胡雨柔,康小兵,張 璐,孫 昊,劉 玲,陳舟浩宇

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

巖溶地下水是人類重要的水源,全球約有20%~25%的人口依靠巖溶地下水作為飲用水源[1].由于巖溶含水系統(tǒng)的高度非均質(zhì)性和各向異性,其水動(dòng)力循環(huán)過程非常復(fù)雜,通過分析降雨泉流量響應(yīng)規(guī)律獲得巖溶含水系統(tǒng)的水動(dòng)力循環(huán)特征[2].碳酸鹽巖分布區(qū)的水循環(huán)運(yùn)移與巖溶發(fā)育及其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[3],在巖溶地下水資源開發(fā)利用時(shí)不需要獲得準(zhǔn)確的管道幾何特征,可以運(yùn)用模擬技術(shù),探究巖溶山區(qū)降雨泉流量響應(yīng)特征,為水資源管理和保護(hù)、流域生態(tài)環(huán)境綜合治理、安全供水提供重要保證[4].

本文對(duì)山西某巖溶泉水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化,通過改變降雨強(qiáng)度、觀測(cè)泉流量的變化研究?jī)烧叩淖兓P(guān)系,利用所得數(shù)據(jù)在MODFLOW軟件中進(jìn)行模擬驗(yàn)證,獲取兩者的相關(guān)性.

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

該泉所在巖溶地下水補(bǔ)給系統(tǒng)來源主要有3部分,一是在汾河以北接受降水補(bǔ)給,賦存于灰?guī)r中,流向東南,越過汾河,由潛水轉(zhuǎn)變?yōu)槌袎核?二是由汾河滲漏補(bǔ)給;三是泉域附近的含水層直接接受大氣降水的入滲補(bǔ)給.該泉域的天然集中排泄點(diǎn)所處的晉祠-冶峪斷裂帶呈NNE向,由3條斷層組成,自西向東形成階梯狀斷階.斷裂西側(cè)出露有奧陶系(O)石灰?guī)r,僅在山包頂部有石炭 (C)~二疊系(P)蓋層,這表明奧陶系巖溶含水層在晉祠一帶埋藏較淺;斷裂東側(cè)為第四系 (Q)松散層,巖溶地下水向東遇到粘土巖類阻擋而沿?cái)嗔焉仙绯龅乇硇纬扇?為典型的山前斷裂溢流泉[5].巖溶泉形成模式示意見圖1.

2 物理模擬

2.1 模型建立

通過分析該巖溶泉水文資料,研究降雨對(duì)承壓水的補(bǔ)給,觀察泉流量的變化,得出降雨量與泉流量的相關(guān)曲線,討論其響應(yīng)關(guān)系.

圖1 山西某巖溶泉形成模式示意

試驗(yàn)所假設(shè)的水文地質(zhì)模型為一傾斜的均質(zhì)石英砂承壓含水層,均質(zhì)等厚且各向同性,承壓水地質(zhì)模型見圖2.降雨裝置模擬區(qū)域的大氣降水,通過調(diào)整穩(wěn)水箱的高度模擬泉域內(nèi)汾河水位,用承壓水演示儀中的斷層上升泉模擬集中排泄點(diǎn).按照建立好的模型,安裝承壓水演示儀.

圖2 承壓水地質(zhì)模型

2.2 試驗(yàn)過程、現(xiàn)象及結(jié)果分析

通過控制降雨裝置水流的大小改變降雨強(qiáng)度,在規(guī)定的基準(zhǔn)面下,調(diào)整好穩(wěn)水箱高度以使蓄水槽保持一定水位.第1組實(shí)驗(yàn)完成后,待蓄水槽水位降至基準(zhǔn)面再進(jìn)行第2組實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1.

表1 降雨量與泉流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文以最后1次降雨過程為例進(jìn)行研究.從降雨開始到停止補(bǔ)給,記錄泉流量的變化值,得出泉流量隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線,見圖3.從圖3可以看出,泉流量受降雨強(qiáng)度控制呈現(xiàn)先增大、后逐步衰減的變化過程.

圖3 泉流量隨時(shí)間的變化

經(jīng)過多次試驗(yàn)得到泉流量對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系曲線,見圖4.從圖4可以可知,在巖溶水文地質(zhì)條件概化基礎(chǔ)上,僅考慮本區(qū)大氣降雨補(bǔ)給因素時(shí),泉流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大,兩者呈正線性相關(guān)關(guān)系 (y=12.579x+3.1089),且相關(guān)性較好,R2=0.988 2.

圖4 泉流量對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)

3 數(shù)值模型

3.1 模型建立

用MODFLOW建立數(shù)值模型時(shí)遵循相似原則,各項(xiàng)參數(shù)與物理模型保持1∶1比例賦值.模型空間剖分為3層、8行20列,并將補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分.三維立體模型見圖5.補(bǔ)給區(qū)位于模型最上端,與物理實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)給水箱對(duì)應(yīng),用MODFLOW中的排水溝模塊模擬巖溶泉,排水溝設(shè)置于模型尾端,標(biāo)高為0.3 m,防滲墻模擬物理實(shí)驗(yàn)中的斷層,使承壓水作為斷層上升泉溢出.

圖5 三維立體模型

3.2 模擬結(jié)果分析

模型參數(shù)輸入包括滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)等,模型中的滲透系數(shù)K根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)測(cè)得,每層賦值為0.000 8 m/s,導(dǎo)水系數(shù)C賦值為0.662 4 m2/h,模型的補(bǔ)給為降雨補(bǔ)給.在補(bǔ)給區(qū)按歷時(shí)分為5段輸入不同的降雨強(qiáng)度值 (見表2).模型運(yùn)行后輸出排水溝的值,即為泉流量.根據(jù)水均衡計(jì)算可得出泉域內(nèi)地下水流入流出量以及不同時(shí)間步長(zhǎng)的變化情況 (見圖6).由圖6可知,在不同時(shí)刻,由于補(bǔ)給量的不同,泉流量也隨之發(fā)生變化,兩者呈線性相關(guān).

表2 不同歷時(shí)的降雨強(qiáng)度

4 結(jié) 論

圖6 泉流量與降雨量的關(guān)系

本文將物理模擬與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,研究了巖溶山區(qū)泉流量對(duì)降雨的響應(yīng)關(guān)系.在物理模擬中通過對(duì)不同降雨量條件下泉流量的數(shù)據(jù)擬合,直觀地體現(xiàn)了在含水層為均質(zhì)各向同性的條件下兩者的線性關(guān)系.結(jié)合MODLOW軟件,模擬泉流量與降雨強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化,得出與物理模擬相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)關(guān)系圖,也反映了兩者之間為線性關(guān)系,且存在一定的時(shí)間滯后.由于受試驗(yàn)條件的限制,不能準(zhǔn)確地模擬研究區(qū)域的地質(zhì)條件,僅能反映出研究區(qū)的泉流量與降雨之間的總體規(guī)律,而不能準(zhǔn)確求出兩者間的響應(yīng)關(guān)系.

[1] 楊平恒,袁道先,袁文昊,等.以PCA揭示降雨期間巖溶地下水文地球化學(xué)的形成[J].科學(xué)通報(bào),2010,55(9):788-797.

[2] 劉麗紅,束龍倉(cāng),魯程鵬.基于管道流模型的巖溶含水系統(tǒng)降雨泉流量響應(yīng)規(guī)律-以貴州后寨典型小流域?yàn)槔齕J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2010,40(5):1083-1089.

[3] 唐健生,夏日元,鄒勝章,等.新疆南天山巖溶系統(tǒng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其水文地質(zhì)效應(yīng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2005,35(4):481-486.

[4] 梁厚學(xué),梁顏紅.利用巖溶泉作供水水源分析[J].人民長(zhǎng)江,2007,5(5):99-100.

[5] 黃皓莉.晉祠泉斷流與地下水資源保護(hù)關(guān)系[J].中國(guó)煤田地質(zhì),2003,4(2):26-28.