岩溶山区泉流量对降雨响应规律模拟研究

胡雨柔,康小兵,张 璐,孙 昊,刘 玲,陈舟浩宇

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059)

岩溶地下水是人类重要的水源,全球约有20%~25%的人口依靠岩溶地下水作为饮用水源[1].由于岩溶含水系统的高度非均质性和各向异性,其水动力循环过程非常复杂,通过分析降雨泉流量响应规律获得岩溶含水系统的水动力循环特征[2].碳酸盐岩分布区的水循环运移与岩溶发育及其结构密切相关[3],在岩溶地下水资源开发利用时不需要获得准确的管道几何特征,可以运用模拟技术,探究岩溶山区降雨泉流量响应特征,为水资源管理和保护、流域生态环境综合治理、安全供水提供重要保证[4].

本文对山西某岩溶泉水文地质条件进行概化,通过改变降雨强度、观测泉流量的变化研究两者的变化关系,利用所得数据在MODFLOW软件中进行模拟验证,获取两者的相关性.

1 研究区水文地质条件

该泉所在岩溶地下水补给系统来源主要有3部分,一是在汾河以北接受降水补给,赋存于灰岩中,流向东南,越过汾河,由潜水转变为承压水;二是由汾河渗漏补给;三是泉域附近的含水层直接接受大气降水的入渗补给.该泉域的天然集中排泄点所处的晋祠-冶峪断裂带呈NNE向,由3条断层组成,自西向东形成阶梯状断阶.断裂西侧出露有奥陶系(O)石灰岩,仅在山包顶部有石炭 (C)~二叠系(P)盖层,这表明奥陶系岩溶含水层在晋祠一带埋藏较浅;断裂东侧为第四系 (Q)松散层,岩溶地下水向东遇到粘土岩类阻挡而沿断裂上升溢出地表形成泉水,为典型的山前断裂溢流泉[5].岩溶泉形成模式示意见图1.

2 物理模拟

2.1 模型建立

通过分析该岩溶泉水文资料,研究降雨对承压水的补给,观察泉流量的变化,得出降雨量与泉流量的相关曲线,讨论其响应关系.

图1 山西某岩溶泉形成模式示意

试验所假设的水文地质模型为一倾斜的均质石英砂承压含水层,均质等厚且各向同性,承压水地质模型见图2.降雨装置模拟区域的大气降水,通过调整稳水箱的高度模拟泉域内汾河水位,用承压水演示仪中的断层上升泉模拟集中排泄点.按照建立好的模型,安装承压水演示仪.

图2 承压水地质模型

2.2 试验过程、现象及结果分析

通过控制降雨装置水流的大小改变降雨强度,在规定的基准面下,调整好稳水箱高度以使蓄水槽保持一定水位.第1组实验完成后,待蓄水槽水位降至基准面再进行第2组实验,试验数据见表1.

表1 降雨量与泉流量试验数据

本文以最后1次降雨过程为例进行研究.从降雨开始到停止补给,记录泉流量的变化值,得出泉流量随时间变化的关系曲线,见图3.从图3可以看出,泉流量受降雨强度控制呈现先增大、后逐步衰减的变化过程.

图3 泉流量随时间的变化

经过多次试验得到泉流量对降雨强度的响应关系曲线,见图4.从图4可以可知,在岩溶水文地质条件概化基础上,仅考虑本区大气降雨补给因素时,泉流量随降雨强度的增大而增大,两者呈正线性相关关系 (y=12.579x+3.1089),且相关性较好,R2=0.988 2.

图4 泉流量对降雨强度的响应

3 数值模型

3.1 模型建立

用MODFLOW建立数值模型时遵循相似原则,各项参数与物理模型保持1∶1比例赋值.模型空间剖分为3层、8行20列,并将补给区与排泄区网格进行细分.三维立体模型见图5.补给区位于模型最上端,与物理实验的补给水箱对应,用MODFLOW中的排水沟模块模拟岩溶泉,排水沟设置于模型尾端,标高为0.3 m,防渗墙模拟物理实验中的断层,使承压水作为断层上升泉溢出.

图5 三维立体模型

3.2 模拟结果分析

模型参数输入包括渗透系数、导水系数等,模型中的渗透系数K根据物理实验测得,每层赋值为0.000 8 m/s,导水系数C赋值为0.662 4 m2/h,模型的补给为降雨补给.在补给区按历时分为5段输入不同的降雨强度值 (见表2).模型运行后输出排水沟的值,即为泉流量.根据水均衡计算可得出泉域内地下水流入流出量以及不同时间步长的变化情况 (见图6).由图6可知,在不同时刻,由于补给量的不同,泉流量也随之发生变化,两者呈线性相关.

表2 不同历时的降雨强度

4 结 论

图6 泉流量与降雨量的关系

本文将物理模拟与数值模拟方法相结合,研究了岩溶山区泉流量对降雨的响应关系.在物理模拟中通过对不同降雨量条件下泉流量的数据拟合,直观地体现了在含水层为均质各向同性的条件下两者的线性关系.结合MODLOW软件,模拟泉流量与降雨强度的动态变化,得出与物理模拟相对应的响应关系图,也反映了两者之间为线性关系,且存在一定的时间滞后.由于受试验条件的限制,不能准确地模拟研究区域的地质条件,仅能反映出研究区的泉流量与降雨之间的总体规律,而不能准确求出两者间的响应关系.

[1] 杨平恒,袁道先,袁文昊,等.以PCA揭示降雨期间岩溶地下水文地球化学的形成[J].科学通报,2010,55(9):788-797.

[2] 刘丽红,束龙仓,鲁程鹏.基于管道流模型的岩溶含水系统降雨泉流量响应规律-以贵州后寨典型小流域为例[J].吉林大学学报:地球科学版,2010,40(5):1083-1089.

[3] 唐健生,夏日元,邹胜章,等.新疆南天山岩溶系统介质结构特征及其水文地质效应[J].吉林大学学报:地球科学版,2005,35(4):481-486.

[4] 梁厚学,梁颜红.利用岩溶泉作供水水源分析[J].人民长江,2007,5(5):99-100.

[5] 黄皓莉.晋祠泉断流与地下水资源保护关系[J].中国煤田地质,2003,4(2):26-28.