武漢某場地地下水動態變化及其數值模擬研究

李玉子，張 偉，汪 嘯，吳慶華

(長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

近年來，隨著經濟社會不斷發展，城市建設活動不斷進行，對武漢城市地下水動態產生了很大的影響，由此帶來了地下水降落漏斗和地面沉降等一系列環境地質問題[1]。地下水水位變化是研究地下水動態和流場最直觀的方式[2]。陶虹等結合地下水開采條件分析了關中城市群多年水位動態變化特征及影響因素[3]；張士杰等通過對邯鄲市平原區1980—2016年淺層地下水實測水位數據進行統計分析，研究其地下水時空變化特征及成因[4]；高偉等對深圳市前海地區2015～2019年地下水位動態特征及影響因素進行分析，并建立了該區地下水位預測模型[5]。研究區的地下水賦存主要為第四系孔隙承壓水[6]，由于該區地下水動態變化特征及其影響因素的研究成果尚未有公開報道，本文主要根據研究區2015～2019年具有代表性的地下水位連續監測資料對研究區孔隙承壓水水位動態特征及其影響因素進行分析，并建立合理的研究區地下水數值模型進行預報，為該區域地下水保護和可持續利用提供科學的管理依據。

1 研究區概況

1.1 地理位置

研究區位于武漢市江岸區，處于九萬方路以東，黃孝河路以西，武漢大道以南，江大路以北，包括長江科學院九萬方科研基地、周邊多個居民區等(詳見圖1)。

圖1 研究區地理位置及監測井布置圖

1.2 水文地質條件

研究區屬于亞熱帶濕潤性東南季風區，降水充沛，豐水期4-9月，枯水期1-3月和10-12月。區內無河流、水塘、泉等。地層屬于上細下粗的二元結構(見圖2)，上層為粉土、粉質粘土；下層主要為粉細砂。地下水主要為孔隙承壓水，賦存于下層的粉細砂層。粉細砂承壓含水層頂板變化規律是：東南方向和中部埋深較淺，往西北方向埋深逐漸增加。

圖2 研究區水文地質剖面示意圖

研究區承壓含水層的主要補給來源為周邊承壓含水層的側向徑流補給，不能直接接受大氣降水補給。排泄主要為人工開采和向周邊含水層徑流排泄。

1.3 研究區地下水監測井網的目的和歷史

研究區自2013年以來，周邊有工程施工運行，西北方向的工程在2013-2014年間進行了較長時間的大降深工程降水，導致地下水位大幅度下降，地面沉降較大，有多處地裂縫，且建筑物產生了不均勻沉降的現象(見圖3)。為了探究研究區地下水位變化規律和變化趨勢，自2014年以來布設了8口地下水監測井(如圖1，分別編號為W01-W08)，井深30 m，均為承壓非完整井，用于監測地下水位動態變化。

圖3 研究區建筑物不均勻沉降、墻體開裂現場圖

2 地下水位變化趨勢及影響因素分析

在各種有關因素的影響下，地下水的水位、水量、水質隨時間作有規律的變化，便是地下水動態[7]。研究區地下水動態類型為滲入-徑流型。

2.1 地下水位時空變化特征

2.1.1 時間變化特征

研究區地下水位總體呈逐年上升趨勢，水位季節性變化比較明顯，有周期性和同步性的特點。從2015年1月1日到2019年12月31日，研究區內8口地下水監測井的水位變化趨勢基本一致(見圖4)，取W02號井監測數據進行典型分析(見圖5)。研究區地下水位變化大致為每年1-3月地下水位上升，4-5月地下水位較穩定，6-8月地下水位下降，9-10月地下水位上升，11-12月地下水位下降。五年來全年最高水位分布在2015年4月，2016年7月，2017年11月，2018年11月，2019年11月。

圖4 研究區W02、W08號井連續監測水位動態圖

圖5 W02號井2015-2019年連續監測水位動態圖

按地下水位變化幅度分為上升區(與上年度同期對比，水位上升大于0.2 m)、下降區(與上年度同期對比，水位下降大于0.2 m)、穩定區(與上年度同期對比，水位變幅在0.2 m之內)[8]。2015-2019年地下水位監測成果見表1。

表1 2015-2019年研究區地下水位(承壓水)動態監測成果

據表1，2015-2019年研究區地下水位上升區的占比總體大于下降區和穩定區，尤其是2017年之后，上升區占比超過50%，說明研究區的地下水位是逐年上升的。2015-2019年研究區地下水位與上年度同期相比最大上升值分別為1.395 m、2.93 m、3.212 m、4.039 m、2.497 m。

2.1.2 空間變化特征

研究區的承壓水水位動態變化不僅具有明顯的周期性和同步性，還具有空間差異性，表現在研究區不同區域地下水位的差異。以2015年、2019年監測資料為例，2015年地下水位呈現中間和北部高、四周低的空間差異，地下水整體流向為中部到四周、北部到中上部(見圖6)；2019年地下水位總體呈現東南高、西北低的空間差異，地下水整體流向為東南到西北(見圖7)。地下水位年升降幅度也存在空間差異，2015年在W01號井附近年變幅2.858 m，W08號井附近年變幅在3.313 m，二者相差0.455 m；2019年在W01號井附近年變幅2.673 m，在W08號井附近年變幅1.153 m，二者相差1.52 m。

圖6 研究區2015年等水位線圖

圖7 研究區2019年等水位線圖

2.2 地下水位動態影響因素分析

地下水位動態是受氣象、水文、地質、地形、人類活動綜合影響的結果，處于不停的變化之中[9]。其中研究區地下水動態最重要的制約因素是工程施工運行和水文地質條件。

2.2.1 工程施工運行因素

研究區周邊在2014年有一大型工程施工大降深長時間降水，形成了大范圍的降落漏斗，工程降水完成后，研究區地下水位緩慢恢復，表現為地下水位逐年上升至今。在2016年下半年研究區周邊有一工程施工降水，監測井水位高程在7-9月份大幅度下降，最大降深4.429 m，至2018年水位才恢復到基坑降水前的水平(見圖8)。

圖8 研究區W02號監測井2015-2019年7-12月份水位高程圖

2.2.2 水文地質條件影響

研究區地下水動態變化還受水文地質條件影響。區內地下水不直接接受大氣降水，主要接受周邊承壓含水層側向徑流補給，研究區所處的承壓含水層與地表水體(長江等)具有水力聯系[10]，受其水位波動影響，地下水動態具有季節性變化；東南方向和中部埋深較淺、往西北方向埋深逐漸增加的地層構造使地下水位出現W05、W08號井附近高、往W01號井附近逐漸變低的現象；2014、2016年工程施工降水停止后，研究區地下水位逐年上升，受工程施工降水形成的降落漏斗在側向含水層的徑流補給下逐漸恢復，恢復過程較長，說明該承壓含水層對規模較大的地下水降落漏斗補給能力有限。

3 場地地下水數值模擬研究

3.1 模型的建立

本研究主要采用FEFLOW有限元軟件[11]對場區的地下水動態進行模擬。根據相關勘察資料，采用自上而下高程插值的方法建立三維模型。模型概化為二元地層結構，上層為粉土、粉質粘土層，側向邊界一律定義為隔水邊界；下層為粉細砂層，地下水主要賦存于該層中，考慮到側向邊界附近有地下水位觀測孔，可以結合觀測到的地下水位將側向邊界設置為第一類水頭邊界，上部邊界考慮研究區位于城區，綠化面積少，因此不考慮大氣降雨補給和蒸發排泄；底部邊界為基巖，設為隔水邊界。

3.2 模型檢驗

3.2.1 參數確定

模型檢驗采用間接法，即先給定一組參數，代入模型計算，使得模擬水位與實測水位誤差最小。模擬區間為2019年全年，采取自動時間步長。模型選用非穩定流計算，通過試算，優選確定模型的參數(見表2)。

表2 模型參數選取表

3.2.2 誤差分析

圖9～圖10給出了W02、W08號監測井2019年模擬月平均水位與實測月平均水位線，從總體擬合結果來看，監測井模擬水位年變化過程趨勢與實測水位動態走勢總體一致，水位動態過程擬合較為符合監測結果。對所有模擬點和實測點的月平均水位相對誤差(RE)、決定系數(R2)、均方根誤差(RMSE)進行統計分析[12](結果如表3)，8口監測井相對誤差較小，模擬的可靠度較高；決定系數接近于1，模擬水位和實測水位相關程度高；均方根誤差小，模擬水位與實測水位偏差小。因此，該模型選用的參數正確，所建立的模型可靠，基本能夠反映研究區地下水的動態變化。

表3 8口監測井模擬水位與監測水位檢驗表

圖9 研究區W02號地下水觀測井實測值與模擬值水位過程圖

圖10 研究區W08號地下水觀測井實測值與模擬值水位過程圖

3.3 工程施工對場地地下水位影響預報

研究區內計劃進行工程施工(位置見圖1)，降水方案采取1 200 m3/d，持續時間為30 d。為預報該工程施工運行對研究區地下水位的影響，使用檢驗后的模型對降水過程進行模擬。

該工程降水運行后，研究區地下水位開始下降(見圖11)，距離施工位置較近的W02、W04、W05、W07號監測井變化幅度較大，其中W04號監測井降幅最大，在停止抽水時達到最大降深2.53 m，工程降水形成了小型降落漏斗(見圖12～圖13)，停止抽水時降落漏斗中心降深為14.24 m。停止抽水后水位迅速回升，W02、W04、W05、W07號監測井150 d左右水位基本恢復，距離施工位置較遠的其他監測井60 d左右地下水位基本恢復。

圖11 工程施工運行影響下的W01～W08號監測井水位變化預報圖

圖12 工程施工運行前研究區地下水流場圖

圖13 工程施工運行30 d研究區地下水流場圖

4 結語

根據2015-2019年研究區地下水動態監測資料，對地下水水位時空動態特征及影響因素進行分析，并采用數值模擬方法對地下水位在某工程影響下的動態變化進行預報，結論如下：

(1)地下水水位總體呈逐年上升趨勢，動態規律在時空分布上呈現出周期性、同步性等特點，年內及年際的平均水位、水位變幅有一定的變異性；研究區流場大致為東南向西北流動。

(2)地下水水位動態受工程施工運行和水文地質條件因素的控制。

(3)計劃運行的工程施工會使研究區地下水位持續下降，形成暫時的小型降落漏斗，停止抽水后地下水位逐漸恢復。

(4)建議下一步開展對地下水水量和水質的監測工作，建立地下水水位、水質的預報、預警系統[13]，為研究區地下水的科學管理和合理利用提供依據。