湖西大型河道濱湖區(qū)抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬研究

李玥璿 侯祥東 劉韓英

（1.濟(jì)寧市洙趙新河管理處 濟(jì)寧 272000 2.山東省淮河流域水利管理局 濟(jì)南 250100）

1 概述

1.1 洙趙新河概況

洙趙新河流域西靠黃河，東臨南陽(yáng)湖，北接梁濟(jì)運(yùn)河流域，南與萬(wàn)福河和東魚(yú)河搭界。干流起源于東明縣宋砦村，向東流經(jīng)菏澤市東明縣、牡丹區(qū)、鄆城縣、巨野縣和濟(jì)寧市嘉祥縣、任城區(qū)、微山縣7個(gè)縣（區(qū)），于劉官屯村東入南陽(yáng)湖，全長(zhǎng)145.05km，流域面積4206km2。該流域?qū)冱S泛沖積平原，地勢(shì)西高東低，西部地面高程57.40m左右，東部濱湖地面高程為34.00m左右，地面坡度在1/5000～1/12000之間。洙趙新河的支流較多，其中流域面積50～100km2的河道有10條，流域面積100km2以上的河道有17條。匯入干流的主要一級(jí)支流有友誼河、邱公岔、鄆巨河、巨龍河、洙水河、鄄鄆河、太平溜、趙王河、徐河、韓樓溝等。

2010年洙趙新河列入沂沭泗河水系重要支流治理規(guī)劃，濱湖區(qū)（梁山閘樁號(hào)24+383以下）于2014年4月開(kāi)工治理，2016年9月治理完成，治理標(biāo)準(zhǔn)為除澇5年一遇，防洪50年一遇。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)狀河底寬在122～175m之間，河口寬在147～225m之間，兩岸灘地寬12～65m，河底高程30.73～32.37m，河型較規(guī)則，堤身斷面較為完好。

1.2 區(qū)域地質(zhì)條件

洙趙新河流域第四紀(jì)全新世地層自下而上劃分為5個(gè)組：下部為黑土湖組，中部為同期異相的巨野組、單縣組、魚(yú)臺(tái)組，上部為黃河組。洙趙新河流域內(nèi)除嘉祥境內(nèi)幾處殘丘有少量寒武系、奧陶系地層出露外，其他地區(qū)均為第四系地層所覆蓋，主要為黃泛沖積物及河湖相沉積物，厚度一般150m左右。根據(jù)山東省地質(zhì)調(diào)查院的研究成果，南四湖流域的菏澤—濟(jì)寧地區(qū)第四紀(jì)全新世地層剖面如圖1所示。

1.2.1 第四系全新統(tǒng)（Q4）

魚(yú)臺(tái)組（Qhy）t：為棕紅色粘土、亞粘土，偶夾亞砂土棕黃色亞粘土、粘土夾少量粉砂土。主要分布在洙趙新河樁號(hào)39+000以下。巨野組（Qh）j：為褐黃色粉砂夾薄層棕紅色粘土，灰黃色粉砂土、亞砂土夾粉土，粘質(zhì)粉砂土與棕紅色粉砂質(zhì)粘土互層。主要分布在洙趙新河樁號(hào)39+000以上，分布范圍較廣。單縣組（Qh）s：為灰黃色細(xì)—粉砂土夾褐黃色粘質(zhì)粉砂土及少量棕色粘土。主要分布在洙趙新河樁號(hào)54+000以上的古河道中。

1.2.2 第四系上更新統(tǒng)（Q3）

大站組（Qpd）：為褐黃色粉砂質(zhì)粘土，局部夾棕紅色土壤層及少量礫石層，一般含較多姜石，可見(jiàn)鐵錳質(zhì)結(jié)核及其氧化物。鉆探深度內(nèi)，洙趙新河樁號(hào)39+500以下均有揭露。

河湖相沉積平原主要分布有全新統(tǒng)魚(yú)臺(tái)組、上更新統(tǒng)大站組地層，部分地段分布全新統(tǒng)巨野組地層；黃泛沖積平原主要分布有全新統(tǒng)魚(yú)臺(tái)組、巨野組地層。

2 水文地質(zhì)研究

從地質(zhì)單元來(lái)看，洙趙新河濱湖區(qū)分布最廣泛的是第四系魚(yú)臺(tái)組。經(jīng)過(guò)資料對(duì)比分析和野外勘察，決定在G105洙趙新河橋（樁號(hào)14+200）下游右岸布設(shè)水文地質(zhì)探采結(jié)合孔（鉆孔編號(hào)為ZK01和ZK02）進(jìn)行典型地層斷面的水文地質(zhì)研究。具體勘測(cè)過(guò)程分為兩個(gè)部分：首先在典型地層斷面先進(jìn)行鉆探取芯，然后在原地進(jìn)行擴(kuò)孔成井。

圖1 菏澤—濟(jì)寧地區(qū)第四紀(jì)全新世地層剖面圖

2.1 典型地層斷面情況

主要通過(guò)水文地質(zhì)探采結(jié)合孔來(lái)揭示洙趙新河在該段的地層情況。ZK01鉆孔和ZK02鉆孔的基本情況見(jiàn)表1。

2.1.1 鉆孔地理位置及坐標(biāo)（見(jiàn)表1）

2.1.2 鉆孔巖芯柱狀圖（見(jiàn)圖2、圖3）

2.1.3 巖性分析

ZK01和ZK02巖性基本完全相同，這表明洙趙新河濱湖區(qū)的地層巖性相對(duì)均一，地層可概化為各向同性。巖芯總長(zhǎng)為20m，主要巖體為粉質(zhì)粘土，總長(zhǎng)度為15.4m，所占比為77%；其次為淤泥質(zhì)粘土，總長(zhǎng)度為2m，所占比為10%；再次為粉細(xì)砂，總長(zhǎng)度為1.7m，所占比為8.5%；粘土總長(zhǎng)度為0.9m，所占比重最少，為4.5%。其巖性描述與第四系魚(yú)臺(tái)組地層相吻合。

2.2 斷面補(bǔ)給與排泄條件

G105洙趙新河橋斷面地處湖西黃泛沖積平原，沿線地勢(shì)較低，沿岸地下水屬第四系孔隙潛水或弱承壓水，主要儲(chǔ)藏于粉細(xì)砂、砂壤土及粘土層中。淺層地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，其次為灌溉回滲、地下徑流等。

2.3 斷面抽水試驗(yàn)

主井及觀測(cè)孔基本情況如表2所示，以ZK01鉆孔為主井，ZK02鉆孔為觀測(cè)井，設(shè)計(jì)井深均為20m，成井?dāng)U孔孔徑為600mm，成井管材為水泥管，下置深度為20m，水泥管周圍由礫砂填護(hù)，填礫深度為0～20m，濾管長(zhǎng)度為20m。成井完成之后洗井，直至達(dá)到抽水試驗(yàn)要求。待水位穩(wěn)定后進(jìn)行抽水試驗(yàn)，穩(wěn)定水位在地表以下7.007m。

此次抽水試驗(yàn)為1個(gè)抽水井和1個(gè)觀測(cè)井的1個(gè)落程的潛水含水層完整井定流量非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。同時(shí)，抽水試驗(yàn)時(shí)間和降深達(dá)到了穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)對(duì)穩(wěn)定延續(xù)時(shí)間的要求，所以可以根據(jù)穩(wěn)定流試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算方法計(jì)算滲透系數(shù)K=8.753m/d、影響半徑R=76.296m，此次試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表1 水文地質(zhì)探采結(jié)合鉆孔情況表

表2 抽水試驗(yàn)主井及觀測(cè)孔情況表

表3 抽水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一覽表

3 抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬

3.1 構(gòu)建典型斷面地質(zhì)模型

采用GMS構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)技術(shù)路線為：采用Boreholes輸入鉆孔的勘測(cè)地層數(shù)據(jù)和指標(biāo)→用TINs規(guī)整構(gòu)建地質(zhì)模型的圖層→導(dǎo)入散點(diǎn)或地面高程以提高地層表層的精度→用Horizons-Solids生成可視化效果Solids地質(zhì)模型。

3.2 構(gòu)建典型斷面水文地質(zhì)模型

圖2 ZK01探采結(jié)合鉆孔巖芯柱狀圖

圖3 ZK02探采結(jié)合鉆孔巖芯柱狀圖

采用GMS構(gòu)建水文地質(zhì)模型時(shí)技術(shù)路線為：采用Solids-MODFLOW將三維地質(zhì)實(shí)體整體轉(zhuǎn)化為MODFLOW模型→將巖性的水文地質(zhì)參數(shù)賦給MODFLOW模型→完成水文地質(zhì)模型建模。

圖4 典型斷面地質(zhì)模型實(shí)體圖

圖5 地質(zhì)模型側(cè)視圖

圖6 典型斷面水文地質(zhì)模型實(shí)體圖

圖7 水文地質(zhì)模型側(cè)視圖

圖8 典型斷面抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果圖

表4 典型斷面模擬對(duì)比表

3.3 邊界條件和補(bǔ)給排泄條件

在研究中，將底邊界處理為隔水邊界，上邊界作為開(kāi)放邊界；將河道上下兩側(cè)側(cè)向邊界概化為定水頭邊界，即側(cè)向邊界為補(bǔ)給河道的影響邊界。通過(guò)給概化的模型高程賦值，使模型底邊界有一個(gè)在1/5000～1/10000之間的水力坡度。

3.4 抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬及精度分析

通過(guò)對(duì)典型斷面實(shí)地鉆探勘測(cè)，洙趙新河濱湖區(qū)的含水層厚度不一，普遍為潛水，一般為5～10m，主要含水層為7.0～12.5m的薄層砂層，具中等透水性，綜合滲透系數(shù)為8.753m/d。灘地高程與河底高程的垂直距離為7.0m。

將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際抽水試驗(yàn)相對(duì)比，檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果的精度是否與實(shí)際水文地質(zhì)條件相符合，檢驗(yàn)建立得水文地質(zhì)模型能否滿足進(jìn)行群井降水排水?dāng)?shù)值模擬試驗(yàn)。主要進(jìn)行抽水井中心水位降深、影響半徑以及觀測(cè)井降深方面的精度分析，模擬的抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

由于受河道存在的影響，數(shù)值模擬中抽水井的影響半徑并不是一個(gè)均勻的圓形，在此處抽水井影響半徑取在河灘地的影響半徑值。中心降深的誤差率為-0.51%，影響半徑誤差率為3.54%，均在數(shù)值模擬允許的誤差范圍內(nèi)，所概化水文地質(zhì)模型可用于群井?dāng)?shù)值模擬。

4 結(jié)論

在GMS中采用MODFLOW模塊對(duì)G105洙趙新河橋斷面的抽水試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。模擬實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)值模擬結(jié)果與抽水試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差，但是在數(shù)值模擬允許的誤差范圍內(nèi)，因此所建立的數(shù)值模型可用于群井抽水試驗(yàn)數(shù)值模擬，優(yōu)化湖西濱湖河道施工降排水方案■