水文地質基礎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 濟南 250001;2.青島地質工程勘察院 山東 青島 266100

從上世紀50年代開始,中國已經采用地下水模型來開展水文地質基礎工作,到了80年代,模型技術得到了進一步發展,有效提升了地下水資源勘查質量。進入21世紀以后,隨著數字技術的發展,數字模型誕生了,使水文地質勘察工作的精確度得到了進一步提升?？墒?數字模型畢竟啟用時間較晚,還需待進一步完善。本文將舉例簡析水文地質基礎工作在地下水模型研究中的重要意義,論述當前數字模型的存在問題,并淺談如何完善數字模型。

一、水文地質基礎工作在地下水模型研究中的重要意義

水文地質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動現象,水文學是研究地球上的水的科學,包括水的賦存、分布和通過水分循環的流動以及生物的相互作用等,還研究處于各種相態的水的化學性質和物理性質。地下水特指埋藏在地表以下的水,它在地下占據了土壤和土層的空間。大多數地下水來自降水,它逐漸滲入地面。降水量的10%到20%通常進入到含水層(含水的并能釋放客觀水量的巖層。巖層內有充滿水的孔隙,當它們相連時,水就在巖石中流動。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。)大多數地下水不含致病的有機物,如供民用和工業用,不需要純化。并且,地下水源不會受短期干旱的影響,在很多沒有地表水源的地區都可以得到地下水。水文地質科學主要是研究地下水資源的科學,包括地下水的賦存、分布規律,通過水分循環的流動以及生物的相互作用等,還研究地下水資源的化學性質和物理性質。在上世紀50年代,我國主要是運用普查勘探技術開展的水文地質基礎工作,到了80年代,國家開始運用模型技術來開展地下水資源定量評估工作,加強了人們對水文地質科學的定量認知,進一步加快了該學科的發展速度。到了20世紀末和新世紀初,水文地質科學和數字技術的迅速發展促進了數字模型的誕生與廣泛應用。與傳統的普查勘探技術相比,數字技術體制下的數字模型在理論知識體系和技術方法領域均勝一籌,在計算地下水資源進的過程,可以根據不同水文條件來選擇最適宜的數字模型,并研究和分析地下水文條件,了解水資源的具體形態,然后借助數字技術和計算機技術綜合分析數據,獲取最準確的模型及其參數,以此做出做客觀的評價與精確預測。簡而言之,水文地質基礎工作在地下水模型建立與研究中發揮著重要作用,能夠為水文地質勘查提供更為完備的參考,有助于優化水文地質研究手段,促進水文地質勘察工作的發展。

二、當前數字模型的存在問題

中國國土資源幅員遼闊遼,地下水系統組織相當龐大和復雜,開放性與隨機性很強。而數字模型啟用時間不久,還處于發展階段,部分模型并不完善,還須待進一步優化加工。需要注意的是,相對復雜的地下水系統而言,當前我國所采用的數字模型尚屬于實體縮影,并不能全面反映地下水系統組織和地下水文條件。因此,要準確獲取大量的水文地質資料與真實數據方能建立最完善的數字模型。另一方面,需要全面了解地下水系統的所有組成部分和構成要素,準確分析各要素之間的關系、分布規律以及運動變化,并綜合研究地下水資源的化學性質和物理性質,這樣方能建立最合理、最完善的數字概念模型?？蓪嶋H上,在當前的地下水文勘探工作過程中,我國所采用的勘探技術還相對落后,往往存在不少人為引入的水文地質基礎工作忽視問題,進而導致模型建立錯誤,誤差問題嚴重,數字概念模型的準確性與真實性不合格。一旦數字模型選擇出錯,必然會導致地下水資源評估失真和預測結果不準確錯誤。然而,這并不意味著數字模型在地下水文勘探工作中無法發揮任何重要作用,只能說明研究和建立數字模型的過程中,要對準確分析地下水系統的內在性和外力作用,與此同時,要重視分析水文地質的定性與定量之間的辨證關系。

從理論角度來講,借助數字模型開展地下水資源分布規律以及運動變化的模擬工作時,往往會很難在短時間內獲取一手資料,對此,不少工作人員會任意簡化地質條件,如果此時無法擬合地下水位,就會任意調整參數,加劇了誤差問題,很容易導致含水層歪曲。舉例來講,假設某個研究區域的間歇性河流為甲河,常年流動河流為乙河,該區域屬于沖積扇平原,存在兩個含水層,上部含水層有大量的粉細砂,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。圖一就是該研究區域的平面示意圖。

圖一 該研究區域的平面示意圖

圖中的A至B是取水工程線,I為基巖山區,II是山前的沖積扇平原,VI是甲河(為間歇性河流,季節性有水,河床漫灘主要由砂礫、卵礫組成),IV是乙河(常年流動河流,河床漫灘主要由粉細砂組成)。具水文地質基礎工作和數字模型分析,乙河屬于古沖洪積層,該區域的東北界限應該是乙河定水端的透水界限。第二次勘探工作經過更細致地勘察和數字模型分析,得出高區域的目的層為甲河古沖積扇的進一步延伸,該區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,含水層已瀕臨消失,上部含水層中的粉細砂是乙河切割下部以后沖積而成的。兩個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,對于計算的目的層來講,東北界限區域的性質則屬于不透水性邊界。兩次勘探工作得出的最終結果不盡相同,也發現如果任意擬合參數和水位就會導致數字實體模型扭曲以及地下水流動態模擬失真,進而致使預測數據出錯,評價結果失真。而且,如果未全面分析水文條件,就誤選數字模型也會嚴重影響勘探工作質量,這種案例也屢見不鮮。例如在開采某個水巖溶礦床時,必須勘察水文地質條件,工作人員所獲取的一手資料不足,數字實體模型建立不精確,初次判斷該巖溶含水層是通過獲取潛水和天窗補給的大氣降水來維持水態,認為巖溶含水層趨于穩定,就選擇穩定流模型來預算礦坑的涌水量。在實際野外工作中才發現該區域附近村民為了滿足農田水利發展需求,大量抽取地下水資源,該水巖溶礦床及其潛水層已經不均衡,無法滿足巖溶含水層的補給需要,因此,在算礦坑的涌水量時不能選擇穩定流模型,而是要選擇非穩定流模型。這樣方能確保工作安全和預算的準確性,也可以看出模型的建立和選擇對水文地質勘察工作非常重要。

其次,在使用數值法來解析和建立地下水流數學模型時,必須做好源匯項調查這一帶有困難性和復雜性的工作,要注意精心投入相應的時間工作量,準確獲取一手資料,并進行綜合分析。某研究區原屬于工農業和生活用水地區,水量獲取很大,地下水資源多年處于過度抽取狀態。因為源匯項調查這一工作有很高的難度,很難獲取最準確的數據,對此,工作人員在計算過程中為了提升水位的擬合精度,就對源匯項做了部分調整,雖然在一定程度上滿足了工作需要,卻導致源匯項給值缺乏科學依據,計算結果不準確,該項工作最終分析竟然得出地下水資源的補給量大于開采量,水位呈現緩慢上升的樣態,并不符合實際情況。在第二次勘察工作中才發現地下水資源的補給量遠遠低于開采量,水位一直在持續下降。如果按照第一次的分析結果對地下水資源進行規劃,必然會加劇水資源的匱乏,不利于該地區的發展。

國家在上個世紀末針對某泉排型北方巖溶區開展了勘察活動,在該泉排型北方巖溶區的地下水模型研究工作中曾使用黑箱法來構建數字模型,用以預測和統計中期與長期的泉流量,因為所參考的觀側資料不同,也未能分析相關變量的內在聯系,所以預測結果并不準確。圖二就是該泉排型北方巖溶區的預測變化圖。

圖二 泉排型北方巖溶區的預測變化圖

從圖2可以看出雖然表示泉流量的計算曲線t與實側條流最終接近擬合,基本滿足了擬合精度的要求,但是預報結果并不準確,導致表示泉流量過程曲線的基本形態發生了大幅度改變,這也是水文地質基礎工作中地下水模型研究的問題之一。

三、如何完善數字模型

(一)提高數字技術,配置人工智能技術

數字模型以數字技術為核心,對此,必須提高數字技術,確保數據分析與運算的精確性,充分發揮模型的作用,彌補其不足。此外,人工智能技術使用范圍日益廣泛,并取得了良好的效果,在建立和完善數字模型的過程中也需要引入人工智能技術,明確該技術研究目標是了解計算機如何組織才能重新生成人類獨特的各種思考,諸如視覺模式識別、數據處理分析、復雜的決議和自然語言的使用等。如果所獲取的資料信息內容繁雜,就無法運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,對所獲取的數據信息進行分類甄別、整理、歸納與統計,同時,可以組建完善的數據庫,構建智能化網絡監管體系,從而有效完善數字模型,加強其工作職能。

(二)引入實時動態GPS測量技術

實時動態GPS測量技術已經廣泛應用于水文條件測量工作中,具體來講,在水文條件勘察工作中運用的GPS測量技術就是GPS RTK定位技術,該技術屬于一種實時動態下的衛星全球定位技術,其測量系統由若干臺移動站和一臺基準站組合而成,通常是運用無線數據鏈來連接各移動站與基準站。移動站在獲取改正參數的時候要以基準站的數據為標準,并通過接受數字信號來獲取準確的測量數據,然后,基準站會使用無線數據將改正好的參數傳輸給移動站,這樣移動站就能夠獲取精確的測量成果,以此提升水文條件測量工作質量。目前,GPS RTK技術廣泛應用于測量地形、測量物化探、測量礦區控制、布設工程點、測量勘探線剖面、測量地質工程點定位和水深測量工作等。在水文條件勘察活動中使用該技術可以準確地處理復雜的工作流程,而優化數字模型,也需要引入GPS測量技術,運用前方交會法、后方交會法、側方交會法、視距極坐標法和導標一角法來預測水下地形。

(三)滿足地下水系統的模型化與定量化

因為當前大多數數字模型不能滿足地下水系統的模型化與定量化,所以要結合這一缺陷,采取相應的優惠措施,綜合使用解析法、物理模擬法和數值解法以及土壤學和水文地質科學知識來獲取最準確的資料,建立最符合標準的數字模型,從定性與定量的角度來滿足地下水系統的模型化與定量化。

結束語

綜上所述,發揮水文地質基礎工作在地下水模型研究中的重要作用,彌補當前數字模型的缺陷,工作人員必須重視提高數字技術,確保數據分析與運算的精確性,積極引入人工智能技術和實時動態GPS測量技術,盡量滿足地下水系統的模型化與定量化。