許彥平，熊志濤，趙德君，柯鵬振，楊 登，張 藝

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034;2.湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖北 武漢 430070;3.恩施市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，湖北恩施 445000;4.湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治中心，湖北 武漢 430034)

0 引言

武漢市位于江漢平原東部，區(qū)內(nèi)地勢(shì)大致南東高、北西低，以丘陵和平原相間的波狀起伏地形為主。市區(qū)有兩列東西走向、南北平行的基巖殘丘。長(zhǎng)江、漢江將區(qū)內(nèi)切割成武昌、漢口、漢陽(yáng)三大地段。前人在對(duì)該區(qū)進(jìn)行地下水資源計(jì)算過程中，曾采用水動(dòng)力學(xué)及均衡法、“R－C”電網(wǎng)絡(luò)模擬法、有限單元法等多種方法，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，達(dá)到了一定的精度。但是，前期計(jì)算過程中，對(duì)模型的概化、邊界的選取、網(wǎng)格的剖分、參數(shù)的選取等方面，限于當(dāng)時(shí)的條件，存在一定的局限性。

三維水文地質(zhì)建模技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科交叉技術(shù)，需要地質(zhì)、水文地質(zhì)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理等多學(xué)科的支撐［1］。目前的三維水文地質(zhì)建模技術(shù)還存在著較多不足，主要表現(xiàn)在:數(shù)據(jù)需求量大及數(shù)據(jù)類型的多樣性;模型的構(gòu)建方法復(fù)雜多樣;數(shù)學(xué)模型復(fù)雜;模型不確定因素較多等［2］。本文結(jié)合武漢市水文地質(zhì)特點(diǎn)開展對(duì)三維水文地質(zhì)建模主要控制性要點(diǎn)進(jìn)行研究，以期更為精確、全面地反映武漢市地下水動(dòng)態(tài)特征。

1 武漢市水文地質(zhì)條件概況

武漢市地下水類型按含水巖類性質(zhì)分為松散巖類孔隙水和基巖水兩大類，松散巖類孔隙水分布較廣，水量較為豐富;基巖中局部分布的碳酸鹽巖條帶分布區(qū)富水性較強(qiáng)—中等，其他含水巖類的富水性差。

第四系孔隙潛水含水巖組:主要分布于長(zhǎng)江、漢江一級(jí)階地或河漫灘、心灘以及山區(qū)或崗狀平原的河谷、沖溝內(nèi)。含水巖組由第四系全新統(tǒng)亞砂土、粉細(xì)砂及砂礫石組成。分布范圍較小，水質(zhì)受地表水影響較大，集中供水意義不大。

第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組:分布于江河一、二級(jí)階地。含水巖組由第四系全新統(tǒng)沖積、沖洪積砂、砂礫(卵)石組成，巖性自下而上為砂(卵)石—中粗砂—粉細(xì)砂之韻律層。全新統(tǒng)含水層厚度變化較大，階地中前緣厚度較大，向后緣逐漸變薄。

第四系上更新統(tǒng)孔隙承壓含水巖組:主要分布在二級(jí)階地上，含水巖組主要由含泥質(zhì)的砂、砂礫(卵)石組成。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水:賦存于石炭—三疊系碳酸鹽巖條帶的溶蝕裂隙和溶洞中。含水巖組的巖性主要為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、燧石結(jié)核灰?guī)r等。

碎屑巖類裂隙水:賦存于白堊—下第三系及志留—二疊系上統(tǒng)泥巖、頁(yè)巖、砂巖、硅質(zhì)巖等裂隙中。含水巖組一般隱伏于第四系松散巖類之下，一級(jí)階地埋藏于第四系全新統(tǒng)孔隙承壓含水層之下，二級(jí)階地埋藏于上更新統(tǒng)粘土層之下，崗狀平原區(qū)埋藏于中更新統(tǒng)粘土層之下。

白堊—下第三系砂巖、泥巖含水巖組分布于東西湖、武昌徐家棚、漢陽(yáng)十里鋪等地段;志留系—二疊系上統(tǒng)泥巖、頁(yè)巖、硅質(zhì)巖含水巖組分布于武昌、漢陽(yáng)的剝蝕丘陵區(qū)。該類型地下水富水程度取決于巖層張開裂隙的發(fā)育程度，水量一般較貧乏，不具集中供水意義。

2 武漢市三維水文地質(zhì)建模的要點(diǎn)

2.1 合理劃分地下水含水層

根據(jù)武漢市地層分布規(guī)律、巖土體水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)特征、補(bǔ)徑排條件的分析，可將地層劃分為4個(gè)主要含水層:第四系全新統(tǒng)潛水含水層、第四系全新統(tǒng)承壓水含水層、第四系上更新統(tǒng)承壓水含水層、碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層。

武漢市第四系孔隙水含水層主要分布于長(zhǎng)江及漢江沿岸河流沖洪積平原區(qū)，受江水分割及崗地區(qū)中更新統(tǒng)紅色粘土形成相對(duì)隔水邊界，前人將其劃分為多個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元(圖1);但是由于各水文單元之間通過江水、湖水和下部巖溶水等越流補(bǔ)給，水力聯(lián)系較為緊密，如人為劃分為多個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，無(wú)疑將割裂其間聯(lián)系，造成地下水總量的重復(fù)計(jì)算和參數(shù)取值困難。同時(shí)，碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層呈近東西向條帶狀展布(圖2)，其巖溶發(fā)育程度明顯與上部第四系含水層的分布及富水性呈現(xiàn)正相關(guān)，故應(yīng)將武漢市原有水文地質(zhì)單元作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。

圖1 第四系孔隙水含水層分布圖Fig.1 Distribution map of pore confined aquifer in the Quaternary

同時(shí)，第四系上更新統(tǒng)承壓水分布范圍相對(duì)較小，且與第四系全新統(tǒng)承壓水之間無(wú)明顯的隔水層，二者可概化為統(tǒng)一的承壓含水層;碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要分布于武漢市近東西向巖溶條帶區(qū)，其巖溶發(fā)育規(guī)律主要根據(jù)前人研究成果分析總結(jié)，以等效滲透系數(shù)的方式，基本符合達(dá)西定律，概化為孔隙水處理。

2.2 選取合理的邊界條件

邊界的選取關(guān)系到模型的成敗，選取合理的模型邊界，可以準(zhǔn)確反映武漢市地下水的總體分布;反之，則會(huì)造成地下水被認(rèn)為分隔，最后模擬結(jié)果可信性差。本次模型主要選取武漢市周邊的定水頭(第一類邊界)或者定流量(第二類邊界)區(qū)作為邊界［3］，最大程度保持含水層的完整性。

圖2 碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水層分布圖Fig.2 Distribution map of karstwater of fractured rock of aquifer

東側(cè)以九峰山—鳳凰山一線低丘崗地為界，崗地地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土，低丘出露地層主要為泥盆系上統(tǒng)云臺(tái)觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁(yè)巖，可視為定流量邊界;王家店—龍口段地表出露地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖積層粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、砂礫石層，為地下水流出邊界。

南側(cè)以紙坊—石咀低丘崗地區(qū)和長(zhǎng)河為界，紙坊—石咀低丘崗地區(qū)地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土、泥盆系上統(tǒng)云臺(tái)觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁(yè)巖，低丘走向近東西向，可視為定流量邊界;長(zhǎng)河入江段基本切穿第四系承壓含水層，按定水頭邊界處理，其動(dòng)水頭根據(jù)長(zhǎng)河水位監(jiān)測(cè)資料確定。

西側(cè)基本以東西湖新溝農(nóng)場(chǎng)—東山農(nóng)場(chǎng)及蔡甸—新農(nóng)低丘崗地區(qū)為邊界，為定流量邊界;蔡甸低丘崗地區(qū)地表出露地層巖性主要為第四系中更新統(tǒng)粘土、泥盆系上統(tǒng)云臺(tái)觀組石英砂巖及志留系中統(tǒng)墳頭組泥質(zhì)粉砂巖及頁(yè)巖，可視為定流量邊界。

北側(cè)以府河及長(zhǎng)江為界，根據(jù)府河水位、長(zhǎng)江動(dòng)水位、水力坡度及切穿含水層滲透系數(shù)確定。

2.3 地表水與地下水之間的關(guān)系

如何分析確定地表水與地下水之間的補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系，對(duì)于查明地下水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給量具有重要意義。研究區(qū)內(nèi)河流湖泊眾多，大型河流主要有長(zhǎng)江、漢江、府河、長(zhǎng)河等，主要湖泊有:東湖、嚴(yán)西湖、青菱湖、南太子湖、墨水湖、珠山湖、后官湖、什湖、金銀湖、黃家湖、湯遜湖、南湖、沙湖。

長(zhǎng)河、府河作為模型邊界處理，取為定水頭邊界;長(zhǎng)江、漢江則需分段定義，其中長(zhǎng)江北東段、漢江西段為模型邊界，取為定水頭邊界;長(zhǎng)江南段、漢江東部定義為內(nèi)部河流，需輸入河流動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算地表水對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給。長(zhǎng)江、漢江主要在每年豐水期間對(duì)第四系孔隙水含水層地下水存在滲漏補(bǔ)給，可根據(jù)每年長(zhǎng)江、漢江水位變化與該層監(jiān)測(cè)井地下水動(dòng)態(tài)水位相對(duì)比，江水位高于觀測(cè)水位的時(shí)間即為實(shí)際滲漏補(bǔ)給時(shí)間;根據(jù)江水位動(dòng)態(tài)變化與地下水位之間計(jì)算水頭差，進(jìn)而求出斷面水力坡度;將江底高程與含水層分布相對(duì)比，計(jì)算出補(bǔ)給面積，同時(shí)取含水層的滲透系數(shù)，最終求取江水對(duì)地下水的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。

湖泊水體對(duì)地下水的滲漏主要與湖底高程、湖泊水位，與地下水位間水力坡度、湖底巖土體滲透系數(shù)、湖泊庫(kù)容等相關(guān);需收集區(qū)內(nèi)主要湖泊水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)湖泊周邊不同地層巖性，賦予不同分配系數(shù)，最終通過計(jì)算獲得湖泊對(duì)地下水的滲漏補(bǔ)給量。

2.4 準(zhǔn)確模擬開采井

武漢市開采井井孔多采用混合井，該井成井工藝簡(jiǎn)單，可增加出水量和降低成本?；旌暇诘叵滤髂Ｐ椭腥绾文M，國(guó)際上尚未很好解決。目前，大多采用由美國(guó)地調(diào)局推出，并在國(guó)際上廣泛流傳和應(yīng)用的MODFLOW三維有限差分地下水流模型的建議，即按各層導(dǎo)水系數(shù)T的比例來預(yù)先認(rèn)為劃分各層的流量［4］。該措施明顯缺乏理論依據(jù)，因?yàn)樵撟龇ㄒ蟾鞣謱拥挠行Ь畯较嗟群途谔幍乃ζ露壬舷绿幭嗤?，這兩個(gè)條件不可能人為控制，預(yù)先也不得而知。本次模擬主要根據(jù)前人(陳崇希，2001)研究提出的滲流—管流耦合模型來刻畫混合井，其中滲流刻畫地下水運(yùn)動(dòng)，管流刻畫井管中的水流，解決了混合井的模擬問題，大大地提高了模型的準(zhǔn)確性。

2.5 確定初始水頭的分布

初始水頭的確定是數(shù)值模擬的必要條件，通常利用一定數(shù)量觀測(cè)孔的水位數(shù)據(jù)，通過插值獲得各結(jié)點(diǎn)的初始水頭值。但是武漢市地下水觀測(cè)孔數(shù)量較少，且孔位分布不均，各種動(dòng)態(tài)類型多樣，地下水開采層位不同等，會(huì)嚴(yán)重影響插值方法的準(zhǔn)確性［5］。本模型的建立，需考慮上述影響因素，采用“參數(shù)—初始水頭迭代法”，具體做法為:選取模擬的初始時(shí)間為2009年1月，用參數(shù)初始估計(jì)值從1980年1月開始模擬，至2009年1月將模擬水頭值與實(shí)測(cè)值擬合，粗略確定初始水頭;再以此初始水頭按常規(guī)方法求參，如此迭代求解。

2.6 合理概化水流模型

第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水含水層主要接受區(qū)內(nèi)降雨、河流入滲等因素對(duì)地下水的補(bǔ)給;潛水主要分布于長(zhǎng)江、漢江兩側(cè)，與第四系全新統(tǒng)孔隙承壓水相連通，二者形成統(tǒng)一的水力聯(lián)系;研究區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖裂隙巖溶水與上部第四系孔隙承壓水之間無(wú)明顯隔水層，二者呈互補(bǔ)關(guān)系，根據(jù)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖條帶分布及巖溶發(fā)育規(guī)律，巖溶通道內(nèi)地下水可概化為孔隙承壓水。

根據(jù)模擬區(qū)內(nèi)觀測(cè)孔長(zhǎng)觀資料分析，不同地點(diǎn)、不同時(shí)間，地下水動(dòng)態(tài)變化呈現(xiàn)不同的特征，加之武漢市地下水開采具有季節(jié)性，開采井分布具有不規(guī)律性，這就造成了武漢市地下水動(dòng)態(tài)變化的多樣性特征。

基于此，武漢市地下水流問題可以概化為非均質(zhì)三維地下水非穩(wěn)定滲流模型。

2.7 地下水流模型的建立

依據(jù)本區(qū)地層巖性特征資料、水文地質(zhì)剖面圖和鉆孔資料等，在垂向上分為5層。第1層為潛水含水層，第2層為承壓水含水層，第3層為弱透水層，第4層為裂隙巖溶水含水層，第5層弱透水層。各模擬層底板標(biāo)高采用克里格法(Kring)對(duì)區(qū)內(nèi)近1 200個(gè)鉆孔各層底板標(biāo)高進(jìn)行插值計(jì)算求得;地表標(biāo)高主要對(duì)區(qū)內(nèi)1∶5萬(wàn)地形圖等高線抽稀提點(diǎn)法，保證模型的真實(shí)性。

本文主要運(yùn)用GMS數(shù)值模擬軟件，在創(chuàng)建地下水?dāng)?shù)值模擬模型時(shí)，采用有限差分方法對(duì)武漢市鉆孔分層數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化，水平方向剖分為700 m×500 m的網(wǎng)格，每個(gè)單元面積為0.35 km2，整個(gè)研究區(qū)五層共剖分為24 390個(gè)網(wǎng)格單元。模擬區(qū)域網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 武漢市地下水流模型網(wǎng)格剖分圖Fig.3 Mesh generation of groundwater hydrogeologicalmodeling

模型識(shí)別的時(shí)段為2009年1月—2011年12月，通過對(duì)監(jiān)測(cè)孔擬合曲線的分析，總體誤差滿足本次模擬精度要求，模擬出2011年6月豐水期地下水水位等值線圖(圖4)。

3 結(jié)語(yǔ)

武漢市因受長(zhǎng)江、漢江的分割，天然形成多個(gè)不同的水文地質(zhì)單元，但各水文地質(zhì)單元之間并非絕對(duì)獨(dú)立，需采用地下水系統(tǒng)概念，選取合理的水文地質(zhì)邊界，科學(xué)劃分地下水含水層，查明地表水與地下水的相互補(bǔ)給關(guān)系，大量收集全區(qū)地層高程數(shù)據(jù)及巖(土)體水文地質(zhì)參數(shù)等，才能建立準(zhǔn)確的地下水水流模型，從而反映武漢市地下水動(dòng)態(tài)變化特征。

圖4 武漢市豐水期地下水水位等值線圖(2011年6月)Fig.4 Contourmap of groundwater level of high water season in Wuhan

［1］武強(qiáng)，徐華.地下水模擬的可視化設(shè)計(jì)環(huán)境［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003，29(6):69 －70.

［2］武強(qiáng)，朱斌，徐華，王玉平，等.MODFLOW在淮北地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，24(4):500 －503.

［3］賈金生，白冰，劉昌明.Visual MODFLOW在地下水模擬中的應(yīng)用——以河北省欒城縣為例［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26(2):71－78.

［4］李文躍，張博，洪梅，等.Visual MODFLOW在大慶龍西地區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.世界地質(zhì)，2003，22(2):161 －165.

［5］鄭紅梅，劉明柱.Visual MODFLOW在天津市地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，28(2):8 －11.