水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作在地下水模型研究中的重要性

孫延宗 呂沛才

1.山東地礦新能源有限公司 山東 濟(jì)南 250001;2.青島地質(zhì)工程勘察院 山東 青島 266100

從上世紀(jì)50年代開始,中國已經(jīng)采用地下水模型來開展水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作,到了80年代,模型技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展,有效提升了地下水資源勘查質(zhì)量。進(jìn)入21世紀(jì)以后,隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字模型誕生了,使水文地質(zhì)勘察工作的精確度得到了進(jìn)一步提升?？墒?數(shù)字模型畢竟啟用時(shí)間較晚,還需待進(jìn)一步完善。本文將舉例簡(jiǎn)析水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作在地下水模型研究中的重要意義,論述當(dāng)前數(shù)字模型的存在問題,并淺談如何完善數(shù)字模型。

一、水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作在地下水模型研究中的重要意義

水文地質(zhì)的基本定義是指地下水資源在自然界中的各種微妙變化和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,水文學(xué)是研究地球上的水的科學(xué),包括水的賦存、分布和通過水分循環(huán)的流動(dòng)以及生物的相互作用等,還研究處于各種相態(tài)的水的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)。地下水特指埋藏在地表以下的水,它在地下占據(jù)了土壤和土層的空間。大多數(shù)地下水來自降水,它逐漸滲入地面。降水量的10%到20%通常進(jìn)入到含水層(含水的并能釋放客觀水量的巖層。巖層內(nèi)有充滿水的孔隙,當(dāng)它們相連時(shí),水就在巖石中流動(dòng)。封閉含水層是由無明顯水量輸送或者不透水巖層封閉或者覆蓋的,但是真正的封閉含水層很少。非封閉含水層上面沒有不透水巖層,通過滲透與大氣層相通。含水層也稱作載水巖層、載水體或者載水區(qū)。)大多數(shù)地下水不含致病的有機(jī)物,如供民用和工業(yè)用,不需要純化。并且,地下水源不會(huì)受短期干旱的影響,在很多沒有地表水源的地區(qū)都可以得到地下水。水文地質(zhì)科學(xué)主要是研究地下水資源的科學(xué),包括地下水的賦存、分布規(guī)律,通過水分循環(huán)的流動(dòng)以及生物的相互作用等,還研究地下水資源的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)。在上世紀(jì)50年代,我國主要是運(yùn)用普查勘探技術(shù)開展的水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作,到了80年代,國家開始運(yùn)用模型技術(shù)來開展地下水資源定量評(píng)估工作,加強(qiáng)了人們對(duì)水文地質(zhì)科學(xué)的定量認(rèn)知,進(jìn)一步加快了該學(xué)科的發(fā)展速度。到了20世紀(jì)末和新世紀(jì)初,水文地質(zhì)科學(xué)和數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字模型的誕生與廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的普查勘探技術(shù)相比,數(shù)字技術(shù)體制下的數(shù)字模型在理論知識(shí)體系和技術(shù)方法領(lǐng)域均勝一籌,在計(jì)算地下水資源進(jìn)的過程,可以根據(jù)不同水文條件來選擇最適宜的數(shù)字模型,并研究和分析地下水文條件,了解水資源的具體形態(tài),然后借助數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合分析數(shù)據(jù),獲取最準(zhǔn)確的模型及其參數(shù),以此做出做客觀的評(píng)價(jià)與精確預(yù)測(cè)。簡(jiǎn)而言之,水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作在地下水模型建立與研究中發(fā)揮著重要作用,能夠?yàn)樗牡刭|(zhì)勘查提供更為完備的參考,有助于優(yōu)化水文地質(zhì)研究手段,促進(jìn)水文地質(zhì)勘察工作的發(fā)展。

二、當(dāng)前數(shù)字模型的存在問題

中國國土資源幅員遼闊遼,地下水系統(tǒng)組織相當(dāng)龐大和復(fù)雜,開放性與隨機(jī)性很強(qiáng)。而數(shù)字模型啟用時(shí)間不久,還處于發(fā)展階段,部分模型并不完善,還須待進(jìn)一步優(yōu)化加工。需要注意的是,相對(duì)復(fù)雜的地下水系統(tǒng)而言,當(dāng)前我國所采用的數(shù)字模型尚屬于實(shí)體縮影,并不能全面反映地下水系統(tǒng)組織和地下水文條件。因此,要準(zhǔn)確獲取大量的水文地質(zhì)資料與真實(shí)數(shù)據(jù)方能建立最完善的數(shù)字模型。另一方面,需要全面了解地下水系統(tǒng)的所有組成部分和構(gòu)成要素,準(zhǔn)確分析各要素之間的關(guān)系、分布規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)變化,并綜合研究地下水資源的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),這樣方能建立最合理、最完善的數(shù)字概念模型?？蓪?shí)際上,在當(dāng)前的地下水文勘探工作過程中,我國所采用的勘探技術(shù)還相對(duì)落后,往往存在不少人為引入的水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作忽視問題,進(jìn)而導(dǎo)致模型建立錯(cuò)誤,誤差問題嚴(yán)重,數(shù)字概念模型的準(zhǔn)確性與真實(shí)性不合格。一旦數(shù)字模型選擇出錯(cuò),必然會(huì)導(dǎo)致地下水資源評(píng)估失真和預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確錯(cuò)誤。然而,這并不意味著數(shù)字模型在地下水文勘探工作中無法發(fā)揮任何重要作用,只能說明研究和建立數(shù)字模型的過程中,要對(duì)準(zhǔn)確分析地下水系統(tǒng)的內(nèi)在性和外力作用,與此同時(shí),要重視分析水文地質(zhì)的定性與定量之間的辨證關(guān)系。

從理論角度來講,借助數(shù)字模型開展地下水資源分布規(guī)律以及運(yùn)動(dòng)變化的模擬工作時(shí),往往會(huì)很難在短時(shí)間內(nèi)獲取一手資料,對(duì)此,不少工作人員會(huì)任意簡(jiǎn)化地質(zhì)條件,如果此時(shí)無法擬合地下水位,就會(huì)任意調(diào)整參數(shù),加劇了誤差問題,很容易導(dǎo)致含水層歪曲。舉例來講,假設(shè)某個(gè)研究區(qū)域的間歇性河流為甲河,常年流動(dòng)河流為乙河,該區(qū)域?qū)儆跊_積扇平原,存在兩個(gè)含水層,上部含水層有大量的粉細(xì)砂,含有夾層卵礫石透鏡體,含水層的厚度在5到10m,下部埋深了40m,分布非常廣泛,含水層在4到20m,含有大量的砂礫石。圖一就是該研究區(qū)域的平面示意圖。

圖一 該研究區(qū)域的平面示意圖

圖中的A至B是取水工程線,I為基巖山區(qū),II是山前的沖積扇平原,VI是甲河(為間歇性河流,季節(jié)性有水,河床漫灘主要由砂礫、卵礫組成),IV是乙河(常年流動(dòng)河流,河床漫灘主要由粉細(xì)砂組成)。具水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作和數(shù)字模型分析,乙河屬于古沖洪積層,該區(qū)域的東北界限應(yīng)該是乙河定水端的透水界限。第二次勘探工作經(jīng)過更細(xì)致地勘察和數(shù)字模型分析,得出高區(qū)域的目的層為甲河古沖積扇的進(jìn)一步延伸,該區(qū)域含水層的含水性作用自西南向東北遞減,到了東北界限區(qū),含水層已瀕臨消失,上部含水層中的粉細(xì)砂是乙河切割下部以后沖積而成的。兩個(gè)含水層之間存在厚度在10到20m的不透水粘性土層。由此可以看出,對(duì)于計(jì)算的目的層來講,東北界限區(qū)域的性質(zhì)則屬于不透水性邊界。兩次勘探工作得出的最終結(jié)果不盡相同,也發(fā)現(xiàn)如果任意擬合參數(shù)和水位就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字實(shí)體模型扭曲以及地下水流動(dòng)態(tài)模擬失真,進(jìn)而致使預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)出錯(cuò),評(píng)價(jià)結(jié)果失真。而且,如果未全面分析水文條件,就誤選數(shù)字模型也會(huì)嚴(yán)重影響勘探工作質(zhì)量,這種案例也屢見不鮮。例如在開采某個(gè)水巖溶礦床時(shí),必須勘察水文地質(zhì)條件,工作人員所獲取的一手資料不足,數(shù)字實(shí)體模型建立不精確,初次判斷該巖溶含水層是通過獲取潛水和天窗補(bǔ)給的大氣降水來維持水態(tài),認(rèn)為巖溶含水層趨于穩(wěn)定,就選擇穩(wěn)定流模型來預(yù)算礦坑的涌水量。在實(shí)際野外工作中才發(fā)現(xiàn)該區(qū)域附近村民為了滿足農(nóng)田水利發(fā)展需求,大量抽取地下水資源,該水巖溶礦床及其潛水層已經(jīng)不均衡,無法滿足巖溶含水層的補(bǔ)給需要,因此,在算礦坑的涌水量時(shí)不能選擇穩(wěn)定流模型,而是要選擇非穩(wěn)定流模型。這樣方能確保工作安全和預(yù)算的準(zhǔn)確性,也可以看出模型的建立和選擇對(duì)水文地質(zhì)勘察工作非常重要。

其次,在使用數(shù)值法來解析和建立地下水流數(shù)學(xué)模型時(shí),必須做好源匯項(xiàng)調(diào)查這一帶有困難性和復(fù)雜性的工作,要注意精心投入相應(yīng)的時(shí)間工作量,準(zhǔn)確獲取一手資料,并進(jìn)行綜合分析。某研究區(qū)原屬于工農(nóng)業(yè)和生活用水地區(qū),水量獲取很大,地下水資源多年處于過度抽取狀態(tài)。因?yàn)樵磪R項(xiàng)調(diào)查這一工作有很高的難度,很難獲取最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),對(duì)此,工作人員在計(jì)算過程中為了提升水位的擬合精度,就對(duì)源匯項(xiàng)做了部分調(diào)整,雖然在一定程度上滿足了工作需要,卻導(dǎo)致源匯項(xiàng)給值缺乏科學(xué)依據(jù),計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確,該項(xiàng)工作最終分析竟然得出地下水資源的補(bǔ)給量大于開采量,水位呈現(xiàn)緩慢上升的樣態(tài),并不符合實(shí)際情況。在第二次勘察工作中才發(fā)現(xiàn)地下水資源的補(bǔ)給量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開采量,水位一直在持續(xù)下降。如果按照第一次的分析結(jié)果對(duì)地下水資源進(jìn)行規(guī)劃,必然會(huì)加劇水資源的匱乏,不利于該地區(qū)的發(fā)展。

國家在上個(gè)世紀(jì)末針對(duì)某泉排型北方巖溶區(qū)開展了勘察活動(dòng),在該泉排型北方巖溶區(qū)的地下水模型研究工作中曾使用黑箱法來構(gòu)建數(shù)字模型,用以預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)中期與長期的泉流量,因?yàn)樗鶇⒖嫉挠^側(cè)資料不同,也未能分析相關(guān)變量的內(nèi)在聯(lián)系,所以預(yù)測(cè)結(jié)果并不準(zhǔn)確。圖二就是該泉排型北方巖溶區(qū)的預(yù)測(cè)變化圖。

圖二 泉排型北方巖溶區(qū)的預(yù)測(cè)變化圖

從圖2可以看出雖然表示泉流量的計(jì)算曲線t與實(shí)側(cè)條流最終接近擬合,基本滿足了擬合精度的要求,但是預(yù)報(bào)結(jié)果并不準(zhǔn)確,導(dǎo)致表示泉流量過程曲線的基本形態(tài)發(fā)生了大幅度改變,這也是水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作中地下水模型研究的問題之一。

三、如何完善數(shù)字模型

(一)提高數(shù)字技術(shù),配置人工智能技術(shù)

數(shù)字模型以數(shù)字技術(shù)為核心,對(duì)此,必須提高數(shù)字技術(shù),確保數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算的精確性,充分發(fā)揮模型的作用,彌補(bǔ)其不足。此外,人工智能技術(shù)使用范圍日益廣泛,并取得了良好的效果,在建立和完善數(shù)字模型的過程中也需要引入人工智能技術(shù),明確該技術(shù)研究目標(biāo)是了解計(jì)算機(jī)如何組織才能重新生成人類獨(dú)特的各種思考,諸如視覺模式識(shí)別、數(shù)據(jù)處理分析、復(fù)雜的決議和自然語言的使用等。如果所獲取的資料信息內(nèi)容繁雜,就無法運(yùn)用人工管理來提升管理效率,因此,要緊密融合人工智能技術(shù),對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類甄別、整理、歸納與統(tǒng)計(jì),同時(shí),可以組建完善的數(shù)據(jù)庫,構(gòu)建智能化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管體系,從而有效完善數(shù)字模型,加強(qiáng)其工作職能。

(二)引入實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水文條件測(cè)量工作中,具體來講,在水文條件勘察工作中運(yùn)用的GPS測(cè)量技術(shù)就是GPS RTK定位技術(shù),該技術(shù)屬于一種實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)下的衛(wèi)星全球定位技術(shù),其測(cè)量系統(tǒng)由若干臺(tái)移動(dòng)站和一臺(tái)基準(zhǔn)站組合而成,通常是運(yùn)用無線數(shù)據(jù)鏈來連接各移動(dòng)站與基準(zhǔn)站。移動(dòng)站在獲取改正參數(shù)的時(shí)候要以基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn),并通過接受數(shù)字信號(hào)來獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù),然后,基準(zhǔn)站會(huì)使用無線數(shù)據(jù)將改正好的參數(shù)傳輸給移動(dòng)站,這樣移動(dòng)站就能夠獲取精確的測(cè)量成果,以此提升水文條件測(cè)量工作質(zhì)量。目前,GPS RTK技術(shù)廣泛應(yīng)用于測(cè)量地形、測(cè)量物化探、測(cè)量礦區(qū)控制、布設(shè)工程點(diǎn)、測(cè)量勘探線剖面、測(cè)量地質(zhì)工程點(diǎn)定位和水深測(cè)量工作等。在水文條件勘察活動(dòng)中使用該技術(shù)可以準(zhǔn)確地處理復(fù)雜的工作流程,而優(yōu)化數(shù)字模型,也需要引入GPS測(cè)量技術(shù),運(yùn)用前方交會(huì)法、后方交會(huì)法、側(cè)方交會(huì)法、視距極坐標(biāo)法和導(dǎo)標(biāo)一角法來預(yù)測(cè)水下地形。

(三)滿足地下水系統(tǒng)的模型化與定量化

因?yàn)楫?dāng)前大多數(shù)數(shù)字模型不能滿足地下水系統(tǒng)的模型化與定量化,所以要結(jié)合這一缺陷,采取相應(yīng)的優(yōu)惠措施,綜合使用解析法、物理模擬法和數(shù)值解法以及土壤學(xué)和水文地質(zhì)科學(xué)知識(shí)來獲取最準(zhǔn)確的資料,建立最符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字模型,從定性與定量的角度來滿足地下水系統(tǒng)的模型化與定量化。

結(jié)束語

綜上所述,發(fā)揮水文地質(zhì)基礎(chǔ)工作在地下水模型研究中的重要作用,彌補(bǔ)當(dāng)前數(shù)字模型的缺陷,工作人員必須重視提高數(shù)字技術(shù),確保數(shù)據(jù)分析與運(yùn)算的精確性,積極引入人工智能技術(shù)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量技術(shù),盡量滿足地下水系統(tǒng)的模型化與定量化。