陳 冬，許 模，曾 科，趙 瑞

(1.成都理工大學，四川 成都610059;2.四川省地質環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都610081)

隧道涌水量預測研究已經有近半個多世紀的歷史，研究的深度和廣度都有了很大的拓展，目前隧道涌水量預測主要依靠水文地質比擬法、水均衡法以及基于裘布依穩(wěn)定井流理論導出的各種解析公式、基于泰斯非穩(wěn)定井流理論導出的涌水量計算公式[1，2]。非線性、模糊數學等理論運用也提高復雜邊界條件下非均勻孔隙、裂隙介質非穩(wěn)定流隧道涌水量預測的精度。但巖溶地區(qū)地下水的賦存條件復雜、運移方式多樣，這些方法并沒有解決高度非均質巖溶管道流的層流－紊流復合的問題。

數值模型是研究水循環(huán)與水資源的重要工具。自20世紀60年代以來，各國學者已建立了眾多數值模型，如由美國環(huán)境保護局支持開發(fā)的水文模擬程序(Hydrologic Simulation Program，F(xiàn)ORTRAN)－HSPF，及目前國內外應用最廣泛的由美國地質調查局開發(fā)的地下水模擬系統(tǒng)模型MODFLOW，用來模擬較均一介質集水區(qū)或流域地表產流和徑流、地下水動力學、地表地下水耦合的作用。文章嘗試利用動態(tài)降雨－徑流SWMM(Storm Water Management Model)模型隧道涌水量，希望為SWMM模型模擬降雨條件下復雜巖溶地區(qū)集中性涌突水提供科學依據。

1 SWMM模型介紹

SWMM(暴雨洪水管理模型)是一個動態(tài)的降水－徑流模擬模型，主要用于模擬城市某一單一降水事件或長期的水量和水質模擬。其徑流模塊部分綜合處理各子流域所發(fā)生的降水，徑流和污染負荷。其匯流模塊部分則通過管網、渠道、蓄水和處理設施、水泵、調節(jié)閘等進行水量傳輸。該模型可以跟蹤模擬不同時間步長任意時刻每個子流域所產生徑流的水質和水量，以及每個管道和河道中水的流量、水深及水質等情況。

當前最新版本SWMM5可以對研究區(qū)輸入的數據進行編輯、模擬水文、水力和水質情況，并可以用多種形式對結果進行顯示，包括對排水區(qū)域和系統(tǒng)輸水路線進行彩色編碼，提供結果的時間序列曲線和圖表、坡面圖以及統(tǒng)計頻率的分析結果。

2 研究區(qū)概況

中壩隧道隧址區(qū)位于四川盆地西南部古藺縣護家鄉(xiāng)，全長3 993m，進口軌頂設計標高為719.79m，出口為709.03m，隧道最大埋深約415m。隧道穿越地層見表1，研究區(qū)為一單斜構造，節(jié)理裂隙成組發(fā)育。研究區(qū)巖溶以水平溶蝕與垂直溶蝕相互交替呈現(xiàn)，形成規(guī)模較大的地下巖溶通道，尤其是T1j巖溶十分發(fā)育，地表大量的溶蝕洼地、落水洞和巖溶槽谷成串珠狀展布，并且順層發(fā)育有地下暗河管道系統(tǒng)。

表1 中壩隧道地層巖性特征表

隧道在掘進至D9K55+218掌子面處于隧道拱頂左上方處發(fā)生大型的涌突水現(xiàn)象，掌子面主要的涌水點為洞頂左上方一條張開約10 cm的陡傾溶蝕裂隙，其切割揭穿了頂部的暗河管道，從而形成導水通道。鉆孔顯示被溶蝕裂隙切穿的暗河管道出口為犀牛塘泉點，圖1為以犀牛塘泉點為最低排泄基準點的水文地質單元，地下水順層沿北東徑流。受到T1f非可溶巖地層的隔擋，以P1地層為主的可溶巖條帶對隧道無影響，因此，犀牛塘泉點水源主要來自穿越的T2l、T1j灰?guī)r含水層接受的降雨補給。地表調查發(fā)現(xiàn)，T2l、T1j灰?guī)r條帶上共有10個匯水洼地，其中W9為半封閉洼地，匯水后直接排泄入水落河，考慮巖溶管道的坡度性，判斷隧道涌水水源主要來自犀牛塘暗河管道上游匯水洼地 W1、W2、W3、W4、W5、W6。

圖1 犀牛塘水文地質單元平面圖

3 SWMM模型的構建

3.1 模型概化

在SWMM模型中，一般將一個流域劃分為若干個子流域，根據各子流域的特征分別計算其徑流過程，并通過流量演算方法將各子流域的出流組合起來。

犀牛塘暗河管道發(fā)育形態(tài)非常復雜，在此假設每個洼地有獨立的徑流系統(tǒng)，且最終經過獨立的節(jié)點(洼地底部的落水洞)排泄進隧道。洼地底部的落水洞較為特殊，這部分面積接受的降雨可以直接補給地下水，但由于面積較小，文章未做考慮。以洼地為單元，劃分出6個次級單元流域，并用管道(地下河)將它們連接起來，概化后如圖2所示，用于模型計算。

圖2 模型計算概化圖

3.2 模型參數選取

中壩隧道地表巖溶非常發(fā)育，通過研究CAD的地形圖及Google Earth圖圈出洼地面積，計算出6個洼地的匯水面積、平均坡度、洼地底部與分水嶺平均高程等數據。石灰?guī)r表面比較接近于混凝土，管道及洼地的曼寧粗糙系數的初始參數根據混凝土曼寧粗糙系數經驗取值。特征寬度是一個無法實測的模型參數，文章采用InfoSWMM提供的計算匯水子區(qū)域特征寬度的方法獲得。匯水子區(qū)域主要參數詳見表2。

表2 匯水子區(qū)域主要參數一覽表

含水層用來模擬地表徑流的垂向入滲補給，同時含水層的水又可補給管道系統(tǒng)。已有研究表明，上部包氣帶與管道之間存在水量交換，因而在模型當中同時考慮含水層的作用，即上部包氣帶與下部管道之間的相互作用。通過設置土壤孔隙度、飽和水力傳導率、土壤水分蒸發(fā)蒸騰深度、含水層底部高程及初始水位高程與初始水分含量等參數來表征包氣帶。SWMM模型可選三種入滲方法:Horton，Green－Ampt，Curve Number。文章選用Green－Ampt入滲方法，主要參數包括土壤毛細管吸水深度ψ、飽和水力傳導率K、初始虧損率ID(土壤初始水分含量與土壤孔隙度比值)。研究區(qū)的土壤較接近于壤土，根據文獻查閱[3]取ψ =76.2mm，K=3.18 mm/h，ID=0.26。

降雨量采用當地2012年7月14日至8月11日共29天的降雨數據，當地日降雨量過程曲線如圖，期間主要有6次降雨過程，累計降雨量分別為12.3 mm，15.6 mm，，15.3 mm，15.3 mm，43.2 mm，18.8 mm。

圖3 研究區(qū)降雨過程曲線

4 模型結果分析

4.1 模擬結果與實測結果對比

運行SWMM模型后，得到的模擬結果曲線形態(tài)和降雨量曲線形態(tài)大致相同(見圖4)，模擬結果在降雨時明顯增大，雨后水量下降明顯。

圖4 SWMM模型模擬中壩隧道涌水量動態(tài)變化情況

在前期降雨量較小時模擬結果和實際觀測數據動態(tài)變化相差不大，且兩條曲線擬合程度較好，但模擬結果瞬時效應相較于實測數據明顯。降雨時模擬結果的上漲幅度和雨后的下降幅度較大且與實測涌水量的相對誤差較大，從表3可以看出相對誤差隨降雨量的增大而增大，當降雨量為43.2 mm最明顯。結合圖3可發(fā)現(xiàn)43.2 mm強降雨后兩條曲線(模擬和實測隧道涌水量動態(tài)變化曲線)總體都是下降趨勢，很明顯地實測數據對降雨的敏感度很差，基本呈下降趨勢，但模擬結果隨著降雨量的變化發(fā)生起伏，說明模擬結果依然保持對降雨有較高的敏感度。

表3 模擬隧洞涌水量在主要降雨時段的相對誤差

4.2 差異性分析

(1)模型概化方面

由于該隧道只是揭露與暗河管道相連接的長大溶蝕裂隙，并未直接揭露暗河管道，在較大雨情時，長大裂隙并不能完全截取暗河管道水，實測涌水量只是暗河管道水量一部分，大部分水順管道流向犀牛塘暗河出口，所以實測涌水量遠遠小于模擬結果。在小降雨時段，暗河管道水基本排向長大裂隙，涌水量模擬結果和實測模擬結果有很高的擬合程度，但由于含水層做為隧道一個不可忽視的涌水水源，在實測涌水量的曲線變化中起到了削峰作用，模型并不能完全刻畫研究區(qū)的地下水徑流過程，且模型未考慮管道與含水層之間的水量交換關系，所以體現(xiàn)出雨前和雨后模擬結果起伏較大。

(2)模型參數方面

有研究表明在降雨數據詳細的情況下，SWMM模型模擬巖溶峰叢洼地系統(tǒng)降雨徑流過程誤差只有19.1%[4]，受條件限制，本次采用降雨數據以天為單位，缺乏更精準的資料，且當地降雨數據并不能完全體現(xiàn)研究區(qū)降雨情況，由于研究區(qū)地形起伏較大，降雨空間分布不均勻，各洼地集水區(qū)同時段降雨量不盡相同。

管道與地表粗糙度、洼蓄量等參數無法實測，都是根據文獻資料直接引用的，關于子單元信息，如匯水面積、地面坡度、特征寬度等都是人為的劃定，這些都和實際參數可能會存在一定的偏差。模型中含水層參數設定主要是針對較均一介質的，而巖溶含水層的一個主要特點是存在不均一性，如何刻畫其不均一性值得進一步研究。

5 結語

研究表明，本次模擬在小降雨時段和實際觀測值的擬合程度較好，但受條件限制，無法很好的模擬在強降雨情況中壩隧道涌水量的動態(tài)變化情況，如果能獲取犀牛塘暗河出口流量動態(tài)變化情況，模型模擬的地下水徑流系統(tǒng)可以更好的反映實際犀牛塘暗河地下水單元補徑排關系。

總的來說，SWMM模型可以較好的模擬巖溶地區(qū)涌水量的動態(tài)變化，但要使模擬結果精確度更高，模型中參數的選取，尤其是針對巖溶地區(qū)的參數選取，將成為今后工作中重點研究對象。

[1]朱大力，李秋楓.預測隧道涌水量的方法[J].工程勘察，2000，(4):18－22.

[2]聶志宏，張彌，白李妍.用經驗公式計算隧道用水量[J].鐵道標準設計，2000 ，20(6 － 7):48－49.

[3]張震芳.排水管網動態(tài)水力建模數據組織與分析[D].上海:同濟大學，2009.

[4]章程等.利用SWMM模型模擬巖溶峰叢洼地系統(tǒng)降雨徑流過程—以桂林丫吉試驗場為例[J]，水文地質工程地質，2003.(3):10－14.