水文地质基础工作在地下水模型研究中的重要性

孙延宗 吕沛才

1.山东地矿新能源有限公司 山东 济南 250001;2.青岛地质工程勘察院 山东 青岛 266100

从上世纪50年代开始,中国已经采用地下水模型来开展水文地质基础工作,到了80年代,模型技术得到了进一步发展,有效提升了地下水资源勘查质量。进入21世纪以后,随着数字技术的发展,数字模型诞生了,使水文地质勘察工作的精确度得到了进一步提升。可是,数字模型毕竟启用时间较晚,还需待进一步完善。本文将举例简析水文地质基础工作在地下水模型研究中的重要意义,论述当前数字模型的存在问题,并浅谈如何完善数字模型。

一、水文地质基础工作在地下水模型研究中的重要意义

水文地质的基本定义是指地下水资源在自然界中的各种微妙变化和运动现象,水文学是研究地球上的水的科学,包括水的赋存、分布和通过水分循环的流动以及生物的相互作用等,还研究处于各种相态的水的化学性质和物理性质。地下水特指埋藏在地表以下的水,它在地下占据了土壤和土层的空间。大多数地下水来自降水,它逐渐渗入地面。降水量的10%到20%通常进入到含水层(含水的并能释放客观水量的岩层。岩层内有充满水的孔隙,当它们相连时,水就在岩石中流动。封闭含水层是由无明显水量输送或者不透水岩层封闭或者覆盖的,但是真正的封闭含水层很少。非封闭含水层上面没有不透水岩层,通过渗透与大气层相通。含水层也称作载水岩层、载水体或者载水区。)大多数地下水不含致病的有机物,如供民用和工业用,不需要纯化。并且,地下水源不会受短期干旱的影响,在很多没有地表水源的地区都可以得到地下水。水文地质科学主要是研究地下水资源的科学,包括地下水的赋存、分布规律,通过水分循环的流动以及生物的相互作用等,还研究地下水资源的化学性质和物理性质。在上世纪50年代,我国主要是运用普查勘探技术开展的水文地质基础工作,到了80年代,国家开始运用模型技术来开展地下水资源定量评估工作,加强了人们对水文地质科学的定量认知,进一步加快了该学科的发展速度。到了20世纪末和新世纪初,水文地质科学和数字技术的迅速发展促进了数字模型的诞生与广泛应用。与传统的普查勘探技术相比,数字技术体制下的数字模型在理论知识体系和技术方法领域均胜一筹,在计算地下水资源进的过程,可以根据不同水文条件来选择最适宜的数字模型,并研究和分析地下水文条件,了解水资源的具体形态,然后借助数字技术和计算机技术综合分析数据,获取最准确的模型及其参数,以此做出做客观的评价与精确预测。简而言之,水文地质基础工作在地下水模型建立与研究中发挥着重要作用,能够为水文地质勘查提供更为完备的参考,有助于优化水文地质研究手段,促进水文地质勘察工作的发展。

二、当前数字模型的存在问题

中国国土资源幅员辽阔辽,地下水系统组织相当庞大和复杂,开放性与随机性很强。而数字模型启用时间不久,还处于发展阶段,部分模型并不完善,还须待进一步优化加工。需要注意的是,相对复杂的地下水系统而言,当前我国所采用的数字模型尚属于实体缩影,并不能全面反映地下水系统组织和地下水文条件。因此,要准确获取大量的水文地质资料与真实数据方能建立最完善的数字模型。另一方面,需要全面了解地下水系统的所有组成部分和构成要素,准确分析各要素之间的关系、分布规律以及运动变化,并综合研究地下水资源的化学性质和物理性质,这样方能建立最合理、最完善的数字概念模型。可实际上,在当前的地下水文勘探工作过程中,我国所采用的勘探技术还相对落后,往往存在不少人为引入的水文地质基础工作忽视问题,进而导致模型建立错误,误差问题严重,数字概念模型的准确性与真实性不合格。一旦数字模型选择出错,必然会导致地下水资源评估失真和预测结果不准确错误。然而,这并不意味着数字模型在地下水文勘探工作中无法发挥任何重要作用,只能说明研究和建立数字模型的过程中,要对准确分析地下水系统的内在性和外力作用,与此同时,要重视分析水文地质的定性与定量之间的辨证关系。

从理论角度来讲,借助数字模型开展地下水资源分布规律以及运动变化的模拟工作时,往往会很难在短时间内获取一手资料,对此,不少工作人员会任意简化地质条件,如果此时无法拟合地下水位,就会任意调整参数,加剧了误差问题,很容易导致含水层歪曲。举例来讲,假设某个研究区域的间歇性河流为甲河,常年流动河流为乙河,该区域属于冲积扇平原,存在两个含水层,上部含水层有大量的粉细砂,含有夹层卵砾石透镜体,含水层的厚度在5到10m,下部埋深了40m,分布非常广泛,含水层在4到20m,含有大量的砂砾石。图一就是该研究区域的平面示意图。

图一 该研究区域的平面示意图

图中的A至B是取水工程线,I为基岩山区,II是山前的冲积扇平原,VI是甲河(为间歇性河流,季节性有水,河床漫滩主要由砂砾、卵砾组成),IV是乙河(常年流动河流,河床漫滩主要由粉细砂组成)。具水文地质基础工作和数字模型分析,乙河属于古冲洪积层,该区域的东北界限应该是乙河定水端的透水界限。第二次勘探工作经过更细致地勘察和数字模型分析,得出高区域的目的层为甲河古冲积扇的进一步延伸,该区域含水层的含水性作用自西南向东北递减,到了东北界限区,含水层已濒临消失,上部含水层中的粉细砂是乙河切割下部以后冲积而成的。两个含水层之间存在厚度在10到20m的不透水粘性土层。由此可以看出,对于计算的目的层来讲,东北界限区域的性质则属于不透水性边界。两次勘探工作得出的最终结果不尽相同,也发现如果任意拟合参数和水位就会导致数字实体模型扭曲以及地下水流动态模拟失真,进而致使预测数据出错,评价结果失真。而且,如果未全面分析水文条件,就误选数字模型也会严重影响勘探工作质量,这种案例也屡见不鲜。例如在开采某个水岩溶矿床时,必须勘察水文地质条件,工作人员所获取的一手资料不足,数字实体模型建立不精确,初次判断该岩溶含水层是通过获取潜水和天窗补给的大气降水来维持水态,认为岩溶含水层趋于稳定,就选择稳定流模型来预算矿坑的涌水量。在实际野外工作中才发现该区域附近村民为了满足农田水利发展需求,大量抽取地下水资源,该水岩溶矿床及其潜水层已经不均衡,无法满足岩溶含水层的补给需要,因此,在算矿坑的涌水量时不能选择稳定流模型,而是要选择非稳定流模型。这样方能确保工作安全和预算的准确性,也可以看出模型的建立和选择对水文地质勘察工作非常重要。

其次,在使用数值法来解析和建立地下水流数学模型时,必须做好源汇项调查这一带有困难性和复杂性的工作,要注意精心投入相应的时间工作量,准确获取一手资料,并进行综合分析。某研究区原属于工农业和生活用水地区,水量获取很大,地下水资源多年处于过度抽取状态。因为源汇项调查这一工作有很高的难度,很难获取最准确的数据,对此,工作人员在计算过程中为了提升水位的拟合精度,就对源汇项做了部分调整,虽然在一定程度上满足了工作需要,却导致源汇项给值缺乏科学依据,计算结果不准确,该项工作最终分析竟然得出地下水资源的补给量大于开采量,水位呈现缓慢上升的样态,并不符合实际情况。在第二次勘察工作中才发现地下水资源的补给量远远低于开采量,水位一直在持续下降。如果按照第一次的分析结果对地下水资源进行规划,必然会加剧水资源的匮乏,不利于该地区的发展。

国家在上个世纪末针对某泉排型北方岩溶区开展了勘察活动,在该泉排型北方岩溶区的地下水模型研究工作中曾使用黑箱法来构建数字模型,用以预测和统计中期与长期的泉流量,因为所参考的观侧资料不同,也未能分析相关变量的内在联系,所以预测结果并不准确。图二就是该泉排型北方岩溶区的预测变化图。

图二 泉排型北方岩溶区的预测变化图

从图2可以看出虽然表示泉流量的计算曲线t与实侧条流最终接近拟合,基本满足了拟合精度的要求,但是预报结果并不准确,导致表示泉流量过程曲线的基本形态发生了大幅度改变,这也是水文地质基础工作中地下水模型研究的问题之一。

三、如何完善数字模型

(一)提高数字技术,配置人工智能技术

数字模型以数字技术为核心,对此,必须提高数字技术,确保数据分析与运算的精确性,充分发挥模型的作用,弥补其不足。此外,人工智能技术使用范围日益广泛,并取得了良好的效果,在建立和完善数字模型的过程中也需要引入人工智能技术,明确该技术研究目标是了解计算机如何组织才能重新生成人类独特的各种思考,诸如视觉模式识别、数据处理分析、复杂的决议和自然语言的使用等。如果所获取的资料信息内容繁杂,就无法运用人工管理来提升管理效率,因此,要紧密融合人工智能技术,对所获取的数据信息进行分类甄别、整理、归纳与统计,同时,可以组建完善的数据库,构建智能化网络监管体系,从而有效完善数字模型,加强其工作职能。

(二)引入实时动态GPS测量技术

实时动态GPS测量技术已经广泛应用于水文条件测量工作中,具体来讲,在水文条件勘察工作中运用的GPS测量技术就是GPS RTK定位技术,该技术属于一种实时动态下的卫星全球定位技术,其测量系统由若干台移动站和一台基准站组合而成,通常是运用无线数据链来连接各移动站与基准站。移动站在获取改正参数的时候要以基准站的数据为标准,并通过接受数字信号来获取准确的测量数据,然后,基准站会使用无线数据将改正好的参数传输给移动站,这样移动站就能够获取精确的测量成果,以此提升水文条件测量工作质量。目前,GPS RTK技术广泛应用于测量地形、测量物化探、测量矿区控制、布设工程点、测量勘探线剖面、测量地质工程点定位和水深测量工作等。在水文条件勘察活动中使用该技术可以准确地处理复杂的工作流程,而优化数字模型,也需要引入GPS测量技术,运用前方交会法、后方交会法、侧方交会法、视距极坐标法和导标一角法来预测水下地形。

(三)满足地下水系统的模型化与定量化

因为当前大多数数字模型不能满足地下水系统的模型化与定量化,所以要结合这一缺陷,采取相应的优惠措施,综合使用解析法、物理模拟法和数值解法以及土壤学和水文地质科学知识来获取最准确的资料,建立最符合标准的数字模型,从定性与定量的角度来满足地下水系统的模型化与定量化。

结束语

综上所述,发挥水文地质基础工作在地下水模型研究中的重要作用,弥补当前数字模型的缺陷,工作人员必须重视提高数字技术,确保数据分析与运算的精确性,积极引入人工智能技术和实时动态GPS测量技术,尽量满足地下水系统的模型化与定量化。