冲蚀型大陆岛地下水数值模拟研究——以东海岛为例

滕建标，刘蕴芳，周雯，李国敏，卢耀东

(1.环境保护部华南环境科学研究所，广州 510655;2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029;3.广东省水文地质一大队，广东湛江 524049)

大陆岛是指地貌、地质结构与邻近的大陆一致或有密切联系的岛屿，按其形成的原因可分为构造岛和冲蚀岛两种［1］。湛江东海岛岛内中、深层含水层与大陆(湛江市区)通过湛江湾底部相连，相应含水层水文地质条件一致，地下水水力联系密切，是典型的冲蚀型大陆岛。

大陆岛绝大多数是基岩岛，由于海水入侵［2-3］、地层尖灭等原因，一般作为独立的水文地质单元进行研究。国内外不少学者对于这些岛屿作了相关的水文地质研究。李国敏等［4］、LiuC［5］分别对广西涠洲岛、金门岛作过水文地质数值模拟研究。但是，对于与大陆地下水联系密切的大陆岛开展数值模拟研究仍较少。

数值模拟技术能够真实地刻画含水层系统复杂的水文地质条件，在地下水资源的研究、评价和管理工作中被广泛采用［6］。本文以广东湛江东海岛为例，对非独立的冲蚀型大陆岛地下水进行地下水数值模拟研究，建立东海岛地下水三维数值模型，模拟东海岛地下水流场，对于冲蚀型大陆岛数值模拟研究具有借鉴意义。

1 东海岛水文地质概况

东海岛位于广东省湛江市南部，面积约286km2。自20世纪60年代开始开发利用岛内中层承压水作为水源以来，随着本岛及邻区开采量的不断增加，中、深层承压含水层的水位也在逐年下降。据该区地下水动态长期观测资料显示，2007年岛内中层承压水降幅最大的监测孔水位标高已达－9.71m，水位埋深比1966年降低了14.21m;降幅最大的深层承压水监测孔水位标高为－7.80m，比1966年下降了15.80 m［7］。随着东海岛地下水水资源供需矛盾日益突出，有必要对研究区地下水水资源进行定量研究，为岛内地下水资源开发利用提供指导。

东海岛平均海平面高程为2.2m，地貌类型以北海组平原为主，其次为滨海平原环岛分布，湛江组台地仅局部分布，玄武岩台地分布于东部龙水岭一带。

东海岛位于东海断凹陷盆地内，盆底主要由白垩系地层构成，地表出露地层为第四系，其下沉积厚约1000m的新生代砂质和泥质岩类互层。岛内地下水系统主要由松散岩类孔隙含水岩组构成［8］。含水层按照埋深、水力特征和开采条件可分为三层，如图1、图2所示。

(1)浅层水:全岛各地均有分布，含水层埋深一般5～30m，岩性主要为粗砂、中砂、细砂等，厚度3～10m不等。岛内浅层水接受大气降水的垂向入渗补给，一部分垂向越流补给下伏含水层，一部分沿着其弱透水层底板潜流入海。

(2)中层承压水:分布于全岛各地，岩性为湛江组的粗砂、砾砂及中细砂，总厚度50～90m。中层水与浅层水之间以10～25m厚的湛江组黏土相隔。中层承压水主要接受浅层水的越流补给和南侧雷州湾的侧向补给，受到湛江市区大量开采形成降落漏斗的影响，地下水总体上由南向北径流。

(3)深层承压水:分布于全岛各地，岩性为下洋组的砾石、砾砂及中粗砂。深层水和中层水之间以下洋组黏土层相隔。含水层顶板埋深205～332m。地下水位标高为－2～－8m。该层为岛内供水的主要开采层位之一，富水性较好，接受上层含水层的越流补给和西南侧侧向来水补给，向湛江市区漏斗区排泄。

图1 东海岛水文地质剖面示意图Fig.1 Hydrogeologic profile of Donghai Island

图2 2008年东海岛地下水流场实测图Fig.2 Groundwater contour of Donghai Island in 2008

2 地下水数值模型建立

2.1 水文地质条件概化

根据东海岛水文地质条件，岛内中砂、粗砂和砾砂等砂性土富水性较好，赋存有丰富的地下水，为区内主要含水层;黏土、砂质黏土等黏性土富水性和透水性均较差，为相对隔水层。

通过分析评价区实际水文地质条件，建立如下水文地质概念模型:非均质各向异性;上边界为降水补给、蒸发和井排泄边界;下边界为隔水边界;模型第一层的四周边界以海岸带为边界，概化为定水头边界;模型其他层的四周边界由海岸带向四周延伸2km，并将北部和南部边界概化为流量边界，通过modflow的井文件实现。中层水概化为2层含水层，浅、深层含水层分别概化为1层，即4层含水层。

2.2 数学模型

上述水文地质概念模型可用如下数学模型描述:

式中，Ω为地下水渗流区域;S1为模型的第一类边界;S2为模型的第二类边界;kxx、kyy、kzz分别为x、y、z主方向的渗透系数，m/s;w为源汇项，包括降水入渗补给、蒸发、井的抽水量和泉的排泄量，m3/s;μs为贮水率，1/m;H0(x，y，z)为初始地下水水头函数，m;H1(x，y，z)为第一类边界地下水水头函数，m;q(x，y，z，t)为第二类边界单位面积流量函数，m3/s。

2.3 模型构建

根据水文地质概念模型和数学模型，利用国际通用的visuamodflow软件求解。模型计算单元为100m×100m矩形网格，垂向上按实际钻孔资料进行分层。最终剖分共计500列、392行、7层，共计592557个有效计算单元，如图3所示。

为了较准确地刻画评价区水文地质条件，本模型依据水文地质图及抽水试验结果，将评价区分成了14个参数分区，同时通过计算水位和实际水位拟合分析，反复调参，得到最终的含水层参数。

图3 模型三维视图(垂向放大30倍)Fig.3 Model of 3D view(Verticalmagnified30times)

3 模型识别与检验

3.1 地下水水位动态拟合

根据水文地质模型所建立的数学模型，必须反映实际流场的特点，因此，必须对数学模型进行校正，即校正其参数以及边界条件等是否能确切地反映计算区的实际水文地质条件。本次模拟依据2007年的18个长观孔地下水水位资料来对模型进行校正，共历时365d，源汇项包括降水、蒸发、人工开采等。对模型求解后得到在给定水文地质参数和各均衡项条件下地下水位动态拟合曲线如图4、图5、图6所示。通过拟合长观孔水位动态，识别水文地质参数、边界和其他均衡项。由于参数分区和参数初值选取客观地反映了研究区的水文地质条件，经细致调参后，模型识别取得了较好的效果。

图4 2007年浅层地下水水位拟合曲线Fig.4 The curve fitting of shallow groundwater in 2007

3.2 模型验证

图5 2007年中层地下水水位拟合曲线Fig.5 The curve fitting of middle groundwater in 2007

图6 2007年深层地下水水位拟合曲线Fig.6 The curve fitting of deep groundwater in 2007

为进一步验证所建立的数学模型和模型参数的可靠性，利用2008—2009年实测地下水水位动态观测资料对数学模型进行了检验。采用模型识别后的参数来计算各长观测孔水位动态，模拟计算得到的水位与实测水位比较结果如图7、图8、图9所示。由图可知，实测值与计算值拟合程度较高，差别不大，基本达到模型精度要求，表明模型正确，可以进行预测。

图7 2008年浅层地下水水位拟合曲线Fig.7 The curve fitting of shallow groundwater in 2008

图8 2008年中层地下水水位拟合曲线Fig.8 The curve fitting of middle groundwater in 2008

图9 2008年深层地下水水位拟合曲线Fig.9 The curve fitting of deep groundwater in 2008

图10、图11、图12为东海岛2009年6月浅层、中层和深层流场模拟图，对比东海岛的等水位线图(图3)可知，模拟结果与实际流场基本一致，模型可用来进行后续的水量水质预报。

图10 2009年6月东海岛浅层地下水等水位图Fig.10 Calculated of shallow groundwater contour，Donghai Island in June 2009

4 结论

图11 2009年6月东海岛中层地下水等水位图Fig.11 Calculated of middle groundwater contour，Donghai Is land in June 2009

图12 2009年6月东海岛深层地下水等水位图Fig.12 Calculated of deep groundwater contour，Donghai Island in June 2009

在分析东海岛水文地质条件的基础上，构建了东海岛地下水水流三维数值模型。本次主要工作内容包括:①水文地质条件分析与模型构建;②针对冲蚀型大陆岛不同含水层与大陆之间的水文地质关系而采取的模型概化措施;③地下水水流三维数值模拟检验。模型的识别验证结果表明，所建数学模型能够较好地反映东海岛水文地质条件，可用做东海岛未来的水质水位预报和地下水资源管理。

［1］刘锡清.关于海洋岛屿的成因类型问题［J］.海洋地质动态，2000，16(8):1-2.

［2］杨巧凤，李文鹏，王瑞久.深圳沿海表层海水与地表水关系的地球化学分析［J］.水文地质工程地质，2010，37(1):45-49.

［3］杨巧凤，李文鹏，王瑞文.深圳大沙河河水与海水关系的水文化学识别［J］.水文地质工程地质，2010，37(2):32-36.

［4］成建梅，李国敏，陈崇希.滨海、海岛海水入侵数值模拟研究——以山东烟台市和广西涠洲岛为例［M］.武汉:中国地质大学出版社，2004:112-117.

［5］LiuC，LinC，JangC，etal.Sustainable groundwater management in Kinmen Island［J］.Hydrological Processes，2006，20(20):4363-4372.

［6］薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望［J］.高校地质学报，2010，16(1):1-6．

［7］广东省地质勘查局水文工程地质一大队．广东省湛江市区2007年地下水动态监测年鉴［R］．湛江:广东省地质勘查局水文工程地质一大队，2008．

［8］卢耀东．湛江经济技术开发区东海岛新区水文地质特征报告［R］．湛江:广东省地质局水文工程地质一大队，2007．