張 俊,侯光才,趙振宏,尹立河,王 冬

(西安地質礦產研究所,陜西西安 710054)

1963年,Toth[1]基于理想的二維均質各向同性小型泄水盆地模型,利用解析解繪制了理論上的地下水流系統流網結構,發(fā)展了地下水流系統理論,使水文地質的研究視野拓展到了區(qū)域(流域或盆地)尺度,研究對象轉入到了以整個水系統與自然環(huán)境系統和社會經濟系統間相互關系為著眼點的生態(tài)環(huán)境巨系統下的區(qū)域地下水系統[2-5]。

地下水流系統結構的研究是地下水系統研究的重要內容,也是正確評價和合理開發(fā)利用區(qū)域地下水資源的基礎。流網分析是研究水流系統的有力工具,受限于當時的技術條件,Toth基于小型泄水盆地模型的流網分析采用解析法求解,涉及計算較復雜,且數學公式難以描述地下水運動復雜的交換條件和賦存條件,尤其是當含水層介質不是均質各向同性時,解析法計算難度更大,Toth對于復雜地形條件和非均質各向異性含水層對水流系統的影響只做了定性討論。隨后,Freeze等[6]用數值法繪制流網,討論了任意地形和非均質各向異性介質對水流系統的影響,其中,非均質性僅分析了2種不同滲透系數含水層簡單分層的情況,各向異性僅分析了簡單地形條件下的情況,對復雜地形條件下形成的多層分級嵌套結構的水流系統未作詳細分析。

Groundwater modelling system(GMS)軟件作為地下水模擬專業(yè)軟件,采用圖形化界面,建模過程簡單方便,圖形表達功能強大。借助GMS軟件建立剖面二維水流數值模型,自動生成剖面流網,通過自由改變模型的邊界條件和含水層結構或參數觀察流網的變化,可以幫助研究者方便直觀地分析影響水流系統結構的各種因素,深化對水流系統的認識[7-9]。因此,本文采用GMS軟件建立水流系統剖面二維數值模型,通過GMS軟件自動生成的剖面流網圖進行流網分析,并以鄂爾多斯白堊系盆地北部典型剖面水流系統(以下簡稱Ordos水流系統)為例,對比其與Toth水流系統結構上的差異,分析討論邊界條件以及含水層結構對水流系統結構的控制影響。

1 剖面二維水流系統分析

1.1 剖面二維數值模型

在GMS軟件中利用柵格法生成剖面網格,上邊界為定水頭邊界,假設初始水頭和地形高程一致;垂向和底部為隔水邊界。含水層概化為均質各向同性和均質各向異性介質,各向異性由水平滲透系數和垂向滲透系數的比值Kh/Kv表現,將模型概化為剖面二維穩(wěn)定流模型。數值模型采用有限差分模型,采用GMS軟件中的MODFLOW模塊模擬獲得剖面水頭分布,流線由MODPATH模塊通過添加示蹤粒子自動生成。不同模型的邊界條件和含水層參數通過在GMS軟件中設置剖分單元格的屬性來改變。

1.2 水流系統分析

水流系統的結構受邊界條件和含水層結構兩個方面的因素共同影響,其中,邊界條件包括含水層厚度、盆地谷翼平均坡度、地形起伏度等條件;含水層結構主要包括含水層的非均質性、各向異性等條件。下面基于剖面二維數值模型生成的流網分析各個影響因素的控制作用。

1.2.1含水層厚度

含水層厚度主要影響區(qū)域水流系統。如圖1所示,隨著含水層厚度的增加,水流運動的空間增大,通過區(qū)域系統的水流開始出現,并逐漸增多。從圖1(d)可看出,當含水層厚度足夠大,至水勢差影響可以忽略時,水流系統存在極限循環(huán)深度。

圖1 不同含水層厚度水流系統剖面流網

1.2.2盆地谷翼平均坡度

盆地谷翼平均坡度對區(qū)域系統和局域系統均有影響。如圖2所示,隨著谷翼坡度增大,水勢差增大,這導致從補給區(qū)向谷底的橫向流動,即區(qū)域流增強,區(qū)域流動系統的范圍增大,而局域流動系統的范圍有所減小。

圖2 不同盆地谷翼平均坡度水流系統剖面流網

1.2.3地形起伏度

如圖3所示,地形起伏度主要影響局域系統,地形起伏的增大會增大局域系統的水勢差,傾向于使局域流動系統的范圍加大,區(qū)域流動系統沒有明顯變化。

圖3 不同地形起伏度水流系統剖面流網

1.2.4含水層非均質性

如圖4所示,均質各向同性介質中,含水層滲透系數K值大小的整體變化對水流系統結構無影響。水流系統結構主要受地形(邊界條件)的控制,地下水從分水嶺獲得補給向排泄基準面匯流。局域分水嶺和排泄點控制局域水流系統;區(qū)域分水嶺和排泄點控制區(qū)域水流系統。

圖4 均質各向同性介質不同K值水流系統剖面流網

對于非均質的情況,侯光才等[10]在研究鄂爾多斯盆地白堊系水流系統時,采用兩種方法刻畫了典型剖面(剖面基本概況見下文)含水層滲透系數的非均質性(圖5(a)(c))。一種是按照傳統的參數分區(qū)方式,分區(qū)的依據是平面上各含水組巖性并參考巖相做出的滲透系數分區(qū);另一種是根據物探及抽水試驗資料等,運用隨機模擬方法建立了鄂爾多斯白堊系滲透結構。對比兩種情況下的水流系統流網(圖5(b)(d))發(fā)現,采用參數分區(qū)和隨機模擬的流網結構差別不大,補給區(qū)和排泄區(qū)的分布位置基本一致,圖5(b)在局部地段受非均質的影響,出現流線折射的現象,圖5(d)中更為明顯。但從整體來看,滲透系數的非均質性并沒有改變各級循環(huán)系統的發(fā)育范圍和規(guī)模。

1.2.5含水層各向異性

在數值模型中,含水層各向異性以含水層水平滲透系數和垂向滲透系數的比值Kh/Kv表示。如圖6所示,均質各向異性介質中,Kh/Kv增大使垂向流動受抑制,水平流動占據優(yōu)勢,Kh/Kv對各級水流系統的循環(huán)深度具有明顯的控制作用。Kh/Kv主要影響垂向流比例較多的補給區(qū),它使補給區(qū)垂向流快速轉為水平流,通過控制補給區(qū)下滲流的深度來影響整個水流系統的循環(huán)深度。

圖5 不同滲透系數分布及水流系統剖面流網

圖6 各向異性介質中不同Kh/Kv的水流系統剖面流網

2 Ordos水流系統分析

2.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯白堊系自流盆地是我國面積最大、結構最完整、具有典型意義的地下水系統[11]。盆地北部白堊系含水層厚度大,且無區(qū)域性穩(wěn)定隔水層,各層地下水力聯系密切,構成一個具有統一水力聯系的巨厚含水體。盆地北部為沙漠高原,地表入滲條件好,降水入滲均勻,地下水面起伏與地形起伏一致,地勢較高的梁地形成規(guī)模大小不等的地下水分水嶺,地勢低洼帶分布眾多湖(淖),成為地表水和地下水的匯流排泄點[12]。含水體內地下水流可穿層流動,形成了分級嵌套的多層結構流動模式,與托斯基于理論假設和數學推演得出的地下水流動模式相一致,為地下水流系統的研究提供了優(yōu)良的場地,對于地下水流系統實例研究的開展具有重要的價值。

典型剖面西起寧夏平羅縣東,經內蒙古鄂托克旗、烏審旗,東至陜西榆林市西,長約232km,剖面走向與地下水流向相同,橫跨都思兔河和無定河兩個地下水系統。剖面高程1200～1450m,由中部東勝梁分水嶺向盆地兩側降低。

2.2 對比分析

Toth[1]假設的小型泄水盆地含水層為均質各向同性介質,而鄂爾多斯盆地白堊系含水層結構特殊,受其控制,流動系統也有其自身特有的結構特點。根據8個鉆孔地下水分層水頭分布、數值模擬、同位素及水化學示蹤分析,綜合確定了典型剖面不同循環(huán)系統地下水循環(huán)深度。Toth水流系統與Ordos水流系統結構特征對比見表1。

表1 Toth水流系統與Ordos水流系統結構特征

Toth水流系統假設的盆地寬度約為6000m,含水層厚度約為3000m。受盆地寬度和深度的限制,區(qū)域水流系統沿盆地邊界流動,系統水平規(guī)模與垂向深度的比值為2;局域水流系統的水平規(guī)模受局域分水嶺到排泄基準面水平距離的控制,范圍600m,垂向深度受地形起伏度(即局域分水嶺到排泄基準面平均坡度)控制,范圍600～900m,局域系統水平規(guī)模與垂向深度的比值為0.67～1.0,而Ordos各級水流系統的水平發(fā)育規(guī)模,同樣受各級分水嶺和排泄基準面水平距離的控制,但垂向發(fā)育深度明顯偏小,各級系統水平規(guī)模與垂向深度的比值達100～200。

根據前述分析,將含水層概化為均質介質對水流系統的流場結構影響不大,而數值模擬時,據各級水流系統循環(huán)深度反演計算得出的各向異性指標Kh/Kv值達1000～2000。Ordos水流系統典型剖面數值模型模擬了不同Kh/Kv下的水流系統結構,如圖7所示,各向異性比對駐點(圖中SP1,SP2)深度的影響很大,Kh/Kv為 2 000時的深度明顯小于Kh/Kv為700時的深度。Kh/Kv值的增大是造成水流系統垂向發(fā)育深度顯著變小的主要原因。

圖7 典型剖面的流動系統結構示意圖

Ordos水流系統典型剖面長度為240km,用地下水分層水頭反算出的Kh/Kv在1000左右。在鄂爾多斯白堊系盆地各水源地數值模擬研究中,各水源地剖面長度在30km左右,而根據水流循環(huán)深度反算出的Kh/Kv在10～100之間。對比不同尺度的水流模型發(fā)現[13],Kh/Kv大小對模型剖分單元格尺寸有依賴,即隨著模型尺度的增大,模型剖分單元格尺寸相應增大,Kh/Kv也將增大,Kh/Kv具有一定的尺度效應。究其原因,主要與含水層的結構有關。鄂爾多斯盆地北部白堊系含水層主要為河湖相層狀沉積,泥巖透鏡體及弱透水層呈水平層狀發(fā)育。在水平方向,水流優(yōu)先從高滲透區(qū)通過,這些高滲透區(qū)相互連通,形成水流優(yōu)先通過的網絡。在這個網絡中,水流沿最小阻力路徑流動,使模型單元格的水平向等效Kh值比簡單的算術平均值要大,這使Kh隨模型剖分單元格尺寸的增大有增大的趨勢。在垂直方向,水流受到眾多泥巖透鏡體的影響,由于這些泥巖透鏡體均為水平層狀分布,其對垂向水流的阻礙具有疊加效應。因此,隨著模型尺度的增大,模型單元格的垂向等效Kv值比算術平均值要小得多,這使Kv隨剖分單元格尺寸的增大而顯著衰減。因此,隨著模型剖分單元格尺寸的增大,Kh增大而Kv衰減,Kh/Kv顯著增大。

3 結 論

a.流網分析是水流系統研究的有力工具,通過GMS建立剖面二維水流數值模型,操作方便,形象直觀,能很好地用來進行水流系統結構分析。

b.水流系統的結構受邊界條件(含水層厚度、盆地谷翼平均坡度、地形起伏度)和含水層結構(非均質性、各向異性)影響,其水平發(fā)育規(guī)模主要受地形控制,而垂向循環(huán)深度主要受控于含水層水平滲透系數和垂向滲透系數的比值Kh/Kv。

c.Ordos水流系統與Toth水流系統模型類似,具有多層分級嵌套的循環(huán)模式,但前者受白堊系含水層層狀沉積結構的控制,水流系統水平和垂向范圍差異巨大。

d.數值模型中采用的Kh/Kv值與含水層結構有關,并且依賴于模型剖分單元格尺寸的變化,具有一定的尺度效應,即隨著模型尺度的增大,Kh增大而Kv衰減,使大尺度模型中Kh/Kv顯著增大。

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