西北某干旱区多级储水洼地地下水数值模拟

孙 琦，高为超，陈剑杰，肖礼华

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

西北某干旱区多级储水洼地地下水数值模拟

孙 琦，高为超，陈剑杰，肖礼华

(西北核技术研究所，陕西 西安 710024)

西北某放射性废物处置场预选区，区域地下水系统包含多级独立第四系储水洼地，洼地出口以泉水排泄地下水，继而回渗补给下级洼地。根据含水层底板起伏特征，利用GMS模拟软件中的排水沟模块与溪流模块概化了泉水，通过泉流量校准与监测孔水位拟合，校正了研究区渗透系数、给水度、和储水率等水文地质参数，计算了地下水流速、流向以及地下水资源量。结果显示，研究区地下水由南向北东径流，东北部为最终排泄洼地，地下水流速缓慢，水资源相对匮乏，有利于放射性废物处置的安全。

GMS;数值模拟;泉;流速流向

我国对地下水流数值模拟的应用与研究始于1973年［1］。近几十年来，随着计算机技术的迅猛发展，地下水数值模拟已应用到与地下水有关的各个领域和部门，地下水数值模拟已经成为地下水勘察中重要的手段。国内鄂尔多斯盆地、银川平原、华北平原等都进行过地下水数值模拟的研究工作，这些工作都取得了良好的效果，为当地的经济建设提供了有力支持。国外地下水数值模拟更早，QAZIAR［2］建立了美国科罗拉多州San Luis流域地下水准三维数值模型，流域面积3000余km2，该模型作为一个管理工具，可评价长期使用该流域地下水对其各滞留地表水造成的影响。RIVERA等［3］建立了德国Konrad放射性废物填埋场地下水流及溶质运移模型，研究了人为干扰作用下对地下水垂向流动方向盐份浓度的影响。国外在数值模拟软件的开发也走在前列，先后开发了具有实用价值的商用软件，如 Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［4～6］。但各地区由于地质条件不同，地下水数值模拟没有可套用的模式，并且随着人类对地下水环境的干扰日益加大，新问题不断涌现，如承压 －半承压 －潜水复杂系统以及露天矿反复疏干 －充水－疏干过程、矿坑排水等，导致地下水数值模拟具有各自的特点。研究区位于西北干旱区，地下水储存部位和运移规律较为独特。靠近高山区的第四系含水层有足够储存空间，水资源丰富;远离高山区的第四系含水层较为开放，水资源匮乏，呈透水不含水层。地下水的最终排泄处由于水位抬升，蒸发浓缩而成为盐碱地。地下水在多级洼地内储存、运移、排泄，洼地间由泉水的排泄、下渗构成水力联系。根据含水层底板抬升至地表的情况，本文尝试用GMS软件的排水沟和溪流模块概化泉水，建立了第四系储水洼地的地下水径流模型，为放射性废物处置场选址提供参考依据。

1 研究区概况

研究区内降水稀少，蒸发强烈，受基岩起伏及东西向山体制约，区内发育多个第四系储水洼地且地下水在洼地下游均以泉水形式出露于地表。区内地势南高北低，全区地下水除了大气降水入渗补给外，南部高山区侧向间接补给亦为重要补给来源，地下水、地表水均由南向北径流。各储水洼地内水资源分布极不均匀，接近洼地下游出口，水量丰富，而洼地边缘由于第四系堆积物厚度的减薄、地表高程增加而为透水不含水层。

南部高山区海拔高程为1 800～2 300 m，最高峰可达2 787 m，降水量为130～150 mm/a。中部山体海拔高程1 700～2 200 m，降雨量为70～80 mm/a。降雨量严格受控于山体高度，各山间洼地降水量保持在44～65 mm/a，而东北部的洼地中心降水量仅28～40 mm/a，一年很难有几次降雨，且多为暴雨，形成洪流泄入洼地，很难直接渗入地下转化为地下水。研究区由南至北可以划分为一级洼地，东西长3～8 km，南北宽18 km;二级洼地，东西长26 km，南北宽2.5～7 km;三级洼地南北宽5～10 km，东西长50 km;四级洼地为广阔第四系堆积物，南北宽8～9 km，东西长9 km。其中二级洼地与北部四级洼地通过沟谷连接，且沟谷内四季有泉水汇集成河。

2 水文地质概念模型

2.1 边界条件

模型范围见图1。模型边界南部设定为流量边界，依据钻孔实测数据计算南部山区侧向补给资源量;中部二级洼地东西两侧为地下水分水岭，与其它洼地分开，定为隔水边界;三级洼地西侧为流入边界;四级洼地东北部为流出边界;其它基岩与第四系的分界线设为零流量边界即隔水边界。注意到，区内各级洼地出口处出露泉水并回渗补给下游洼地，将以三类边界处理。考虑到个别洼地边缘有透水不含水层的分布，局部边界处理依据水文地质资料人为简化了边界范围。

图1 研究区地质略图与模拟区范围

2.2 含水层结构

区内第四系洼地沉积了10～150 m粉土、亚砂土、粉土质砂砾石、砂卵砾石。洼地中下游含水层厚度较大且绝大部分为单一的砂卵砾石，为地下水的储存提供了良好空间，形成了单一潜水。但洼地边缘随着第四系厚度减薄、地表高程增加，潜水位亦随着增高，沉积物多为粉土、亚砂土，透水性、储水性变差，局部由于补给来源不良而形成透水不含水层。由于区内第四系含水层岩性单一，分选不好，且下伏基岩存在基岩风化带，为了刻画基岩裂隙水与第四系潜水垂向变化趋势，根据第四系与基岩特征将该区分为双层结构(见图2)。

2.3 水文地质参数

区内第四系潜水含水层位于山前冲洪积倾斜平原，由于基岩起伏、洪水流量不均及出山口路径较短等原因，沉积物分选差，水文地质结构复杂，水文地质参数变化较大、分布不均，且在局部没有规律性。从第四系潜水与下伏裂隙水构成的基本水文地质条件出发，选择合适的钻孔数据，对比岩性特征，最终确定水平方向渗透系数在0.12～20 m/d之间，洼地中心部位由于堆积砂砾石层，渗透系数较大，而向洼地边缘由于基底起伏，第四系堆积物较薄且颗粒物变细，渗透系数反而变小。但是，从垂向上看，含水层中分布有许多弱透水的透镜体，阻碍地下水的垂向运动，因此，含水层在宏观上具有水平方向渗透性强、垂直方向渗透性弱的各向异性特征。垂向渗透系数为水平方向的1/20。第四系潜水含水层给水度在0.05～0.09之间，基岩裂隙水含水层水平方向渗透系数在 0.017 ～0.1 m/d之间。

图2 三维地质体结构图

2.4 地下水补给与排泄

区内降雨量随着高程的增加而增大，南部高山区降水丰富，植被良好，有利于地下水的富集、储存，通过出山口的洪流间接入渗补给一级洼地，同时山前侧向补给亦为重要补给方式。中部、北部山体降水量减小，植被不佳，不利于地下水的储存。各级洼地降水量向北逐级降低，且多消耗于蒸发，对地下水的补给有限，但暴雨形成的洪流补给量不可忽略。三级洼地西侧根据钻孔数据计算得到侧向补给资源量，四级洼地东北部为流出边界，通过断面计算得到流出边界流量。

区内各洼地除四级洼地下游以断面径流流出模型外，其它各级洼地下游出口均见泉水出露地表。为真实刻画地下水位的抬升以及泉流量在上下游洼地间的补排关系，将泉以及泉集河用GMS软件的Drain与Stream模块刻画。

图3 主要泉流量及降雨量变化值(1978－2010年)

3 地下水非稳定流数值模型

3.1 模拟时段选择

研究区地下水人为干扰较少，从多年评价的角度，选择完整水文年作为模拟期，以利于地下水均衡分析。选取1977年～2010年作为模型的识别验证期。应力期(抽水时期)以年为单位，则模拟区各补排项均应按年统计整理。每个应力期内包括若干计算时间步长，由模型根据迭代的误差标准，自动控制时间步长。

3.2 模型剖分

进行矩形网格剖分，水平方向采用200 m×200 m的网格剖分，有效面积263.5 km2，垂向上分为3层。总单元格数为44 800个。其中上层含水层活动单元格5954个，下层含水层活动单元格6 980个，其余为非活动单元格。

3.5 成本问题 由于国内目前3D打印批量生产的效率低，设备及材料成本高,导致3D打印假肢矫形器成本偏高,终端售价高,患者接受度低,因此其性价比有待进一步提高。

3.3 地下水位观测

研究区内共有66个钻孔，挑选各级洼地典型钻孔用于水位拟合和模型的校正。区内地下水位除了南部一级洼地由于人工开采而呈缓慢下降趋势，其它洼地仍为自然水位波动。

3.4 模型泉水刻画

研究区多个洼地下游均有泉水出露，为了真实刻画泉水。选择GMS提供的排水沟Drain模块来刻画。但注意到，排水沟模块的作用是当地下水位高于排水沟底板时，地下水流出系统，而地下水位低于底板时，无流量差。其流出量依据下式计算［5］

式中:Q为泉流量(m3/d);K为渗透系数(m/d);A为断面面积(m2);J为水力坡降;ΔH为水头损失(m);L为径流长度(m);C为传导系数(m2/d)。

区内一级洼地、三级洼地泉水均以线状出露，故利用线性排水沟刻画，实测泉流量分别为480 m3/d和680 m3/d。根据公式输入模型的数据有泉水水头损失值与传导系数值，在实际计算中，传导系数无法实测，需要根据经验值反复调试。泉水回渗是下游洼地的补给来源，泉水出露后一般形成溪流，为此在排水沟下游下渗点(线)设置回渗井，根据泉水流出量输入井回灌量。这样处理的好处是全程控制泉水的流出、回渗量，也便于模型的校正。缺点是使得地下水不连续，如果计算溶质运移，这种方法欠妥。

中部二级洼地下游泉集河在山谷径流，故使用了溪流(Stream)模块来刻画河水。由于泉水流量较大(约1 000 m3/d)，形成的泉集河径流路径较长，且泉水出露点相对集中，故溪流模块可以很好控制泉水出露点和泉集河位置。溪流模型需要输入的参数包括传导系数、溪流河床的顶底板高程、水位高度、河流宽度以及粗糙系数等。模型的优点是可以自动计算河水与地下水的实时补给、排泄，缺点是模块输入参数较多，不确定性较大，模型的调参过于复杂。

3.5 模型校正

模型校正的原则是:(1)模型计算水位与观测水位基本吻合;(2)模型没有系统误差，即系统平均误差接近0;(3)模型计算流场与实际流场基本一致;(4)模型内水文地质参数能够反映实际水文地质条件;(5)模型水均衡与实际地下水资源量相符，即各补排项、各主控断面流量与实际相符［6］。

4 模型应用

4.1 地下水位变化趋势分析

本次地下水数值模拟的模拟期从1978年到2010年，预报期从2010年到2050年。根据调整的最终模型预报水位变幅，预报期内假设模型边界条件及流量不变，蒸发量不变，降水入渗补给参数采用多年降水平均值。模拟结果显示，一级洼地水位由于人工开采(约1 000 m3/d)而逐年下降，每年漏斗中心下降幅度约0.5 m。可以看出，干旱区地下水开采量不大，水位下降幅度依然很大，反应了西北干旱区地下水资源匮乏，地下水系统的脆弱性。2010年模拟区地下水位等值线见图5。

图4 地下水位拟合图

图5 地下水位等值线图(2010年)

4.2 地下水资源量评价

应用模型计算出模拟期2010年地下水均衡结果(见表1)。由该均衡分析可知，模拟期内地下水总补给资源量622.1×104m3，总排泄量 632.4 ×104m3，补排差 －10.3 ×104m3，计算年为负均衡。

模拟区总补给项中，降水入渗量291.3×104m3，占总补给量的 46.8%;侧向补给量为 102.6×104m3，占总补给量的 16.5%。模拟区总排泄项中，人工开采资源量为47.5×104m3，占总排泄量7.5%;蒸发排泄量70.9×104m3，占总排泄量的11.2%;侧向流出量为285.7×104m3，占总排泄量的45.2%。

值得注意的是，模拟区越流量占补排项比例均较大，但并不说明模拟区地下水由于人为干扰而形成上下层位水力联系。概化模型时，第四系含水层中，各独立储水洼地下游第四系含水层底板标高抬高，泉水出露地表，而泉水回渗则进入基岩风化带中。即将第四系含水层与泉水回渗补给的基岩裂隙含水层划分为不同含水系统。由于泉水回渗入基岩裂隙水，径流到下游储水洼地后，又将以侧向径流的形式补给下游第四系含水层，所以越流量在补排项中数值基本一致。

补给降雨入渗 291.26 59.77% 291.26 46.82%侧向流入量 71.53 14.68% 31.02 23.01% 102.55 16.48%越流补给量 124.52 25.55% 103.77 76.99% 228.29 36.70%小计487.31 134.79 622.10排泄人工开采 40.15 8.95% 7.30 3.97% 47.45 7.50%蒸发 70.99 15.84% 70.99 11.23%侧向流出量 233.50 52.07% 52.15 28.35% 285.65 45.17%越流排泄量 103.77 23.14% 124.52 67.68% 228.29 36.10%小计448.41 183.97 632.38补排差37.32 －48.21 －10.89 38.90 －49.18 －10.28储变量的变化量

4.3 水流系统分析

为评价放射性废物处置场预选区安全性，根据建立的地下水模型计算出地下水流速、流向(图6、7)。由于预选区位于基岩裂隙的山体中，本次模型将其概化为第四系含水层并以等效连续介质简化处理。因此主要针对第四系含水层计算地下水流速、流向。

图6深色系代表流速较小而浅色系代表流速较大，途中可以反映出各级洼地下游流速较快，洼地连接带由于水力坡度较大而产生较大流速，而洼地边缘受补给源减少，流速缓慢。图7矢量箭头指示地下水径流方向。

图6 地下水流速分区图

5 结论

西北干旱地区地下水富集多集中在山前冲洪积扇洼地，降水的直接入渗和洪流的间接入渗为主要的补给来源，洼地下游多以泉水排泄地下水。本文对西北某放射性废物处置场预选区区域地下水流进行了数值模拟。通过数值模拟，得到区域地下水流场，预报未来50年的水位变幅影响，一级洼地地下水位每年以0.5 m的速度下降。通过计算2010年区域地下水资源总补给资源量622.1×104m3，总排泄量632.4×104m3。最后得到地下水流速、流向。研究区地下水资源相对匮乏，地下水流速缓慢，地下水汇流于东北部洼地即污染范围可控，有利于放射性废物处置的安全。

存在的问题:研究区位于西北干旱区，研究程度较低，水文地质数据多为收集前人资料，而水文地质试验由于水资源匮乏，而采用提桶试验或单孔抽水试验，精度不高，在模型建立和检验过程中不得已采用经验值并适当调整。

图7 地下水流向示意图

［1］姬亚东，柴学周，刘其声等.大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题［J］.煤田地质与勘探，2009，37(5):32－37.

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Groundwater Flow Numerical Simulation of Multilevel Basins in Arid Northwest China

SUN Qi，GAO Wei－ chao，CHEN Jian － jie，XIAO Li－ hua
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an 710024，Shaanxi)

There are several independent water storage basins of the local groundwater in a preselected radioactive waste disposal site in arid Northwest China. The outlets of the basin discharge the groundwater for spring，then recharge the next basin for infiltration. According to the fluctuation of the aquifer’s base，spring was generalized by DRIAN and STREAM in GMS，and the regional hydrogeological parameters were calibrated against spring flow and the monitoring wells. The model was used to calibrate the current velocities，flow directions，and resources of groundwater. By the modeling，groundwater flow from south to north in the study area，the basins on the northeast is the last evacuation. The velocity of groundwater is slow and the resources amount of water is sparse，which is propitious to radioactive waste disposal.

GMS;numerical modeling;spring;current velocity and flow direction

P641.72

A

1004－1184(2012)01－0038－04

2011－10－14

孙琦(1982－)，男，吉林四平人，硕士，工程师，主要从事水文地质研究工作。