巖溶山區泉流量對降雨響應規律模擬研究

胡雨柔,康小兵,張 璐,孫 昊,劉 玲,陳舟浩宇

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

巖溶地下水是人類重要的水源,全球約有20%~25%的人口依靠巖溶地下水作為飲用水源[1].由于巖溶含水系統的高度非均質性和各向異性,其水動力循環過程非常復雜,通過分析降雨泉流量響應規律獲得巖溶含水系統的水動力循環特征[2].碳酸鹽巖分布區的水循環運移與巖溶發育及其結構密切相關[3],在巖溶地下水資源開發利用時不需要獲得準確的管道幾何特征,可以運用模擬技術,探究巖溶山區降雨泉流量響應特征,為水資源管理和保護、流域生態環境綜合治理、安全供水提供重要保證[4].

本文對山西某巖溶泉水文地質條件進行概化,通過改變降雨強度、觀測泉流量的變化研究兩者的變化關系,利用所得數據在MODFLOW軟件中進行模擬驗證,獲取兩者的相關性.

1 研究區水文地質條件

該泉所在巖溶地下水補給系統來源主要有3部分,一是在汾河以北接受降水補給,賦存于灰巖中,流向東南,越過汾河,由潛水轉變為承壓水;二是由汾河滲漏補給;三是泉域附近的含水層直接接受大氣降水的入滲補給.該泉域的天然集中排泄點所處的晉祠-冶峪斷裂帶呈NNE向,由3條斷層組成,自西向東形成階梯狀斷階.斷裂西側出露有奧陶系(O)石灰巖,僅在山包頂部有石炭 (C)~二疊系(P)蓋層,這表明奧陶系巖溶含水層在晉祠一帶埋藏較淺;斷裂東側為第四系 (Q)松散層,巖溶地下水向東遇到粘土巖類阻擋而沿斷裂上升溢出地表形成泉水,為典型的山前斷裂溢流泉[5].巖溶泉形成模式示意見圖1.

2 物理模擬

2.1 模型建立

通過分析該巖溶泉水文資料,研究降雨對承壓水的補給,觀察泉流量的變化,得出降雨量與泉流量的相關曲線,討論其響應關系.

圖1 山西某巖溶泉形成模式示意

試驗所假設的水文地質模型為一傾斜的均質石英砂承壓含水層,均質等厚且各向同性,承壓水地質模型見圖2.降雨裝置模擬區域的大氣降水,通過調整穩水箱的高度模擬泉域內汾河水位,用承壓水演示儀中的斷層上升泉模擬集中排泄點.按照建立好的模型,安裝承壓水演示儀.

圖2 承壓水地質模型

2.2 試驗過程、現象及結果分析

通過控制降雨裝置水流的大小改變降雨強度,在規定的基準面下,調整好穩水箱高度以使蓄水槽保持一定水位.第1組實驗完成后,待蓄水槽水位降至基準面再進行第2組實驗,試驗數據見表1.

表1 降雨量與泉流量試驗數據

本文以最后1次降雨過程為例進行研究.從降雨開始到停止補給,記錄泉流量的變化值,得出泉流量隨時間變化的關系曲線,見圖3.從圖3可以看出,泉流量受降雨強度控制呈現先增大、后逐步衰減的變化過程.

圖3 泉流量隨時間的變化

經過多次試驗得到泉流量對降雨強度的響應關系曲線,見圖4.從圖4可以可知,在巖溶水文地質條件概化基礎上,僅考慮本區大氣降雨補給因素時,泉流量隨降雨強度的增大而增大,兩者呈正線性相關關系 (y=12.579x+3.1089),且相關性較好,R2=0.988 2.

圖4 泉流量對降雨強度的響應

3 數值模型

3.1 模型建立

用MODFLOW建立數值模型時遵循相似原則,各項參數與物理模型保持1∶1比例賦值.模型空間剖分為3層、8行20列,并將補給區與排泄區網格進行細分.三維立體模型見圖5.補給區位于模型最上端,與物理實驗的補給水箱對應,用MODFLOW中的排水溝模塊模擬巖溶泉,排水溝設置于模型尾端,標高為0.3 m,防滲墻模擬物理實驗中的斷層,使承壓水作為斷層上升泉溢出.

圖5 三維立體模型

3.2 模擬結果分析

模型參數輸入包括滲透系數、導水系數等,模型中的滲透系數K根據物理實驗測得,每層賦值為0.000 8 m/s,導水系數C賦值為0.662 4 m2/h,模型的補給為降雨補給.在補給區按歷時分為5段輸入不同的降雨強度值 (見表2).模型運行后輸出排水溝的值,即為泉流量.根據水均衡計算可得出泉域內地下水流入流出量以及不同時間步長的變化情況 (見圖6).由圖6可知,在不同時刻,由于補給量的不同,泉流量也隨之發生變化,兩者呈線性相關.

表2 不同歷時的降雨強度

4 結 論

圖6 泉流量與降雨量的關系

本文將物理模擬與數值模擬方法相結合,研究了巖溶山區泉流量對降雨的響應關系.在物理模擬中通過對不同降雨量條件下泉流量的數據擬合,直觀地體現了在含水層為均質各向同性的條件下兩者的線性關系.結合MODLOW軟件,模擬泉流量與降雨強度的動態變化,得出與物理模擬相對應的響應關系圖,也反映了兩者之間為線性關系,且存在一定的時間滯后.由于受試驗條件的限制,不能準確地模擬研究區域的地質條件,僅能反映出研究區的泉流量與降雨之間的總體規律,而不能準確求出兩者間的響應關系.

[1] 楊平恒,袁道先,袁文昊,等.以PCA揭示降雨期間巖溶地下水文地球化學的形成[J].科學通報,2010,55(9):788-797.

[2] 劉麗紅,束龍倉,魯程鵬.基于管道流模型的巖溶含水系統降雨泉流量響應規律-以貴州后寨典型小流域為例[J].吉林大學學報:地球科學版,2010,40(5):1083-1089.

[3] 唐健生,夏日元,鄒勝章,等.新疆南天山巖溶系統介質結構特征及其水文地質效應[J].吉林大學學報:地球科學版,2005,35(4):481-486.

[4] 梁厚學,梁顏紅.利用巖溶泉作供水水源分析[J].人民長江,2007,5(5):99-100.

[5] 黃皓莉.晉祠泉斷流與地下水資源保護關系[J].中國煤田地質,2003,4(2):26-28.