山东省德州地区地下水流场动态分析

贾 超，李 辉，周晓勇，贾佳佳，徐玉良

山东省德州地区地下水流场动态分析

贾 超，李 辉，周晓勇，贾佳佳，徐玉良

（山东大学土建与水利学院，济南250000）

地下水的开采对于地面沉降影响较大，尤其是对于一些特定含水层，过量的开采会导致形成地面沉降漏斗，存在一定安全隐患。基于三维非稳定渗流模型，以试点法为计算手段对德州市德城区进行地下水不同含水层渗流流场分析。分析不同开采量条件下特定含水层渗流流场特性，揭示了地下水在特定含水层中的运动规律，可为计算地面沉降问题提供参考依据。

水文地质模型；地下水渗流流动规律；开采量

地下水是我国水资源的重要组成部分，随着人口的不断增长和环境恶化，地下水的污染已经变得越来越严重［1-2］。德州市位于鲁北平原，是天津滨海新区及环渤海经济圈和省会济南的重要节点，所以德州市地下水环境的变化一直是人们关注的对象［3-4］。近年来随着地下水开采量的增大，地面沉降灾害日趋严重，确切把握区域流场动态变化是控制地下水开采的重要基础工作。模拟不同含水层地下流场渗流时空分布规律对分析地下水资源的动态规律变化、进而实现对地下水资源的可持续利用及开采不同含水层引起地面沉降的研究具有重要意义［5］。

以三维地下水渗流基础作为基本理论，建立德州市德城区三维水文地质概念模型，对浅-中层、深层含水层中地下水渗流流场进行模拟分析，研究了不同开采量条件下地下水流场时空分布规律。

1 水文地质概念模型

1.1 模拟范围及边界条件

本研究工作区域选为德州市德城区的行政边界，研究区域面积539km2。地面高程由德州市城区的地形图确定。浅-中层模拟区域的边界条件为四周地下水的排补定流量第一类边界条件，深层模拟区域的边界条件为第二类边界条件，并将边界进行分段，依照达西定律在模拟过程中对流量大小进行调整。

1.2 含水层组概化

本研究区域属于黄河下游冲积平原的孔隙水水文地质类型，其含水层在空间分布上结构复杂，地下水有明显的分带性［6］。根据区域内地层岩性、沉积年代及土的性质等，将地下800m以上的地层分为浅-中层承压含水组和深层承压含水组。由于地层之间相互连通的特性，根据德州市德城区的水文地质条件将含水层概化为4层。

1.3 源汇项概化及水文地质参数的选择

根据德州市工程地质分层资料显示，表层土为粉质黏土及粉土，局部地区有淤泥质黏土，地下水水位主要受降雨量大小的影响。研究区域深层地下水排泄主要为地下水开采，补给途径主要为侧向径流与越流补给，侧向径流补给则由边界条件所确定，越流补给由数值模拟所确定。各个地层水文地质参数如表1。

表1 各个地层水文地质参数取值

2 建立地下水非稳定流模型

2.1 地下水非稳定流的数学模型

在水文地质模型的基础上建立德州市德城区地下水渗流数学模型［7］：

式中Kxx，Kyy，Kzz为各方向渗透系数；H0（x，y，z，t）为渗流数学模型初始条件；q1（x，y，z，t）为渗流数学模型边界条件；W为降雨及蒸发等源汇项。

2.2 地下水非稳定流数值模型

2.2.1 浅—中含水层非稳定渗流数值模拟

本研究对于浅—中层含水层选取2011年9月～2013年9月为模拟时段，J1，J2为两个水位监测点，用来监测地下水位的变化，如图1。

通过监测点J1，J2的水位变化可以进一步探究第I地层的水位变化规律，如图2。

图1 浅—中层地下水初始流场等水位线

图2 J1，J2水位监测点水位变化规律对比

由两个监测点的水位变化可以看出，第I地层水位具有季节性，随季节变化明显，且总体趋势恒定，J1监测点地下水水位变化幅度1.48m，J2监测点地下水水位变化幅度1.30m。结论与地下水水位图的对比一致。

2.2.2 深层含水层非稳定渗流数值模拟

对深层地下水非稳定流渗流模型以2006年10月～2008年9月作为数值渗流的识别期，以2008年10月～2010年9月作为数值渗流模型的检验期。研究区域深层地下水流数值模型参数识别将表1中的参数作为模型识别的初值，根据监测点在模型识别期的水位监测资料，采用试点法计算得到的第III、第IV地层水平渗透系数参数如图3。

图3 不同地层水平渗透系数反演参数场

两个地层贮水系数反演结果分别为0.006，0.005。为检验数值模型计算得到地下水渗流流场与实际流场是否一致，选取地下水水位监测点监测资料与数值模型计算结果进行对比检验如图4。

图4 监测井地下水动态检验结果

在地下水水位动态检验过程中，水位监测值与计算值之间的差值较小，计算结果可以反映出监测水位的变化趋势，拟合效果较好。

3 不同开采量深层地下水渗流流场规律

在现开采量条件下德州市德城区深层含水层地下水渗流流场分布基础上，开展研究区域地下流场随开采量的变化预测至2020年。德城区深层地下水开采量统计表如表2，年份与开采量拟合曲线为y=-80.169x+164304（将2008年剔除）。将用此公式预测得到的2013～2020年开采量作为预测现状开采量，可以得出2020年现状开采量2362.62万m3。通过对比不同工况下的地下水水位分布，探究开采量对深层地下水流场时空分布规律的影响。开采量工况设置如表3，各开采量工况下不同地层漏斗中心水位变化曲线如图5。

表2 德城区深层地下水开采量统计

表3 不同方案的开采量

图5 各开采量工况下不同地层漏斗中心水位变化曲线

4 结语

（1）以德州市德城区埋深800m的地下水做为本次的研究对象，建立地下水非稳定渗流流场数值模型。德城区浅层地下水水位变化受降水和蒸发等影响比较大，水位随着季节变化波动较大；而深层地下水的水位受开采量控制，并且在现开采量条件下水位将持续下降。

（2）对于第III地层，开采量减少30%时漏斗中心的水位降低显著减小，开采量减少50%时地下水漏斗中心水位2020年与2010年基本持平；对于第IV地层，开采量减少10%时出现漏斗中心水位降低幅度减小的趋势，当开采量减少30%时，地下水漏斗中心水位2020年与2010年基本持平，当开采量减少超过30%时，漏斗中心水位逐渐回升。因此降低深层地下水得开采量对于控制深层地下水漏斗的发展，控制地面的沉降灾害具有非常显著的作用。

［1］张寿全.中国的水环境与水资源可持续利用若干问题［J］.工程地质报，1999，7（3）：250-256.

［2］匡耀求.中国水资源利用与水环境保护研究的若干问题［J］.中国人口·资源与环境，2013，23（4）：29-33.

［3］张永伟.华北平原德州地面沉降成生机理、监测预警与可控性研究［D］.济南：山东大学，2014.

［4］蔡文晓.德州市深层地下水开采与地面沉降关系研究［D］.长春：吉林大学，2009.

［5］冯娟.德州市深层地下水动态变化与模拟研究［D］.青岛：青岛大学，2008.

［6］冯娟.开采条件下德州地区地下水水质演化研究［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

［7］Ma X Y，Li S G，Zhu W S．A new method in groundwater flow modeling［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser B），2009，21（2）：245-254.

Dynamic analysis of groundwater flow in Dezhou area of Shandong Province

JIA Chao，LI Hui，ZHOU Xiao-yong，JIA Jia-jia，XU Yu-liang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

The exploitation of groundwater has great influence on the ground settlement，especially for some specific aquifer，the excessive mining will lead to the formation of subsidence funnel with some security risks.To solve the above problems based on the three-dimensional unsteady seepage model，the pilot method for the calculation means of groundwater of Dezhou City，different aquifer seepage flow field analysis.The analysis of the characteristics of the seepage flow field of the specific aquifer under different mining conditions reveals the movement law of the groundwater in the specific aquifer，which can provide reference for the calculation of the ground subsidence.

hydrological geology model；groundwater seepage flow；pilot method；exploitation amount

TV222

B

1672-9900（2016）04-0028-03

2016-05-04

贾超（1976-），男（汉族），江苏徐州人，教授，主要从事水利工程、岩土工程及工程地质方面的研究工作，（Tel）15098760969。