區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與地下水流場規(guī)律分析

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，我國地下水開發(fā)利用量持續(xù)快速增長，超采地下水造成的水位下降、地面沉降等問題逐漸突顯，揭示地下水流場變化規(guī)律對地下水開采方案的制定具有重要理論指導(dǎo)意義。因此，本文以青島平度市為研究背景，統(tǒng)籌考慮區(qū)域性地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)單元特征等要素，建立研究區(qū)地下水流場數(shù)值模型，并開展不同地下水開采方案下的地下水流場動態(tài)演化趨勢預(yù)測分析。結(jié)果表明：以2022年為現(xiàn)狀條件開采地下水，10年后水位將下降5m左右。隨著開采強(qiáng)度的降低，水位下降的速度逐漸減小，當(dāng)開采量減少30%的條件下，10年后水位下降2.8m左右。

關(guān)鍵詞：趨勢預(yù)測；數(shù)值模型；地下水；流-固耦合

中圖分類號：P642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.08.005

引文格式：卜憲龍，王春暉，秦升強(qiáng)，等.區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與地下水流場規(guī)律分析［J］.山東國土資源，2024，40（8）：29-36.BU Xianlong，WANG Chunhui， QIN Shengqiang， et al. Construction of Regional Geological Structure Model and Analysis on Groundwater Flow Field［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（8）：29-36.

0 引言

地下水是人類生存和發(fā)展的重要資源之一［1］，蘊(yùn)藏量巨大，分布廣泛，穩(wěn)定可靠，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、環(huán)境等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，近年來，地下水過量開采導(dǎo)致的次生危害問題日益嚴(yán)重［2-3］。因此，合理開發(fā)利用地下水資源成為當(dāng)前最緊迫的任務(wù)之一。國內(nèi)外專家學(xué)者圍繞該問題進(jìn)行了一系列深入研究，提出了與之相適應(yīng)的模擬計算方法。國外學(xué)者M(jìn)iaCeccatelli等［4］采用綜合建模方法，建立了Pistoia含水層水文地質(zhì)模型。朱居妍等［5］利用ProcessingModflow建立的瞬態(tài)地下水?dāng)?shù)值模型，對研究區(qū)進(jìn)行了校正，并對其進(jìn)行了科學(xué)論證。設(shè)計了4種地下水開采方案，模擬預(yù)測未來50年地下水流場的不同方案。伊朗學(xué)者M(jìn)asoud Mahmoudpour等［6］利用PMWIN模擬地下水位，驗證、分析、預(yù)測未來趨勢，通過數(shù)值模擬，得出2004年底的地下水位，利用野外實測和觀測井Insar數(shù)據(jù)驗證其結(jié)果。田月峰［7］建立了區(qū)域相關(guān)的數(shù)值模型，預(yù)測本研究區(qū)在不同關(guān)井或限采措施下，在現(xiàn)況開采條件下，未來15年內(nèi)該區(qū)域地下水位的變化。惠翔等［8］基于地下水滲流理論和太沙基一維固結(jié)理論，建立了三維地下水流的水土耦合數(shù)值模擬模型，進(jìn)行區(qū)域地下水流場演化趨勢預(yù)測。李貴仁等［9］構(gòu)建了研究區(qū)地下水三維空間流場模型，提出了“海綿體”型和“蘑菇”型地下水系統(tǒng)理論，明確了地下水系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律。亓協(xié)全等［10］以Visual Modflow三維有限差分地下水流動模型為基礎(chǔ)，數(shù)值模擬深部地下水降落漏斗發(fā)育，得出地下水流場時空動態(tài)分布規(guī)律。劉蘇哲等［11］對濱州地下水系統(tǒng)水位地質(zhì)概念模型進(jìn)行了概化，建立了區(qū)域立體地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，通過模型系統(tǒng)預(yù)測了地下水流場時空動態(tài)分布規(guī)律。宋昀等［12］以構(gòu)建研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型為基礎(chǔ)，以修正后的地下水流數(shù)值模型為依據(jù)，對地下水流場演化進(jìn)行預(yù)測。熊小鋒等［13］利用TOUGH2-Flac3D建立的三維模型，模擬計算大區(qū)域含水層位移變化和抽水條件下參數(shù)動態(tài)變化特征。盛登寶等［14］以多孔彈性物理場接口（多物理場耦合分析軟件Comsol Multiphysics中）建立流固耦合模型。精確反映含水層水頭、土體孔隙水壓力分布。李鐸等［15］分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件，概化為3個含水層組、3個弱透水層組，建立相應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用MODFlow軟件模擬地下水流。馬建花等［16］利用Visual Mod Flow軟件，深度分析研究了地下水流，認(rèn)為具有較強(qiáng)的水文地質(zhì)條件。根據(jù)不同灌溉量條件下地下水水位分布情況進(jìn)行黑臺地下水?dāng)?shù)值模擬，得出未來5A地下水流場演化過程。張路等［17］根據(jù)研究區(qū)域地下水特征建立2D地下水?dāng)?shù)值模型，對地下水流量進(jìn)行綜合研究，分析區(qū)域水文地質(zhì)資料、模型參數(shù)敏感性。預(yù)測在逐步擴(kuò)大地下水開采條件下未來研究區(qū)的地下水流場。韓雪等［18］利用Processing Mod flow軟件設(shè)置兩種不同的布井方式，利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型模擬地下水的數(shù)值，獲得地下水流場擬合結(jié)果。姚錚等［19］建立了膠西北地區(qū)三維地質(zhì)模型，直觀、清楚地反映出了該地區(qū)地層厚度及變化趨勢。

上述研究成果表明，建立地下水流場數(shù)值模型并開展模擬計算是一種預(yù)測地下水流場發(fā)展演化趨勢的重要方法，可為合理開采地下水提供有利的參考依據(jù)，模型構(gòu)建的準(zhǔn)確性直接決定趨勢預(yù)測的精度。

為此，本文以青島平度市地層結(jié)構(gòu)為研究背景，建立區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，開展不同地下水開采條件下地下水流場動態(tài)演化規(guī)律預(yù)測分析，以期為地下水開采方案提供理論參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

平度市位于山東省東部，青島市西側(cè)，東臨萊西市，南接膠州市，西靠濰坊市，北毗萊州市。地勢自北向南逐漸傾斜，屬于膠東丘陵的一部分。北部多為海拔200～500m的低山丘陵，南部為平原地帶，地勢相對平坦。主要河流有膠萊河、大沽河、小沽河等，全市總面積約3176.7km2。

1.1 地質(zhì)條件

平度市地層條件較為復(fù)雜，包括沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖。沉積巖包括侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系等。沉積巖層蘊(yùn)藏著煤、油、氣等豐富的礦產(chǎn)資源。火成巖在平度市也有分布，主要為侵入巖，如花崗巖和閃長巖。主要分布在北部山區(qū)，地勢險要，巖體堅硬。變質(zhì)巖在平度市的分布較少，主要分布在部分地區(qū)的地下深處，在高溫高壓條件下巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、性質(zhì)等發(fā)生了變化?？偟膩碚f，平度市地層條件較為復(fù)雜，多種巖類交錯分布，為該地區(qū)的礦產(chǎn)資源開發(fā)、水資源利用和工程建設(shè)等提供了不同的條件。

受環(huán)太平洋地質(zhì)構(gòu)造域和青藏高原地質(zhì)構(gòu)造域的影響，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要表現(xiàn)為以褶皺斷層結(jié)構(gòu)為主的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于地殼運(yùn)動，平度市發(fā)生了多次強(qiáng)烈的褶皺和斷層活動，形成了一系列走向各異的褶皺和斷裂帶。這些構(gòu)造活動導(dǎo)致了地層的重復(fù)和缺失，以及巖石變形和破壞，對平度市的礦產(chǎn)分布、水資源和工程建設(shè)等產(chǎn)生了重要影響。

火山巖分布也是平度市地質(zhì)構(gòu)造的另一個重要特征。位于環(huán)太平洋火山帶上的平度市歷史上曾多次發(fā)生火山活動。這些火山活動形成了以玄武巖、安山巖、流紋巖等為主的大量火山巖?；鹕綆r的分布對于平度市的礦產(chǎn)資源、地形地貌和土壤類型等方面具有重要意義。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)域的地下水特征主要受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地下水補(bǔ)給量的影響，也受徑流和下泄條件的影響。

平度市屬于膠東丘陵的一部分，地勢自北向南逐漸傾斜。北部多為低山、丘陵，地勢較為平坦，南部為平原地帶。全市主要含水層為松巖類孔隙含水層和第四系基巖裂隙含水層，地表水資源豐富，有大小河流、水庫湖泊等水源。這些地表水通過滲漏、滲透等方式補(bǔ)給地下水，使得地下水水位得以保持并形成豐富的地下水資源。

地下水補(bǔ)給、徑流和下泄條件等也是影響平度市水文地質(zhì)特征的因素。平度市的地下水補(bǔ)給包括大氣降水補(bǔ)給、地表滲水補(bǔ)給、地下水越流補(bǔ)給。地下水徑流方向受地形地貌、地層結(jié)構(gòu)、地下水水位等因素的影響，總體呈南北流向。主要是通過地下水的蒸發(fā)、人為活動和徑流等方式將地下水排出。

平度市地下水特點(diǎn)受地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地下水補(bǔ)給、徑流和下泄條件等多種因素影響，具有水資源豐富、水質(zhì)優(yōu)良、水位穩(wěn)定等特點(diǎn)，為全市生產(chǎn)、生活和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供了良好的水資源保障。

2 地下水流場模型

2.1 模型建立

充分收集并分析研究區(qū)域內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣象水文、鉆孔、水資源等基礎(chǔ)資料，建立研究區(qū)地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型。

2.1.1 模型基本理論

采用GMS地下水模擬軟件，對研究區(qū)地下水滲流進(jìn)行模擬，以水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，用方程表示如下：

式中：H0（x，y，z，t）為滲流模型的初始條件，q1（x，y，z，t）為滲流模型的邊界條件，W為源匯項，如雨水、蒸發(fā)等，以滲流模型的邊界條件為界，其余各符號含義與基礎(chǔ)概念介紹部分相同。

2.1.2 水文地質(zhì)概念模型

按水文地質(zhì)工程地質(zhì)性質(zhì)相近合并的原則對數(shù)值模型的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，數(shù)值模型概化為4層。第一層為表土層，主要巖性為粉質(zhì)黏土，底板埋深-14.52m～51.59m；第二層為第一含水層，主要巖性為中細(xì)砂、中粗砂，夾雜粗砂和砂礫，底板埋深-18.3m～45.69m；第三層為第一弱透水層，主要巖性為粉質(zhì)黏土夾雜黏土，底板埋深-16.8m～45.69m；第四層為第二含水層，主要巖性為中粗砂，底板埋深-14.8m～49.19m。

2.1.3 邊界條件確定

將側(cè)向邊界與研究區(qū)邊界的水文地質(zhì)條件、各觀測井的地下水觀測資料結(jié)合起來，通過水流分析，將其概化為河流分界線和固定流量。

垂向邊界上部主要補(bǔ)給來源為大氣降水和河流側(cè)滲，大氣蒸發(fā)和不斷變化的水量交換邊界為排泄方式，上部為流量邊界；粉質(zhì)黏土與黏土作為底部隔水邊界，主要構(gòu)成下部邊界。

2.1.4 模型網(wǎng)格剖分

基于研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，以GMS的MAP模塊、MODFLOW概念建模法，建立研究區(qū)含水層地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型。模型共剖分為16萬個單元，通過對研究區(qū)各種地形地質(zhì)特征和水文條件、模型邊界條件的研究，網(wǎng)格滿足計算精度。

2.2 模型識別與驗證

水文地質(zhì)參數(shù)包括降水入滲系數(shù)、給水度、滲透系數(shù)等。以地層巖性為依據(jù)，對降雨入滲系數(shù)進(jìn)行分區(qū)賦值。滲透系數(shù)、給水度的選取參考研究區(qū)水文地質(zhì)資料中的抽水試驗數(shù)據(jù)和地層巖性特征以及《山東省地下水資源評價》。

源匯項既包括自然因素，也包括人類活動對地下水產(chǎn)生的補(bǔ)給與排泄作用。共包括大氣降水、地下水補(bǔ)給與排泄、大氣蒸發(fā)、河道排泄、農(nóng)田灌溉、地下水開采等幾個方面。

從地下水穩(wěn)態(tài)流場及地下水水位動態(tài)兩個方面，采用試估-校正法對模型進(jìn)行識別與驗證。通過計算流場與初始流場進(jìn)行對比分析可知，計算水流的流向與實測無明顯水流方向差異，可以判定研究區(qū)邊界條件是合理的。

同時選取位于研究區(qū)內(nèi)4口地下水位監(jiān)測資料與數(shù)值模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明擬合計算期間內(nèi)水位變化值約為14m，因此最大允許誤差應(yīng)小于1.4m，本次計算最大差值為0.917m，小于1.4m，符合規(guī)范要求，且計算結(jié)果可以反映監(jiān)測水位的變化趨勢，擬合效果較好。

2.3 地下水流場動態(tài)分布規(guī)律

基于上述識別與驗證后的地下水流場模型，選取2017年4月—2022年7月為研究區(qū)域模擬期，研究研究區(qū)含水層地下水流場的動態(tài)變化規(guī)律。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測年報，將2017年4月份水位分布作為初始條件，確定數(shù)值模型初始條件如圖1所示。

研究區(qū)地下水枯水期與豐水期分別在2018年和2019年的分布如圖2、圖3所示。

研究表明，地下水在兩年豐水期受降雨降水、蒸發(fā)排泄和人為灌溉等因素影響，水位較枯水期偏高，但總體平穩(wěn)。

受地質(zhì)特征及人為活動等因素的控制，研究區(qū)的總趨勢基本與地形保持一致，是由北部流向南部。地下水同樣會流向由于地下水開采較集中而導(dǎo)致水位較低的崔家集鎮(zhèn)附近（圖4）。地下水流速較大的區(qū)域為山前，其次是因地下水匯聚而形成的漏斗處，其余地區(qū)流速較低，水位變化也較小。

3 地下水流場演化趨勢預(yù)測分析

為了綜合研究地下水開采對研究區(qū)地下水流場時空分布規(guī)律的影響，設(shè)置了不同的地下水開采工況開采量，然后對地下水流場分布規(guī)律在不同工況下的差異進(jìn)行比較?；谛拚蟮牡叵滤S數(shù)值模型，開展地下水開采條件下過去兩年以及未來8年（2022—2032年）地下水流場演化趨勢預(yù)測分析。以研究區(qū)地下水資源現(xiàn)狀開采現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，預(yù)測了地下水流場在不同減采情況下的特征。

3.1 現(xiàn)狀開采條件下地下水流場動態(tài)演化規(guī)律

由于北趙家村、崔家集鎮(zhèn)、大紀(jì)家村等地地下水持續(xù)開采，導(dǎo)致地下水位不斷下降，在現(xiàn)有開采條件下，地下水流場在2022年、2032年的變化如圖5所示，地下水位下降速度每年0.5m左右。如果保持現(xiàn)狀地下水開采條件，到2032年時，北趙家村附近的漏斗就會與周邊村落的地下水連成一片，演化形為一個大型地下水降落漏斗。此時，地下水降落漏斗超過-8m水位的面積從2022年的7.60km2擴(kuò)大到2032年45.47km2，面積將增大近40km2。

3.2 減少開采條件下地下水流場動態(tài)演化規(guī)律

在現(xiàn)有地下水開采條件的基礎(chǔ)上，對地下水流場動態(tài)分布在地下水不同減采條件下的規(guī)律進(jìn)行分析，減少開采10%和30%（分別對應(yīng)工況一和工況二）。地下水流場在工況一條件下的變化情況如圖6所示，在工況一開采條件下，地下水位仍一直下降，地下水位的下降速率年均在0.43m左右。到2032年，北趙家村附近的漏斗仍會與周邊村落的地下水連成一片，變?yōu)榇笮偷叵滤德渎┒贰?8m水位的降落漏斗面積從2022年的7.60km2擴(kuò)大到2032年42.82km2，與現(xiàn)狀條件下保持開采的漏斗區(qū)面積對比減少了2.65km2。

地下水流場在工況二條件下的變化情況如圖7所示，在工況二開采條件下，地下水位的下降速率年均在0.29 m左右。-8 m的降落漏斗面積從2022年的7.60km2擴(kuò)大到2032年38.64km2，與現(xiàn)狀條件下保持開采的漏斗區(qū)面積對比減少了6.83km2。

近年來，經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展使得人們對地下水的開采量越來越大，一些大城市最為嚴(yán)重，地下水排泄中人工開采的占比不斷變大，結(jié)合相關(guān)調(diào)查，通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)崔家集鎮(zhèn)地下水的埋深呈現(xiàn)漏斗狀，均相對較大，則地下水開采量在該區(qū)相對較大。而明顯較低的是在大溝頭村、大杜家村及袁家村附近，水位在-6m～-8m之間。不同工況條件下地面沉降漏斗中心處水位也有所不同，在各工況下該點(diǎn)水位的變化如圖8所示。2022—2032年的10年內(nèi)，如依照現(xiàn)狀條件下開采，地下水位將下降5m左右。隨著減采的程度越來越大，水位下降速率越來越少，這說明開采量變大，水位降深隨之變大，下降速率隨之變快。當(dāng)現(xiàn)狀開采量減少30%時，水位呈現(xiàn)出減緩趨勢，水位10年下降了2.8m左右。

4 結(jié)論

（1）采用地下水模擬軟件GMS對研究區(qū)地下水三維不穩(wěn)定流數(shù)值進(jìn)行模擬研究，建立了地下水流場數(shù)值模型，通過對研究區(qū)水文地質(zhì)資料的了解，為掌握地下水流場演化規(guī)律提供可靠依據(jù)。

（2）建立了區(qū)域地下水流場動態(tài)分布規(guī)律的研究區(qū)域含水層地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型。結(jié)果表明：選取的兩個年份豐水期的地下水水位高于枯水期，但整體呈現(xiàn)較穩(wěn)定的趨勢。從北到南，研究區(qū)水位總體趨勢與地形地貌基本吻合，從水位高的地區(qū)流到低的地區(qū)。

（3）基于校準(zhǔn)后的地下水三維數(shù)值模型，對地下水現(xiàn)狀開采條件下和不同減少開采條件下的水位進(jìn)行研究，并對此進(jìn)行模擬預(yù)測分析。預(yù)測結(jié)果表明：從2022年按現(xiàn)狀條件開采地下水，10年后水位將下降5m左右。隨著減采的程度越來越大，水位下降速率越來越小，當(dāng)開采量減少30%時，水位呈現(xiàn)出減緩趨勢，10年后下降2.8m左右。

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Construction of Regional Geological StructureModel and Analysis on Groundwater Flow Field

BU Xianlong1，WANG Chunhui2， QIN Shengqiang3，LAN Lingyu3，LIU Yi4， LI Jialong4，5， WANG Shaojuan6， WANG Long1， DONG Tianlin3，DI Shengtong1

Abstract： Accompanying with rapid development of economy and society， groundwater development and utilization has been continued to grow rapidly in our country， the water level decline caused by overexploitation of groundwater， the land settlement and other problems gradually became more and more obviously， and the change law of underground water flow field has an important theoretical significance for the formulation of groundwater mining plan. In this paper， taking Pingdu city in Qingdao city as the research background， considering regional topography， geological structures， geological unit characteristics and other factors， a numerical model of the groundwater flow field in the study area has been established， and the prediction and analysis of the dynamic evolution trend of the groundwater flow field under different groundwater exploitation schemes have been carried out. It is showed that if groundwater is mined in 2022， the water level will decrease by about 5m after 10 years. Accompanying with the reduction of mining intensity， the speed of water level decline gradually decreases. When the mining volume is reduced by 30%， the water level drops about 2.8m after 10 years.

Key words： Trend prediction; numerical model; ground water; fluid-solid coupling

收稿日期：2024-04-18；修訂日期：2024-05-08；編輯：曹麗麗

基金項目：本文為臨沂大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：202310452182）資助成果

作者簡介：卜憲龍（2002—），男，山東日照人，本科生，主要從事土木工程、工程地質(zhì)等方面的學(xué)習(xí)和科研工作；E-mail：2735381326@qq.com

*通訊作者：狄勝同（1990—），男，山東臨沂人，碩士生導(dǎo)師，主要從事土木工程、水工環(huán)地質(zhì)等教學(xué)與科研工作；E-mail：dishengtong@163.com