和排泄項按95%保證率重新計算，開采量擬采用東環(huán)水源地開采井來設(shè)計開采量，通過多次調(diào)試來確定。預(yù)測期為2016～2026年，以月、年為時間段，共21個應(yīng)力期，第一年以—個月為—個應(yīng)力期，第一年以后以一年為—個應(yīng)力期，每個時間段內(nèi)包括不同的時間步長。初始流場選擇2015年12月末的流場。

2）預(yù)測結(jié)果

通過調(diào)試最終以開采量48000 m3/d進(jìn)行預(yù)測，按設(shè)計方案開采3個月后，水源地中心地下水位大幅下降形成降落漏斗，開采1年、3年后，地下水位整體持續(xù)下降，漏斗面積不斷增大，直至6年后，地下水流場達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，水位基本保持不變，與10年后相比降幅不超過O.02m，漏斗面積不再增加。因此，預(yù)測該模擬區(qū)允許開采量為48000 m3/d（17.52×106m3/a）。

結(jié)語：在礦坑開采過程中，開采工作需要符合國家的技術(shù)規(guī)范以及要求，勘測礦山的地址水文條件以及礦山地址水文的類型復(fù)雜程度，結(jié)合實際環(huán)境設(shè)計出符合條件的工作任務(wù)，并確定大致的工期范圍。在施工開采的過程中，專業(yè)人員應(yīng)時時檢測地下水的流量變化，以防止意外事件發(fā)生，及時完成工作任務(wù)，提升安全防范意識。endprint