人工渗流场中的地下水流数值模拟

姚怡光,张 云,孙 铁,唐 宁,何国峰

(1.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京210023；2.建筑综合勘察研究设计院有限公司,天津300160)

人工渗流场中的地下水流数值模拟

姚怡光1,张 云1,孙 铁2,唐 宁1,何国峰1

(1.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京210023；2.建筑综合勘察研究设计院有限公司,天津300160)

以天津滨海新区某拟建场地人工渗流场为研究对象,对研究区的水文地质条件进行分析和概化,用GMS7.1建立了水文地质概念立体模型。调用GMS7.1中的MODFLOW模块建立地下水流数值模型并求解,得到研究区的各项水文地质参数,再现并预测了研究区的地下水流场情况。计算结果表明,利用GMS建立的人工渗流场概念模型求解的各项水文参数较为精确,与现场实际情况吻合。同时,利用GMS进一步确定了合理的开采水方量及开采时间,为有效防治抽灌水引起的土体变形提供了理论依据。

人工渗流场；数值模拟；GMS；土体变形

0 引 言

随着地下水源热泵技术的广泛应用,天津市滨海新区地下水天然渗流场不足以使地下水源热泵充分发挥机组效率的问题日益表现出来[1]。这主要是由于滨海新区的地下土层主要为渗透性极弱的粘性土,地下水渗流条件极差[2]。为了解决这一问题,拟建立人工条件下的渗流场。但人工渗流场会引起土体内部应力或土体、地基本身的强度、结构变化,从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形[3]。因此,为更好地利用人工条件下的地下水渗流场这一技术手段,必须对土的渗透性质、地下水在土层中的渗透规律及其与工程的关系进行研究,为地下水源热泵的科学利用，确定合理的地下水采灌方案,以及土工建筑物设计、施工提供必要的资料。

地下水模拟系统(Groundwater Modeling System,GMS)是美国Brigham Young University的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站,在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。该软件可用来求解各种地下水模型,所拥有的可视化前处理界面及后处理功能将各种求解地下水问题的程序集成在一起,为用户提供了便捷和高效的操作[4-5]。

本文选取天津滨海新区塘沽海河大桥以南的人工渗流场试验基地为研究对象,结合该场区水文地质勘察和抽水试验资料,采用GMS7.1软件对抽灌水过程中的地下渗流场进行数值模拟,反求试验区域的水文地质参数。同时,分析抽灌水试验过程中人工渗流场的变化,对采用的抽灌水方案进行分析与预测。

表1 研究区地层结构分布及物理性质

1 工程概况

1.1 试验场地

试验场位于天津滨海新区海河大桥以南,占地面积约300 m2(50 m×6 m)。试验场布设抽水井P与灌水井R,从P井抽出的地下水直接灌入R井,故R井的灌水流量小于或等于P井的抽水流量。此处,抽水量和回灌量都控制在10 m3/h,试验时长为100 min。P井与R井的设计深度为60 m,滤水管位置30.6～49.3 m,在P井与R井的井口各安装1台流量计,监测取水量与回灌量变化。R井周边分别在埋深为53.0、28.0 m处设置观测井obs1与obs2。在抽灌水井以及与之相对应的观测井内采用电流表测线法对地下水位进行人工监测。试验场地平面见图1。

图1 试验场地平面(单位：m)

1.2 场地地质条件及水文地质参数

滨海新区地层结构总体上分布比较均匀,海陆相沉积交互关系明确。埋深大约在100.0 m以上的地基土从上而下依次为第四系全新统、上更新统及中更新统沉积[6]。根据岩土工程勘察报告,在场地60.0 m深度范围内,按其地层成因、土层结构及工程特性可划分为7层。地层呈水平层状分布,地层埋藏分布与天津市滨海新区塘沽区正常沉积地层基本相符。研究区地层结构分布及物理性质见表1。

场地第③层以上为潜水含水层,下部第⑤层为承压含水层。其中,潜水含水层的水位埋深为3.54～5.00 m,第⑤层承压含水层的水位埋深为9.10～9.30 m,P井与R井的滤水管位置为30.6～49.3 m,贯穿整个第⑤层,为完整井。在试验场地,当仅有P井抽水时,R井可看做观测井,这时可采用Dupuit公式计算水文地质参数。本次试验中,P井中的抽水流量Q=294.48 m3/d,计算可得粉砂层的渗透系数k=4.25×10-5m/s。

2 数学模型的建立

2.1 水文地质概念模型

为查清试验场区的水文地质条件,初步了解地下水渗流场的情况,为后续的抽灌水试验及数学模型的建立提供合理的设计参数,除岩土工程勘察外,又进行了多次抽水试验以及水位恢复试验。由试验结果可知,研究区土层可划分为4个水文单元层(不考虑填土层)。②、⑤层各为一个含水层,分别标记为layer1、layer3。③层因厚度仅为1.7 m,可与④概化为一层,标记为layer2；⑥层因厚度仅为2.7 m,可与⑦概化为一层,标记为layer4,这2层均为弱透水层。

2.2 初始及边界条件

根据现场监测,各井的稳定水位标高：P为-9.40 m；R为-9.26 m；obs1为-3.84 m；obs2为-3.83 m。在模型的四周设置定水头边界,模型底部设置隔水边界。由于整个试验过程中对潜水水位影响很小,故潜水面处设置零水头边界,试验区内的P井与R井是唯一的源汇项。

图2 观测值与计算值拟合对比

3 渗流数值模拟

3.1 网格剖分与参数分区

根据水文地质概念模型,对研究区进行三维网格剖分,平面上将其划分为28×10个网格单元,垂向上将整个研究层划分为5层。结合岩土勘察资料及多次抽水试验的结果,在垂向上将土层划分为5个参数分区。由于obs1与obs2分别位于layer4与layer2,故本次数值模拟主要对layer2、layer3、layer4进行分析。

3.2 数值模拟

3.2.1 模型识别

本次数值模拟通过抽水井、灌水井以及相应的观测孔的水位监测资料对模型进行识别,所有井的位置、属性、观测时间、水位值以及所允许的误差范围都在Conceptual Model中的MAP模块中定义。MODFLOW对地下水渗流的计算运行结束后,GMS会自动进入模型识别模式,将所有井的观测值与计算值进行对比,并进行误差分析。根据模型识别的结果逐步调整参数,直至满足计算精度为止。图2为所有井的观测值与计算值的拟合曲线。各相关井的拟合误差统计见表2。从图2及表2可知,所有井的实测水位观测值与模拟计算得到的水位曲线有极好的吻合度,所有井平均相对误差为1.751%,满足计算精度要求,也反映了反求参数的有效性。

表2 参数识别阶段所有井的拟合误差

模型检验中,将抽水井与灌水井的流量设置为6 m3/h,抽灌水时间为2 h。图3为模型检验时段内P井与R井各自的计算值和观测值的拟合曲线。模型检验期间2个井的绝对误差与相对误差统计见表3。由表3可知,模型检验的相对误差平均为2.095%,满足精度要求。

图3 观测值与计算值拟合对比

表3 参数检验阶段的拟合误差

4 模型结果分析

4.1 参数分析

参数拟合阶段本研究区的水文地质参数见表4。总体上,水文地质参数的模拟结果基本符合研究区的水文地质特性,比较好地反映了含水层的透水特征。其中,layer3即粉砂含水层的模拟渗透系数与根据DL/T 5213—2005《水电水利工程钻孔抽水试验规程》中的抽水试验所得出的渗透系数较为吻合；layer2即粉土～粉质粘土含水层以及layer4即粉质粘土的模拟渗透系数相对于一般的粉质粘土而言较大,透水性较强,这主要是由于在layer2、layer4含水层中分别包含了1.7 m和2.7 m厚的粉土,但这2层相对于layer3含水层的透水性差了很多,故需对抽灌水引起的layer3含水层的土体变形格外注意。此外,由于layer2含水层的厚度大且概化后的平均渗透系数较大,在抽灌水过程中,也应对其土体变形引起关注。

表4 研究区各含水层水文地质参数

4.2 流场分析

图4为三维立体模型中含水层layer2、layer3、layer4的地下水流场。由于P井以及R井的滤水管位于且贯穿整个layer3含水层,故在layer3含水层中的P井附近出现了较大的水位降深以及降落漏斗；而在layer3含水层中的R井附近,由于灌入地下水的缘故,水位有所抬升,出现了注水漏斗。从图4可知,在2个井附近,由于抽水与灌水的缘故而产生的漏斗的影响半径相对于整个试验场地而言是很小的,不足以使试验场地产生较明显的沉降,这与现场的layer3层的沉降监测结果较为吻合。在弱透水层layer2和layer4中,地下水由R井附近向P井附近流动,水力梯度很小。由于这2个含水层分别为粉土～粉质粘土、粉质粘土,透水性相对layer3粉砂含水层较弱,故在P井与R井附近均未产生明显的漏斗。

图4 三维立体模型中含水层中的流场

4.3 降水预测

4.3.1 水井抽灌水能力

传统的基层组织一线员工教育培训方法、模式存在着许许多多的缺陷、弊端和问题，不仅影响到了员工正常培训，而且即使进行了培训，也是事倍功半、效率低下，这种培训的方式方法已经到了非改进不可的地步了。随着电子通讯技术的飞速发展、手机的广为普及，适时引入E-training 模式，不仅有效解决了基层一线员工培训所面临的诸多问题，而且能够有效提高培训的效果和质量。因此，当前推出基层一线员工手机E-training 模式，条件上不仅充分、必要，而且时机上也恰逢其时。

P井与R井的抽灌水量控制在10 m3/h,抽灌水周期设置为4 h,试验共进行3个周期。每个周期内,先抽P井灌R井2 h,再抽R井灌P井2 h,P井与R井交替作为抽水井或灌水井,且不等P井与R井中的水位恢复即刻切换P井与R井的抽灌水状态。

图5中前12 h为P井与R井在3个抽灌水周期内的实测水位观测值与模拟计算得到的水位曲线,后4 h为仅用GMS模拟计算得到的水位曲线。从图5可知,P井与R井在4个周期内的抽水状态下达到稳定时的水位并无明显的变化,这说明P井与R井的出水能力随着抽灌水循环次数的增加较为稳定；同样,P井与R井在4个周期内的灌水状态下达到稳定时的水位也无明显的变化,这说明P井与R井的灌水能力随着抽灌水循环次数的增加较为稳定。由此可知,在10 m3/h的抽灌水量条件下,水井的抽灌水能力随着循环抽灌水次数的增加处于一个比较稳定的状态,能保证人工渗流场的正常运行。

图5 周期性抽灌水状态下水井观测值与计算值拟合对比

4.3.2 最大开采量与开采时间的确定

将抽水井与灌水井的流量分别调至63 m3/h,定流量抽灌水8 h后,P井中的水位降至-22.11 m,R井中的水位升至-0.25 m(见图6)。P井降落漏斗范围内的粉砂层依然处于饱和状态,不容易被疏干,但R井中的水位即将漫出井口,表明R井的灌水能力在当前设置的灌水方量以及灌水时间条件下已经接近极限,如果再次调高流量或增加灌水时间,那么从P井抽出的地下水将无法全部回灌回地层。由此可知,当前的抽灌水方量及时间的设置是合理的,可以保证从粉砂层中抽出的地下水完全回灌。

图6 三维立体模型中含水层layer3中的流场

5 结 语

本文基于天津滨海新区海河大桥以南的人工渗流场现场试验以及运用数值模拟软件GMS的模拟计算,对人工渗流场的开采方量、开采时间、渗流特征、水位变化特征进行了研究,得出以下结论：

(1)抽灌水井附近由于抽水与灌水的缘故而产生的漏斗的影响半径相对于整个试验场地而言是很小的,不足以使试验场地中距离抽灌水井较远土体产生变形,土体的变形可能集中在抽水井与灌水井附近,在人工渗流场建设之中应该注重距离抽水井与灌水井较近位置的土体变形。

(2)在10 m3/h的抽灌水量条件下,水井的抽灌水能力随着循环抽灌水次数的增加处于一个比较稳定的状态,能保证人工渗流场的正常运行,故可先在10 m3/h的抽灌水量、多次循环抽灌的条件下探究人工渗流场对地下水源热泵发挥机组效率的影响。

(3)抽水井与灌水井的流量上限均为63 m3/h,时间上限为8 h,在这个范围内可以保证从粉砂层中抽出的地下水完全回灌回粉砂层,使粉砂层中的地下水位达到动态平衡,避免距离抽灌水井较远的粉砂层发生抽灌水引起的土体变形。

[1]孟宪军. 地下水源热泵抽回灌水对地下水温度场影响规律研究[D]. 沈阳： 沈阳建筑大学, 2011．

[2]赵立志, 朱平.天津滨海地区浅层软土沉降浅析[J]. 低温建筑技术, 2011, 33(11)： 73- 74．

[3]卢廷浩. 土力学[M]. 南京： 河海大学出版社, 2005．

[4]ANDERSON M P, WOESSNER W W, HUNT R J. Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport[M]. Washington: Academic Press, 2015．

[5]祝晓彬. 地下水模拟系统(GMS)软件[J]. 水文地质工程地质, 2003, 30(5)： 53- 55．

[6]孙明乾. 天津滨海软土工程特性及工后沉降预测[D]. 吉林： 吉林大学, 2013．

[7]薛禹群, 谢春红. 地下水数值模拟[M]. 北京： 科学出版社, 2011．

(责任编辑 杨 健)

基康仪器股份有限公司

封二

广州秀珀化工涂料有限公司

前插1

北京华科同安监控技术有限公司

前插2、3

北京中水科海利工程技术有限公司

前插4、5

北京中元瑞讯科技有限公司

前插6

南京科明自动化设备有限公司

前插7

中国水电十一局郑州科研设计有限公司

前插8

郑州机械研究所

封三

北京木联能工程科技有限公司

封底

Numerical Simulation of an Artificial Seepage Field of Groundwater

YAO Yiguang1, ZHANG Yun1, SUN Tie2, TANG Ning1, HE Guofeng1
(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;2. China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Co., Ltd., Tianjin 300160, China)

Taking a proposed artificial seepage field in Binhai, Tianjin as study object, a hydrogeological solid conceptual model is set up with GMS7.1 based on the complete analysis and summary to geological and hydrogeological conditions of test area. Then a groundwater numerical model is set up by calling the MODFLOW module of GMS7.1 and is solved. The hydrogeologic parameters of test area are obtained and the groundwater flow field in test area is reproduced and predicted. The calculation results show that the hydrological parameters of artificial seepage field model established by GMS are accurate and consistent with actual situation in the field. At the same time, the reasonable amount and time of water pumping are further determined by using GMS, which provides a theoretical basis for the effective control of soil deformation caused by water pumping．

artificial seepage field; numerical simulation; GMS; soil deformation

2016-10-24

国家自然科学基金面上项目(41572250)；国家科技支撑计划资助项目(2013BAJ09B04)

姚怡光(1991—),男,甘肃张掖人,硕士研究生,主要从事地面沉降的研究．

X143(221)

A

0559- 9342(2017)05- 0025- 05