基于GMS的玉符河人工补源影响研究

齐欢，秦品瑞，赵振华，丁冠涛

(山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

基于GMS的玉符河人工补源影响研究

齐欢，秦品瑞，赵振华，丁冠涛

(山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

为探究济南市玉符河人工补源对趵突泉泉域的影响，在系统分析泉域水文地质条件的基础上，采用地下水数值模拟软件GMS10.0建立了2012—2014年覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型，通过模型对玉符河补源实施后地下水的径流方向、影响面积以及对泉水位和西郊水源地水位的提升作用进行评估。结果表明：玉符河补源在实际渗漏量为10.52×104m3/d的情况下，玉符河补源水首先沿着炒米店地堑由南向北流，然后再向东、西方向径流。补源后第177d，补源影响范围基本抵达四大泉群，玉符河补源的最大影响范围为485.79km2。玉符河补源对趵突泉、黑虎泉的最大影响水位为0.06m和0.04m；对济南西郊水源地的水位起到明显的提升作用，最大值达到0.57m。西郊水位的抬升可以缓解地下水开采对趵突泉水位的影响，减小保泉的压力，也为将来济南百姓重新喝上优质地下水奠定了基础。

人工补源;GMS;玉符河;济南市

0 引言

济南是山东省省会，是全省政治、经济、文化中心，素以“泉城”闻名于世，“家家泉水，户户垂杨”的自然景观享誉中外。20世纪50年代末和60年初，泉水常年川流不息。但是，随着济南城市的发展，社会经济的繁荣，人民生活水平的日益提高，需水量也不断增大[1，2]。自1972年以来，济南泉水经历了多次断流，尤其1999年3月停喷以来，济南泉群创下停喷长达926天的纪录，引起了各级领导和社会各界的极大关注，后经社会各界的不懈努力才得以喷涌[3-5]。目前，用人工补源补充地下水，可以快速、有效地阻止地下水水位的持续下降，同时防止各种次生灾害的发生。人工补源研究开始于20世纪50年代，并得到普遍的应用，取得了良好的经济效益[1，2]。济南市先后于2001年8月、2002年3月在玉符河上游渴马至催马地段进行了2次补源试验，2次实验分别在枯水期、丰水期进行，通过互相验证对比，证明玉符河补源对泉水起到积极的作用[6-10]。

历史上有很多学者对玉符河的补源效果进行研究。2003年，吴兴波[8]通过对玉符河2次补源试验进行分析，确定了河道渗水能力和渗漏水区，提出了补源效果好，关闭开采西郊自来水厂的观点。2005年，马承新[11]建立数值模型对山东省地下水人工回灌补源模型进行研究，总结出了适宜不同水源条件和不同类型区的回灌补源模型。2005年，章亦兵[1]建立了玉符河补源期间地下水流数值模型，并对不同水文年、不同开采量条件下泉水水位的变化进行预测。

已有的研究成果对玉符河补源径流方式、补源效果进行了论证，但存在一定的不足。如补源对泉水位的影响是基于补源前、后水位长观孔的日变幅对比得出，易受到降雨、开采等影响；同时对玉符河补源影响范围、补源对西郊水源地水位的影响也缺乏定量的研究。该文在系统分析趵突泉泉域水文地质条件的基础上，采用地下水数值模拟软件GMS10.0建立了2012—2014年覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型，并通过模型对玉符河补源影响范围、对泉水位的影响以及对西郊水源地的水位影响进行评估[12-14]。

1 泉域数值模型的建立

1.1 水文地质概念模型

1.1.1 模型范围

地下水流场模拟范围的确定，应该以研究区水文地质条件为依据，同时还应充分考虑地下水系统的完整性和独立性。玉符河流域位于趵突泉泉域内，考虑到趵突泉泉域地下水系统的形成和发育，均处在一个比较完整的地下水系统内，在较长时期内，有相对固定的补给项和排泄项，因此，该次工作对趵突泉泉域进行整体建模。

该次模型的范围为：东至东坞断裂;西至马山断裂;西北侧以黄河及东阿断裂为界，北侧以奥陶纪灰岩顶板埋深600m一线为界；南至泰山岩群变质岩，面积1315km2，模拟深度-578m～763m(图1)。

1—断裂;2—泉图1 模拟范围图

1.1.2 含水层结构特征

研究区含水系统主要包括第四纪孔隙含水层和裂隙岩溶含水层。在该次模型中，将研究区分为3层，概化为非均质的各向异性的承压三维非稳定流。

第一层为潜水含水层，该目的层主要为第四纪全新统及上更新统地层，含水层岩性为中粗砂、砂砾石层，含水层总厚10～40m，概化为二维流。

第二层为越流层，为潜水含水层底板以下的粘土层，石炭、二叠系等弱透水层，只考虑垂向一维流。

第三层为承压水含水层，该目的层是寒武纪和奥陶纪地层，根据钻孔资料，灰岩埋藏深度，确定模型研究深度为600m左右。

根据收集整理的模拟范围内的水文地质剖面，综合考虑第四纪孔隙含水层和裂隙岩溶含水层之间的水力联系，结合研究区冲洪积扇的范围、厚度，区域水文地质图得出潜水含水层、越流层分布图(图2)。

1—断裂;2—泉;3—潜水层、越流层图2 潜水层、越流层分布图

模型边界概化：泉域东部总体为隔水边界,仅在徐家庄至济南铁厂一带具弱透水性;南部为隔水边界;西部总体为隔水边界,仅在老屯至前隆段具弱透水性;北部总体为隔水边界,局部具弱透水性[15-16]。

模型内部：千佛山断裂从南到北贯穿整个模拟区,南郊宾馆以南为隔水边界,以北为透水边界。炒米店断裂位于泉域中西部,为一组NNE向展布的断裂，构成地堑，断裂南起五峰山千佛洞西的石窝村，过炒米店后隐伏于地下。与玉符河在平面上呈相交的关系，该断裂主要分为3条分支断裂[1]。受炒米店断裂的影响，玉符河下伏基岩岩溶裂隙发育，沟通了张夏组灰岩含水层与奥陶纪灰岩含水层，加强了二者之间的水力联系，炒米店地堑在南北方向导水性能强,对岩溶水径流起到了重要的作用。

1.2 泉域地下水流数值模型

1.2.1 地下水流数学模型

研究区地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑相邻含水层之间存在水量交换，地下水系统的垂向运动由层间水头差异引起，地下水运动可概化为空间三维流；地下水系统的输入输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性；参数在平面上有明显的方向性，垂向上与水平方向有较大的差异，表现出明显的各向异性。该地下水流系统，可用以下微分方程的定解来描述：

式中：Kx,Ky和Kz为x,y,z方向渗透系数(LT-1)；h为水位标高(L)；W为含水层的源汇项(T-1)；S为含水介质的贮水率(L-1)；h0为初始水位(L)；Γ2为二类边界；Kn为边界面法向方向的渗透系数(LT-1)；n为Γ2边界的外法线方向；q(x,y,z,t)为二类边界上已知流量函数(LT-1)，流入为正，流出为负，隔水边界为0；Ω为渗流区域。

将研究区平面上剖分为470行，500列，各层采用100m×100m网格剖分，垂向上剖分为3层，每层得到235000个单元格。选择2012年10月1日至2013年9月30日为模型的识别期;2013年10月1日至2014年9月30日为模型的验证期。根据实际野外监测情况，以5天为一个应力期，每个应力期包含若干时间步长，时间步长根据模拟计算量设定，严格控制每次迭代的误差。

1.2.2 源汇项的处理

大气降水是地下水的重要补给项，据统计2012年10月—2013年9月泉域内平均降雨量为731mm，2013年10月—2014年9月平均降雨量为497mm。结合该区地质、水文地质条件，晚寒武世崮山、炒米店组及早寒武世灰岩入渗系数为0.01，裸露的中晚寒武世张夏组灰岩入渗系数0.33，奥陶纪灰岩入渗系数0.45，孔隙水和岩溶水有水力联系的山前隐伏区入渗系数0.39[6，17]。

根据玉符河沿线的地质、水文地质条件可知：寨而头以南段，玉符河直接入渗补给张夏组灰岩；催马至宅科段，玉符河通过第四系入渗补给张夏组灰岩；催马至潘村段，玉符河通过第四系入渗补给奥陶纪灰岩；潘村以北段，粘土层较厚，玉符河主要入渗补给第四系。根据大坝、寨而头、催马武警桥、罗而铁路桥、104国道的分段实际测流资料，2012年10月—2013年9月玉符河的渗漏量平均为8.25×104m3/d，2013年10月—2014年9月玉符河的渗漏量平均为12.78×104m3/d，104国道以上河道基本全部渗漏。

水源地主要为西郊的古城水源地、冷庄水源地、桥子李水源地、腊山水源地、大杨庄水源地、峨眉山水源地以及长清区、芦庄村水源地等(图3)。西郊水源地由于保泉供水的需求，开采规模较小，根据统计资料，水源地开采量约10×104m3/d。

1—断裂;2—泉;3—长观孔；4—水源地图3 典型水位观测孔及水源地位置图

泉域内工业自备井约128个，根据统计资料开采量为7.39×104m3/d；农业开采主要分布于第四系覆盖区，经调查分析，泉域内农业开采第四系孔隙水为6.77×104m3/d；农村生活用水分布于各个自然村，经统计约0.99×104m3/d；据统计2012年10月—2013年9月，四大泉群排泄地下水19.05×104m3/d，2013年10月—2014年9月，四大泉群排泄地下水17.07×104m3/d。

1.3 模型的识别验证

1.3.1 水位线的拟合

以2012年10月1日流场作为模型的初始流场，模拟期间源汇项根据实际搜集的资料，按照GMS要求的格式进行输入，经过参数的调整，得到趵突泉、黑虎泉以及济南西郊的几个典型承压水观测井的位置及水位过程拟合线，如图3和图4所示。

图4 典型水位观测孔拟合图

从图3可以看出，该模型可以较好地反映趵突泉泉域的泉水以及西郊的地下水流场变化趋势，模型与实际情况具有良好的吻合性，符合研究区水文地质条件，所建模型合理，可行。

1.3.2 地下水均衡分析

玉符河补源主要补给岩溶水，识别期、验证期岩溶含水层水量均衡见表1。从表1可以看出,在识别期, 趵突泉泉域补给量为68.14×104m3/d, 排泄量为55.48×104m3/d，均衡差为12.66×104m3/d，补给大于排泄，为正均衡;在验证期,补给量为55.80×104m3/d, 排泄量为52.90×104m3/d，均衡差为2.90×104m3/d，补给大于排泄，为正均衡。河道水库渗流量(包含玉符河补源量)对于泉域地下水均衡起到积极的支撑作用。

表1 识别期、验证期岩溶含水层水量均衡

2 补源实施效果评估

2.1 玉符河补源影响范围

模拟期内，2013年1月5日玉符河开始补源，虽然玉符河并未从模拟初期开始补源，整个模拟期内各个月的补源量不同，月内分布不均，但并不影响对补源水径流方向以及补源影响范围的确定。综合考虑野外实际水位测量的精度以及模型的运行时间，将GMS的水位收敛标准定为0.01m，在此选取4个典型的时间节点来论述玉符河补源的影响范围(图5)。

(a)2013年1月21日补源影响范围；(b)2013年2月26日补源影响范围；(c)2013年7月1日补源影响范围；(d)2014年9月30日补源影响范围；1—断裂;2—泉;3—影响范围图5 玉符河补源影响范围

从图5(a)(b)可以看出，玉符河补源开始后，补源水沿着玉符河向四周扩散，整体是通过炒米店断裂由南向北径流，再分别向东、西方向扩散。其中2013年1月21日补源影响范围为26.58km2，2013年2月26日补源影响范围为149.43km2；从图5(c)可以看出，补源后第177天，补源影响范围基本抵达四大泉群，此时玉符河补源影响范围为377.13km2；从图6(d)可以看出，随着补源的继续进行，补源影响范围继续增大，但增速变缓，模拟期内，玉符河补源的最大影响范围为485.79km2。

2.2 玉符河补源对泉水位影响

利用所建的地下水流数值模型，采用反演的方式，模拟出玉符河补源对泉水位的影响(图6)。

图6 玉符河补源对泉水位的影响

由图6可以看出：2013年1月5日玉符河开始补源，随着补源水的不断入渗，补源对趵突泉和黑虎泉的水位提升作用不断增大，泉水位的上升趋势与各个月的补源量基本呈正比，但略有延迟。考虑到玉符河与四大泉群的距离，补源开始后第177天，对趵突泉的水位提升达到0.01m。模拟期间，玉符河补源对趵突泉水位的最大影响值为0.06m，对黑虎泉水位的最大影响值为0.04m。

2.3 玉符河补源对西郊水源地水位影响

利用所建的地下水流数值模型，采用反演的方式，模拟出玉符河补源对西郊水源地水位影响(图7)。

图7 玉符河补源对水源地水位的影响

从图5，图7可以看出，玉符河补源水流首先沿着炒米店地堑由南向北流,然后再分别向东、西两侧径流，因此在炒米店地堑沿线及其北侧的古城、峨眉山、大杨庄的水位上升值大于两侧的桥子李、冷庄的水位上升值。玉符河补源对济南西郊的水位起到明显的提升作用，对西郊6个水源地的水位平均提升0.52m，最大为峨眉山和大杨庄，水位提升值达到0.57m。

3 结论

(1) 在对趵突泉泉域地质、水文地质条件综合分析的基础上，采用地下水流数值模拟软件GMS10.0建立覆盖趵突泉泉域的地下水流数值模型。通过模型的识别验证，使所建模型可以较好地反映研究区地下水的实际情况。

(2) 玉符河补源开始后，补源水沿着玉符河下渗并向四周扩散。由于济南地势南高北低，而且炒米店地堑在南北方向导水性能强，入渗的地下水首先沿着炒米店断裂由南向北流，然后再分别向东、西方向径流。补源后第177天，补源影响范围到达四大泉群；随着补源的继续进行，补源影响范围继续增大，但幅度变缓。玉符河补源在实际渗漏量为10.52×104m3/d的情况下，补源对趵突泉的最大影响水位为0.06m，对黑虎泉的最大影响水位为0.04m，玉符河补源工程对趵突泉、黑虎泉的水位起到积极的支撑作用。玉符河补源对济南西郊6个水源地的水位平均提升0.52m，补源效果明显。

(3) 济南市西郊水源地由于保泉形势的需求，开采规模较小。随着济南市海绵城市的建设以及地表水转换地下水工程的实施，补源水将使济南西郊水位不断抬升。西郊这个“大水库”赋水性较强，西郊水位的抬升可以缓解水源地开采对趵突泉水位的影响，减小保泉的压力，也为将来济南市老百姓重新喝上优质地下水奠定了基础。

[1] 章亦兵.济南市人工回灌补源保护泉水的研究[D].南京：河海大学,2005：1-80.

[2] 吴兴波.济南人工回灌补源保泉试验研究[D].武汉：武汉大学,2004：1-30.

[3] 孙斌，彭玉明，李常锁，等.济南岩溶水系统划分及典型泉域水力联系[J].山东国土资源,2016,32(10):31-34.

[4] 孙斌，魏月，赵振华，等.济南泉域岩溶地下水动态开采模型研究[J].山东国土资源,2013,29(9):65-68.

[5] 孟庆斌，邢立亭，滕朝霞.济南泉域“三水”转化与泉水恢复关系研究[J].山东大学学报(工学版),2008,(5):82-87.

[6] 张杰，茅樵，宋玉琴.济南市玉符河回灌补源保泉研究[J].水利水电科技进展,2002,22(3):19-20.

[7] 王庆兵，段秀铭，高赞东，等.济南岩溶泉域地下水流模拟[J].水文地质工程地质,2009,36(5):53-60.

[8] 吴兴波，牛景涛，牛景霞.玉符河大型人工回灌补给地下水保泉试验研究[J].水电能源科学,2003,(4):53-55.

[9] 徐军祥，邢立亭.济南泉域岩溶水数值预报与供水保泉对策[J].地质调查与研究,2008,(3):209-213.

[10] 邢立亭.济南泉域岩溶地下水开发布局研究[J].人民黄河,2007,(2):46-47.

[11] 马承新.山东省地下水人工回灌补源模式研究[D].武汉：武汉大学,2005：1-90.

[12] 刚什婷，邓英尔.基于GMS在地下水资源评价与管理中的应用综述[J].地下水,2015,(2):33-36.

[13] 曹先仙，赵峰科.基于GMS的水文地质参数优化[J].勘察科学技术,2015,(5):26-29.

[14] 郭晓东，田辉，张梅桂，等.我国地下水数值模拟软件应用进展[J].地下水,2010,(4):5-7.

[15] 侯新文，邢立亭，孙蓓蓓，等.济南市岩溶水系统分级及市区与东西郊的水力联系[J].济南大学学报(自然科学版),2014,(4):300-305.

[16] 李常锁，秦品瑞.济南市水资源概况及开发利用初探[J].山东国土资源,2010,26(10):21-25.

[17] 祁晓凡，李文鹏，李传生，等.济南岩溶泉域地下水位与降水的趋势性与持续性[J].灌溉排水学报,2015,(11):98-104.

StudyonImpactofArtificialRechargeofYufuRiverBasedonGMS

QI Huan， QIN Pinrui，ZHAO Zhenhua， DING Guantao

(Shandong Geo-engineering Exploration Institute，Shandong Jinan 250014，China)

In order to explore the effect of artificial recharge of Yufu River on the Baotu Spring domain, the groundwater numerical simulation software GMS10.0 was used to analyze the hydrogeological conditions of the spring domain. Groundwater flow numerical model of the Baotu Spring domain was established in 2012 and 2014 to elevate the runoff direction, the influence area of the groundwater, the enhancement of the water level in the spring water level and the western part of the water source after the artificial recharge of Yufu River. It is showed that the recharge water of Yufu River is firstly supplied from south to north along the Chaomidian graben, and then to the east and west. 177 days after the source is compensated, the maximum influence range of the group is 613km2. The maximum impact on water level of Yufu River for Baotu Spring and Heihu Spring is 0.06m and 0.04m, and the water level of western suburbs water source is obviously improved, the maximum value is 0.57m. The water level of the western suburbs can alleviate the impact of groundwater exploitation on the water level of Baotu Spring, reduce the pressure of protection of springs in Jinan, and also lay the foundation for the people of Jinan to re-drink high quality groundwater in the future.

Artificial recharge; GMS; Yufu River; Jinan city

TV213.4

B

2017-03-13；

2017-04-12；编辑陶卫卫

山东地矿重大科技攻关项目(2012-045)

齐欢(1986—)，男，助理工程师,河北邢台人，主要从事水文地质与环境地质勘察工作；E-mail：943314446@qq.com

齐欢，秦品瑞，赵振华，等.基于GMS的玉符河人工补源影响研究[J].山东国土资源，2017,33(11)：55-61.

QI Huan, QIN Pinrui, ZHAO Zhenhua, etc.Study on Impact of Artificial Recharge of Yufu River Based on GMS[J].Shandong Land and Resources, 2017,33(11)：55-61.