陈 冬，许 模，曾 科，赵 瑞

(1.成都理工大学，四川 成都610059;2.四川省地质环境监测总站，四川 成都610081)

隧道涌水量预测研究已经有近半个多世纪的历史，研究的深度和广度都有了很大的拓展，目前隧道涌水量预测主要依靠水文地质比拟法、水均衡法以及基于裘布依稳定井流理论导出的各种解析公式、基于泰斯非稳定井流理论导出的涌水量计算公式[1，2]。非线性、模糊数学等理论运用也提高复杂边界条件下非均匀孔隙、裂隙介质非稳定流隧道涌水量预测的精度。但岩溶地区地下水的赋存条件复杂、运移方式多样，这些方法并没有解决高度非均质岩溶管道流的层流－紊流复合的问题。

数值模型是研究水循环与水资源的重要工具。自20世纪60年代以来，各国学者已建立了众多数值模型，如由美国环境保护局支持开发的水文模拟程序(Hydrologic Simulation Program，FORTRAN)－HSPF，及目前国内外应用最广泛的由美国地质调查局开发的地下水模拟系统模型MODFLOW，用来模拟较均一介质集水区或流域地表产流和径流、地下水动力学、地表地下水耦合的作用。文章尝试利用动态降雨－径流SWMM(Storm Water Management Model)模型隧道涌水量，希望为SWMM模型模拟降雨条件下复杂岩溶地区集中性涌突水提供科学依据。

1 SWMM模型介绍

SWMM(暴雨洪水管理模型)是一个动态的降水－径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。其径流模块部分综合处理各子流域所发生的降水，径流和污染负荷。其汇流模块部分则通过管网、渠道、蓄水和处理设施、水泵、调节闸等进行水量传输。该模型可以跟踪模拟不同时间步长任意时刻每个子流域所产生径流的水质和水量，以及每个管道和河道中水的流量、水深及水质等情况。

当前最新版本SWMM5可以对研究区输入的数据进行编辑、模拟水文、水力和水质情况，并可以用多种形式对结果进行显示，包括对排水区域和系统输水路线进行彩色编码，提供结果的时间序列曲线和图表、坡面图以及统计频率的分析结果。

2 研究区概况

中坝隧道隧址区位于四川盆地西南部古蔺县护家乡，全长3 993m，进口轨顶设计标高为719.79m，出口为709.03m，隧道最大埋深约415m。隧道穿越地层见表1，研究区为一单斜构造，节理裂隙成组发育。研究区岩溶以水平溶蚀与垂直溶蚀相互交替呈现，形成规模较大的地下岩溶通道，尤其是T1j岩溶十分发育，地表大量的溶蚀洼地、落水洞和岩溶槽谷成串珠状展布，并且顺层发育有地下暗河管道系统。

表1 中坝隧道地层岩性特征表

隧道在掘进至D9K55+218掌子面处于隧道拱顶左上方处发生大型的涌突水现象，掌子面主要的涌水点为洞顶左上方一条张开约10 cm的陡倾溶蚀裂隙，其切割揭穿了顶部的暗河管道，从而形成导水通道。钻孔显示被溶蚀裂隙切穿的暗河管道出口为犀牛塘泉点，图1为以犀牛塘泉点为最低排泄基准点的水文地质单元，地下水顺层沿北东径流。受到T1f非可溶岩地层的隔挡，以P1地层为主的可溶岩条带对隧道无影响，因此，犀牛塘泉点水源主要来自穿越的T2l、T1j灰岩含水层接受的降雨补给。地表调查发现，T2l、T1j灰岩条带上共有10个汇水洼地，其中W9为半封闭洼地，汇水后直接排泄入水落河，考虑岩溶管道的坡度性，判断隧道涌水水源主要来自犀牛塘暗河管道上游汇水洼地 W1、W2、W3、W4、W5、W6。

图1 犀牛塘水文地质单元平面图

3 SWMM模型的构建

3.1 模型概化

在SWMM模型中，一般将一个流域划分为若干个子流域，根据各子流域的特征分别计算其径流过程，并通过流量演算方法将各子流域的出流组合起来。

犀牛塘暗河管道发育形态非常复杂，在此假设每个洼地有独立的径流系统，且最终经过独立的节点(洼地底部的落水洞)排泄进隧道。洼地底部的落水洞较为特殊，这部分面积接受的降雨可以直接补给地下水，但由于面积较小，文章未做考虑。以洼地为单元，划分出6个次级单元流域，并用管道(地下河)将它们连接起来，概化后如图2所示，用于模型计算。

图2 模型计算概化图

3.2 模型参数选取

中坝隧道地表岩溶非常发育，通过研究CAD的地形图及Google Earth图圈出洼地面积，计算出6个洼地的汇水面积、平均坡度、洼地底部与分水岭平均高程等数据。石灰岩表面比较接近于混凝土，管道及洼地的曼宁粗糙系数的初始参数根据混凝土曼宁粗糙系数经验取值。特征宽度是一个无法实测的模型参数，文章采用InfoSWMM提供的计算汇水子区域特征宽度的方法获得。汇水子区域主要参数详见表2。

表2 汇水子区域主要参数一览表

含水层用来模拟地表径流的垂向入渗补给，同时含水层的水又可补给管道系统。已有研究表明，上部包气带与管道之间存在水量交换，因而在模型当中同时考虑含水层的作用，即上部包气带与下部管道之间的相互作用。通过设置土壤孔隙度、饱和水力传导率、土壤水分蒸发蒸腾深度、含水层底部高程及初始水位高程与初始水分含量等参数来表征包气带。SWMM模型可选三种入渗方法:Horton，Green－Ampt，Curve Number。文章选用Green－Ampt入渗方法，主要参数包括土壤毛细管吸水深度ψ、饱和水力传导率K、初始亏损率ID(土壤初始水分含量与土壤孔隙度比值)。研究区的土壤较接近于壤土，根据文献查阅[3]取ψ =76.2mm，K=3.18 mm/h，ID=0.26。

降雨量采用当地2012年7月14日至8月11日共29天的降雨数据，当地日降雨量过程曲线如图，期间主要有6次降雨过程，累计降雨量分别为12.3 mm，15.6 mm，，15.3 mm，15.3 mm，43.2 mm，18.8 mm。

图3 研究区降雨过程曲线

4 模型结果分析

4.1 模拟结果与实测结果对比

运行SWMM模型后，得到的模拟结果曲线形态和降雨量曲线形态大致相同(见图4)，模拟结果在降雨时明显增大，雨后水量下降明显。

图4 SWMM模型模拟中坝隧道涌水量动态变化情况

在前期降雨量较小时模拟结果和实际观测数据动态变化相差不大，且两条曲线拟合程度较好，但模拟结果瞬时效应相较于实测数据明显。降雨时模拟结果的上涨幅度和雨后的下降幅度较大且与实测涌水量的相对误差较大，从表3可以看出相对误差随降雨量的增大而增大，当降雨量为43.2 mm最明显。结合图3可发现43.2 mm强降雨后两条曲线(模拟和实测隧道涌水量动态变化曲线)总体都是下降趋势，很明显地实测数据对降雨的敏感度很差，基本呈下降趋势，但模拟结果随着降雨量的变化发生起伏，说明模拟结果依然保持对降雨有较高的敏感度。

表3 模拟隧洞涌水量在主要降雨时段的相对误差

4.2 差异性分析

(1)模型概化方面

由于该隧道只是揭露与暗河管道相连接的长大溶蚀裂隙，并未直接揭露暗河管道，在较大雨情时，长大裂隙并不能完全截取暗河管道水，实测涌水量只是暗河管道水量一部分，大部分水顺管道流向犀牛塘暗河出口，所以实测涌水量远远小于模拟结果。在小降雨时段，暗河管道水基本排向长大裂隙，涌水量模拟结果和实测模拟结果有很高的拟合程度，但由于含水层做为隧道一个不可忽视的涌水水源，在实测涌水量的曲线变化中起到了削峰作用，模型并不能完全刻画研究区的地下水径流过程，且模型未考虑管道与含水层之间的水量交换关系，所以体现出雨前和雨后模拟结果起伏较大。

(2)模型参数方面

有研究表明在降雨数据详细的情况下，SWMM模型模拟岩溶峰丛洼地系统降雨径流过程误差只有19.1%[4]，受条件限制，本次采用降雨数据以天为单位，缺乏更精准的资料，且当地降雨数据并不能完全体现研究区降雨情况，由于研究区地形起伏较大，降雨空间分布不均匀，各洼地集水区同时段降雨量不尽相同。

管道与地表粗糙度、洼蓄量等参数无法实测，都是根据文献资料直接引用的，关于子单元信息，如汇水面积、地面坡度、特征宽度等都是人为的划定，这些都和实际参数可能会存在一定的偏差。模型中含水层参数设定主要是针对较均一介质的，而岩溶含水层的一个主要特点是存在不均一性，如何刻画其不均一性值得进一步研究。

5 结语

研究表明，本次模拟在小降雨时段和实际观测值的拟合程度较好，但受条件限制，无法很好的模拟在强降雨情况中坝隧道涌水量的动态变化情况，如果能获取犀牛塘暗河出口流量动态变化情况，模型模拟的地下水径流系统可以更好的反映实际犀牛塘暗河地下水单元补径排关系。

总的来说，SWMM模型可以较好的模拟岩溶地区涌水量的动态变化，但要使模拟结果精确度更高，模型中参数的选取，尤其是针对岩溶地区的参数选取，将成为今后工作中重点研究对象。

[1]朱大力，李秋枫.预测隧道涌水量的方法[J].工程勘察，2000，(4):18－22.

[2]聂志宏，张弥，白李妍.用经验公式计算隧道用水量[J].铁道标准设计，2000 ，20(6 － 7):48－49.

[3]张震芳.排水管网动态水力建模数据组织与分析[D].上海:同济大学，2009.

[4]章程等.利用SWMM模型模拟岩溶峰丛洼地系统降雨径流过程—以桂林丫吉试验场为例[J]，水文地质工程地质，2003.(3):10－14.