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数值法在岩溶地区地下水资源量计算中的研究应用

2017-11-04刘跃荫

城市地理 2017年10期
关键词:东区含水层分区

刘跃荫

摘要:Visual MODFLOW4.1是由加拿大Watedoo水文地质公司在MODFLOW的基础上开发研制而成,曾是国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该软件提供了求解地下水流有限差分公式的很多种方法,如强隐式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、预调共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等,使模拟计算更加贴近实际,计算精度进一步提高。

关键词:数值法;岩溶地区;地下水;可开采资源量

数学模型是建立在对天然地质体概念模型高度认识的基础上进行的,要确定一个地下水流问题的数学模型,就必须进行水文地质测绘、钻探、试验,查明地质、水文地质条件。为了更精确地评价研究区的地下水资源量,预测地下水系统状态及其变化趋势。本次根据柳东区的水文地质条件、钻孔、地下水水位动态,建立地下水系统模拟模型;在地层岩性、地质构造和地形地貌条件的控制下,柳东区的水文地质边界清晰,属于一个较完整的水文地质单元,模拟范围以河间地块地下水分水岭与柳江为界。

1.地下水赋存介质概化

柳东区地形为峰林谷地一洼地地貌,地面高程一般80~380m,北面及南面有碳酸盐岩山体出露,其余皆为第四系所覆盖。模型三维立体展示如图1所示。

本次地下水资源数值法评价采用地下水模拟软件VisualMODFLOW4.1进行模拟。

Visual MODFLOW4.1是由加拿大Waterloo水文地质公司在MODFLOW的基础上开发研制而成,曾是国际上最为流行且被各国同行一致认可的三维地下水流和溶质运移模拟评价的标准可视化专业软件系统。该软件提供了求解地下水流有限差分公式的很多种方法,如强隐式迭代法SIP、逐次超松弛迭代法SOR、预调共扼梯度迭代法PCGZ、SSOR等,使模拟计算更加贴近实际,计算精度进一步提高。

如图,第四系覆盖层之下地层有孤峰组下段(P2g1)、栖霞组(P2g)、南丹组(C2Pn)、马平组(C2Pm)和黄龙组下段(c2h2)灰岩以及黄龙组上段(Ceh1)、大埔组(C2d)白云岩,受岩性及构造影响,该区岩溶裂隙、溶洞较发育,为地下水赋存提供有利条件。根据模拟区地下水系统含水介质的特点及水文地质条件,将含水层概化为两层。

2含水层水力特征的概化

数学模型是建立在对天然地质体概念模型高度认识的基础上进行的,要确定一个地下水流问题的数学模型,就必须进行水文地质测绘、钻探、试验,查明地质、水文地质条件。为了更精确地评价研究区的地下水资源量,预测地下水系统状态及其变化趋势。本次根据柳东区的水文地质条件、钻孔、地下水水位动态,建立地下水系统模拟模型;在地层岩性、地质构造和地形地貌条件的控制下,柳东区的水文地质边界清晰,属于一个较完整的水文地质单元,模拟范围以河间地块地下水分水岭与柳江为界。从空间上看,地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅,地下水系统的流入、输出随着时间、空间变化而变化,故该系统地下水为非稳定流;参数随时间和空间变化,体现了系统的非均质性,在水平与垂向上有明显的差异性,所以参数概化成各向异性。故将模拟区的地下水流作为非均质各向异性三维非稳定流处理。

3.柳东区边界条件的概化

柳东区地形为峰林谷地一洼地地貌,地面高程一般80~380m,北面及南面有碳酸盐岩山体出露,其余皆为第四系所覆盖。上覆第四系粘土可视为相对隔水层,下伏碳酸盐岩溶水含水层,稍具承压性,以下对各个边界概化作具体阐述。

1)侧向边界概化

①东西两侧为柳江河,河床切割较深,均切割基岩,河水流量较稳定,水流平缓,水位变幅小,可作为碳酸盐岩溶水含水层第一类边界,即河流定水头边界。

②北面牛车坪村一马鹿村一带,山体高程达180~380m,为地下水分水岭,主要为碎屑岩分布区,岩性以砂、泥及页岩为主,透性及富水性差,可作为隔水边界,即为第二类边界。

③南面以架鹤村一市福利院一带的局部地下水分水岭作为隔水边界,即为第二类边界。

4.水文地质参数分区和初值的确定

模型主要的水文地质参数为渗透系数、给水度、贮水率。在不影响计算精度的情况下,为了使参数分区简化,将每一个渗透系数分区同时视为给水度、贮水率分区。将第四系土层分区划分为一层,根据模拟区的水文地质条件,将碳酸盐岩含水层在平面上进行参数初步分区,其参数大小的初始值按照本次各地段施工钻孔及收集以往资料的钻孔揭露的岩溶发育特征和相应有钻孔抽水实验资料,初步确定每个分区相对应的参数初值。

5.渗流场数值模型的识别和验证

取SZ10、SZ20、SZ23钻孔观测水位数据与模拟水位数据进行对比,作为模型的识别和检验,根据收集到的地下水观测资料,取模型识别的时段为2015年5月20日到2016年4月20日,以实际水位和计算水位的拟合情况作为调整参数的依据。通过多次修正渗透系数、给水度、贮水率等,得出了含水层渗透系数和贮水率的大小及分区与观测孔的计算与实测水位的对比。

计算水位较实测水位滞后,模拟水位比较接近实测水位,水位线趋势相同,水位拟合误差小于0.5m。水位变化值较少的情况下误差在容许范围内。从图中可看出,各观测孔模拟值与实际值动态拟合效果较好,说明模拟所用的参数是合理的。

6.模拟区地下水流场分析

通过数学模型识别和验证,表明含水层结构、边界条件概化、水文地质参数的选取较合理的,数学模型能较真实地反映研究区地下水系统特征,可用模型数据进行地下水流场分析。天然条件下河间地块地下水均向柳江排泄,在中部形成了一条近南北向的地下水分水岭,将模拟区分成两个次级水文地质单元。东面水力坡度比西面的小。随着地下水水位的下降,水力坡度逐渐减小。整体地下水位略高于柳江水位,水流较平缓。

7.模拟区地下水允许开采量的预测

1)预测方案

在降水保证率95%条件下,利用建立的地下水模型对设计方案进行模拟预测,本次预测模型的边界条件和水文地质参数保持不变,补给项和排泄项按95%保证率重新计算,开采量拟采用东环水源地开采井来设计开采量,通过多次调试来确定。预测期为2016~2026年,以月、年为时间段,共21个应力期,第一年以—个月为—个应力期,第一年以后以一年为—个应力期,每个时间段内包括不同的时间步长。初始流场选择2015年12月末的流场。

2)预测结果

通过调试最终以开采量48000 m3/d进行预测,按设计方案开采3个月后,水源地中心地下水位大幅下降形成降落漏斗,开采1年、3年后,地下水位整体持续下降,漏斗面积不断增大,直至6年后,地下水流场达到稳定状态,水位基本保持不变,与10年后相比降幅不超过O.02m,漏斗面积不再增加。因此,预测该模拟区允许开采量为48000 m3/d(17.52×106m3/a)。

结语:在矿坑开采过程中,开采工作需要符合国家的技术规范以及要求,勘测矿山的地址水文条件以及矿山地址水文的类型复杂程度,结合实际环境设计出符合條件的工作任务,并确定大致的工期范围。在施工开采的过程中,专业人员应时时检测地下水的流量变化,以防止意外事件发生,及时完成工作任务,提升安全防范意识。endprint

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