西北某干旱區多級儲水洼地地下水數值模擬

孫 琦，高為超，陳劍杰，肖禮華

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

西北某干旱區多級儲水洼地地下水數值模擬

孫 琦，高為超，陳劍杰，肖禮華

(西北核技術研究所，陜西 西安 710024)

西北某放射性廢物處置場預選區，區域地下水系統包含多級獨立第四系儲水洼地，洼地出口以泉水排泄地下水，繼而回滲補給下級洼地。根據含水層底板起伏特征，利用GMS模擬軟件中的排水溝模塊與溪流模塊概化了泉水，通過泉流量校準與監測孔水位擬合，校正了研究區滲透系數、給水度、和儲水率等水文地質參數，計算了地下水流速、流向以及地下水資源量。結果顯示，研究區地下水由南向北東徑流，東北部為最終排泄洼地，地下水流速緩慢，水資源相對匱乏，有利于放射性廢物處置的安全。

GMS;數值模擬;泉;流速流向

我國對地下水流數值模擬的應用與研究始于1973年［1］。近幾十年來，隨著計算機技術的迅猛發展，地下水數值模擬已應用到與地下水有關的各個領域和部門，地下水數值模擬已經成為地下水勘察中重要的手段。國內鄂爾多斯盆地、銀川平原、華北平原等都進行過地下水數值模擬的研究工作，這些工作都取得了良好的效果，為當地的經濟建設提供了有力支持。國外地下水數值模擬更早，QAZIAR［2］建立了美國科羅拉多州San Luis流域地下水準三維數值模型，流域面積3000余km2，該模型作為一個管理工具，可評價長期使用該流域地下水對其各滯留地表水造成的影響。RIVERA等［3］建立了德國Konrad放射性廢物填埋場地下水流及溶質運移模型，研究了人為干擾作用下對地下水垂向流動方向鹽份濃度的影響。國外在數值模擬軟件的開發也走在前列，先后開發了具有實用價值的商用軟件，如 Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［4～6］。但各地區由于地質條件不同，地下水數值模擬沒有可套用的模式，并且隨著人類對地下水環境的干擾日益加大，新問題不斷涌現，如承壓 －半承壓 －潛水復雜系統以及露天礦反復疏干 －充水－疏干過程、礦坑排水等，導致地下水數值模擬具有各自的特點。研究區位于西北干旱區，地下水儲存部位和運移規律較為獨特。靠近高山區的第四系含水層有足夠儲存空間，水資源豐富;遠離高山區的第四系含水層較為開放，水資源匱乏，呈透水不含水層。地下水的最終排泄處由于水位抬升，蒸發濃縮而成為鹽堿地。地下水在多級洼地內儲存、運移、排泄，洼地間由泉水的排泄、下滲構成水力聯系。根據含水層底板抬升至地表的情況，本文嘗試用GMS軟件的排水溝和溪流模塊概化泉水，建立了第四系儲水洼地的地下水徑流模型，為放射性廢物處置場選址提供參考依據。

1 研究區概況

研究區內降水稀少，蒸發強烈，受基巖起伏及東西向山體制約，區內發育多個第四系儲水洼地且地下水在洼地下游均以泉水形式出露于地表。區內地勢南高北低，全區地下水除了大氣降水入滲補給外，南部高山區側向間接補給亦為重要補給來源，地下水、地表水均由南向北徑流。各儲水洼地內水資源分布極不均勻，接近洼地下游出口，水量豐富，而洼地邊緣由于第四系堆積物厚度的減薄、地表高程增加而為透水不含水層。

南部高山區海拔高程為1 800～2 300 m，最高峰可達2 787 m，降水量為130～150 mm/a。中部山體海拔高程1 700～2 200 m，降雨量為70～80 mm/a。降雨量嚴格受控于山體高度，各山間洼地降水量保持在44～65 mm/a，而東北部的洼地中心降水量僅28～40 mm/a，一年很難有幾次降雨，且多為暴雨，形成洪流泄入洼地，很難直接滲入地下轉化為地下水。研究區由南至北可以劃分為一級洼地，東西長3～8 km，南北寬18 km;二級洼地，東西長26 km，南北寬2.5～7 km;三級洼地南北寬5～10 km，東西長50 km;四級洼地為廣闊第四系堆積物，南北寬8～9 km，東西長9 km。其中二級洼地與北部四級洼地通過溝谷連接，且溝谷內四季有泉水匯集成河。

2 水文地質概念模型

2.1 邊界條件

模型范圍見圖1。模型邊界南部設定為流量邊界，依據鉆孔實測數據計算南部山區側向補給資源量;中部二級洼地東西兩側為地下水分水嶺，與其它洼地分開，定為隔水邊界;三級洼地西側為流入邊界;四級洼地東北部為流出邊界;其它基巖與第四系的分界線設為零流量邊界即隔水邊界。注意到，區內各級洼地出口處出露泉水并回滲補給下游洼地，將以三類邊界處理。考慮到個別洼地邊緣有透水不含水層的分布，局部邊界處理依據水文地質資料人為簡化了邊界范圍。

圖1 研究區地質略圖與模擬區范圍

2.2 含水層結構

區內第四系洼地沉積了10～150 m粉土、亞砂土、粉土質砂礫石、砂卵礫石。洼地中下游含水層厚度較大且絕大部分為單一的砂卵礫石，為地下水的儲存提供了良好空間，形成了單一潛水。但洼地邊緣隨著第四系厚度減薄、地表高程增加，潛水位亦隨著增高，沉積物多為粉土、亞砂土，透水性、儲水性變差，局部由于補給來源不良而形成透水不含水層。由于區內第四系含水層巖性單一，分選不好，且下伏基巖存在基巖風化帶，為了刻畫基巖裂隙水與第四系潛水垂向變化趨勢，根據第四系與基巖特征將該區分為雙層結構(見圖2)。

2.3 水文地質參數

區內第四系潛水含水層位于山前沖洪積傾斜平原，由于基巖起伏、洪水流量不均及出山口路徑較短等原因，沉積物分選差，水文地質結構復雜，水文地質參數變化較大、分布不均，且在局部沒有規律性。從第四系潛水與下伏裂隙水構成的基本水文地質條件出發，選擇合適的鉆孔數據，對比巖性特征，最終確定水平方向滲透系數在0.12～20 m/d之間，洼地中心部位由于堆積砂礫石層，滲透系數較大，而向洼地邊緣由于基底起伏，第四系堆積物較薄且顆粒物變細，滲透系數反而變小。但是，從垂向上看，含水層中分布有許多弱透水的透鏡體，阻礙地下水的垂向運動，因此，含水層在宏觀上具有水平方向滲透性強、垂直方向滲透性弱的各向異性特征。垂向滲透系數為水平方向的1/20。第四系潛水含水層給水度在0.05～0.09之間，基巖裂隙水含水層水平方向滲透系數在 0.017 ～0.1 m/d之間。

圖2 三維地質體結構圖

2.4 地下水補給與排泄

區內降雨量隨著高程的增加而增大，南部高山區降水豐富，植被良好，有利于地下水的富集、儲存，通過出山口的洪流間接入滲補給一級洼地，同時山前側向補給亦為重要補給方式。中部、北部山體降水量減小，植被不佳，不利于地下水的儲存。各級洼地降水量向北逐級降低，且多消耗于蒸發，對地下水的補給有限，但暴雨形成的洪流補給量不可忽略。三級洼地西側根據鉆孔數據計算得到側向補給資源量，四級洼地東北部為流出邊界，通過斷面計算得到流出邊界流量。

區內各洼地除四級洼地下游以斷面徑流流出模型外，其它各級洼地下游出口均見泉水出露地表。為真實刻畫地下水位的抬升以及泉流量在上下游洼地間的補排關系，將泉以及泉集河用GMS軟件的Drain與Stream模塊刻畫。

圖3 主要泉流量及降雨量變化值(1978－2010年)

3 地下水非穩定流數值模型

3.1 模擬時段選擇

研究區地下水人為干擾較少，從多年評價的角度，選擇完整水文年作為模擬期，以利于地下水均衡分析。選取1977年～2010年作為模型的識別驗證期。應力期(抽水時期)以年為單位，則模擬區各補排項均應按年統計整理。每個應力期內包括若干計算時間步長，由模型根據迭代的誤差標準，自動控制時間步長。

3.2 模型剖分

進行矩形網格剖分，水平方向采用200 m×200 m的網格剖分，有效面積263.5 km2，垂向上分為3層。總單元格數為44 800個。其中上層含水層活動單元格5954個，下層含水層活動單元格6 980個，其余為非活動單元格。

3.5 成本問題 由于國內目前3D打印批量生產的效率低，設備及材料成本高,導致3D打印假肢矯形器成本偏高,終端售價高,患者接受度低,因此其性價比有待進一步提高。

3.3 地下水位觀測

研究區內共有66個鉆孔，挑選各級洼地典型鉆孔用于水位擬合和模型的校正。區內地下水位除了南部一級洼地由于人工開采而呈緩慢下降趨勢，其它洼地仍為自然水位波動。

3.4 模型泉水刻畫

研究區多個洼地下游均有泉水出露，為了真實刻畫泉水。選擇GMS提供的排水溝Drain模塊來刻畫。但注意到，排水溝模塊的作用是當地下水位高于排水溝底板時，地下水流出系統，而地下水位低于底板時，無流量差。其流出量依據下式計算［5］

式中:Q為泉流量(m3/d);K為滲透系數(m/d);A為斷面面積(m2);J為水力坡降;ΔH為水頭損失(m);L為徑流長度(m);C為傳導系數(m2/d)。

區內一級洼地、三級洼地泉水均以線狀出露，故利用線性排水溝刻畫，實測泉流量分別為480 m3/d和680 m3/d。根據公式輸入模型的數據有泉水水頭損失值與傳導系數值，在實際計算中，傳導系數無法實測，需要根據經驗值反復調試。泉水回滲是下游洼地的補給來源，泉水出露后一般形成溪流，為此在排水溝下游下滲點(線)設置回滲井，根據泉水流出量輸入井回灌量。這樣處理的好處是全程控制泉水的流出、回滲量，也便于模型的校正。缺點是使得地下水不連續，如果計算溶質運移，這種方法欠妥。

中部二級洼地下游泉集河在山谷徑流，故使用了溪流(Stream)模塊來刻畫河水。由于泉水流量較大(約1 000 m3/d)，形成的泉集河徑流路徑較長，且泉水出露點相對集中，故溪流模塊可以很好控制泉水出露點和泉集河位置。溪流模型需要輸入的參數包括傳導系數、溪流河床的頂底板高程、水位高度、河流寬度以及粗糙系數等。模型的優點是可以自動計算河水與地下水的實時補給、排泄，缺點是模塊輸入參數較多，不確定性較大，模型的調參過于復雜。

3.5 模型校正

模型校正的原則是:(1)模型計算水位與觀測水位基本吻合;(2)模型沒有系統誤差，即系統平均誤差接近0;(3)模型計算流場與實際流場基本一致;(4)模型內水文地質參數能夠反映實際水文地質條件;(5)模型水均衡與實際地下水資源量相符，即各補排項、各主控斷面流量與實際相符［6］。

4 模型應用

4.1 地下水位變化趨勢分析

本次地下水數值模擬的模擬期從1978年到2010年，預報期從2010年到2050年。根據調整的最終模型預報水位變幅，預報期內假設模型邊界條件及流量不變，蒸發量不變，降水入滲補給參數采用多年降水平均值。模擬結果顯示，一級洼地水位由于人工開采(約1 000 m3/d)而逐年下降，每年漏斗中心下降幅度約0.5 m。可以看出，干旱區地下水開采量不大，水位下降幅度依然很大，反應了西北干旱區地下水資源匱乏，地下水系統的脆弱性。2010年模擬區地下水位等值線見圖5。

圖4 地下水位擬合圖

圖5 地下水位等值線圖(2010年)

4.2 地下水資源量評價

應用模型計算出模擬期2010年地下水均衡結果(見表1)。由該均衡分析可知，模擬期內地下水總補給資源量622.1×104m3，總排泄量 632.4 ×104m3，補排差 －10.3 ×104m3，計算年為負均衡。

模擬區總補給項中，降水入滲量291.3×104m3，占總補給量的 46.8%;側向補給量為 102.6×104m3，占總補給量的 16.5%。模擬區總排泄項中，人工開采資源量為47.5×104m3，占總排泄量7.5%;蒸發排泄量70.9×104m3，占總排泄量的11.2%;側向流出量為285.7×104m3，占總排泄量的45.2%。

值得注意的是，模擬區越流量占補排項比例均較大，但并不說明模擬區地下水由于人為干擾而形成上下層位水力聯系。概化模型時，第四系含水層中，各獨立儲水洼地下游第四系含水層底板標高抬高，泉水出露地表，而泉水回滲則進入基巖風化帶中。即將第四系含水層與泉水回滲補給的基巖裂隙含水層劃分為不同含水系統。由于泉水回滲入基巖裂隙水，徑流到下游儲水洼地后，又將以側向徑流的形式補給下游第四系含水層，所以越流量在補排項中數值基本一致。

補給降雨入滲 291.26 59.77% 291.26 46.82%側向流入量 71.53 14.68% 31.02 23.01% 102.55 16.48%越流補給量 124.52 25.55% 103.77 76.99% 228.29 36.70%小計487.31 134.79 622.10排泄人工開采 40.15 8.95% 7.30 3.97% 47.45 7.50%蒸發 70.99 15.84% 70.99 11.23%側向流出量 233.50 52.07% 52.15 28.35% 285.65 45.17%越流排泄量 103.77 23.14% 124.52 67.68% 228.29 36.10%小計448.41 183.97 632.38補排差37.32 －48.21 －10.89 38.90 －49.18 －10.28儲變量的變化量

4.3 水流系統分析

為評價放射性廢物處置場預選區安全性，根據建立的地下水模型計算出地下水流速、流向(圖6、7)。由于預選區位于基巖裂隙的山體中，本次模型將其概化為第四系含水層并以等效連續介質簡化處理。因此主要針對第四系含水層計算地下水流速、流向。

圖6深色系代表流速較小而淺色系代表流速較大，途中可以反映出各級洼地下游流速較快，洼地連接帶由于水力坡度較大而產生較大流速，而洼地邊緣受補給源減少，流速緩慢。圖7矢量箭頭指示地下水徑流方向。

圖6 地下水流速分區圖

5 結論

西北干旱地區地下水富集多集中在山前沖洪積扇洼地，降水的直接入滲和洪流的間接入滲為主要的補給來源，洼地下游多以泉水排泄地下水。本文對西北某放射性廢物處置場預選區區域地下水流進行了數值模擬。通過數值模擬，得到區域地下水流場，預報未來50年的水位變幅影響，一級洼地地下水位每年以0.5 m的速度下降。通過計算2010年區域地下水資源總補給資源量622.1×104m3，總排泄量632.4×104m3。最后得到地下水流速、流向。研究區地下水資源相對匱乏，地下水流速緩慢，地下水匯流于東北部洼地即污染范圍可控，有利于放射性廢物處置的安全。

存在的問題:研究區位于西北干旱區，研究程度較低，水文地質數據多為收集前人資料，而水文地質試驗由于水資源匱乏，而采用提桶試驗或單孔抽水試驗，精度不高，在模型建立和檢驗過程中不得已采用經驗值并適當調整。

圖7 地下水流向示意圖

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Groundwater Flow Numerical Simulation of Multilevel Basins in Arid Northwest China

SUN Qi，GAO Wei－ chao，CHEN Jian － jie，XIAO Li－ hua
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，Shaanxi)

There are several independent water storage basins of the local groundwater in a preselected radioactive waste disposal site in arid Northwest China. The outlets of the basin discharge the groundwater for spring，then recharge the next basin for infiltration. According to the fluctuation of the aquifer’s base，spring was generalized by DRIAN and STREAM in GMS，and the regional hydrogeological parameters were calibrated against spring flow and the monitoring wells. The model was used to calibrate the current velocities，flow directions，and resources of groundwater. By the modeling，groundwater flow from south to north in the study area，the basins on the northeast is the last evacuation. The velocity of groundwater is slow and the resources amount of water is sparse，which is propitious to radioactive waste disposal.

GMS;numerical modeling;spring;current velocity and flow direction

P641.72

A

1004－1184(2012)01－0038－04

2011－10－14

孫琦(1982－)，男，吉林四平人，碩士，工程師，主要從事水文地質研究工作。