郭　輝

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學環(huán)境與資源學院，長春 750000)

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基于GMS的尚志市某區(qū)域地下水資源評價

郭輝1、2

(1.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；2.吉林大學環(huán)境與資源學院，長春 750000)

摘要：工作區(qū)尚志市位于黑龍江省東南部螞蟻河上游，是一座以地下水為主要供水水源的城市。近年來，由于城市人口增長，社會經濟不斷發(fā)展，需水量增加，加之工、農業(yè)、生活污水排放造成的水質惡化，工作區(qū)水資源問題越來越嚴重，城鎮(zhèn)供水不足現(xiàn)象已有所顯現(xiàn)。因此，文章對工作區(qū)地下水資源進行評價，提出水資源的可持續(xù)開發(fā)利用方案，以滿足人口、資源、環(huán)境和經濟社會協(xié)調發(fā)展的迫切要求。

關鍵詞：螞蟻河；GMS；地下水資源評價；數(shù)值模擬；永續(xù)開采

文章從工作區(qū)自然地理、社會經濟、地質及水文地質條件出發(fā)，利用 GMS 軟件建立三維地質結構模型，并根據(jù)模型對地層展示和分析；根據(jù)地質和水文地質條件建立水文地質概念模型和數(shù)學模型，運用 GMS軟件進行地下水流數(shù)值模擬；利用水量均衡法計算地下水可開采量并評價開采潛力；利用數(shù)值模型對未來20 a的地下水位進行預測和分析。在上述基礎上根據(jù)工作區(qū)具體情況制定出永續(xù)開采方案及地下水資源保護措施。

1自然地理概況

工作區(qū)位于黑龍江省東南部，尚志市西部，隸屬黑龍江省尚志市管轄，是尚志市政府、市委所在地，集全市政治、經濟、文化、信息為一體的綜合城鎮(zhèn)中心。西距黑龍江省會哈爾濱市120 多 km，東距國際滑雪場亞布力60 多 km，地理座標為E44°27′~45°36′，N127°17′~129°12′。全鎮(zhèn)總人口111 414人。

尚志鎮(zhèn)地處松花江流域螞蜒河干流中游，地勢較平坦，四周低山發(fā)育。西距黑龍江省會哈爾濱市145 km，綏滿高速公路、濱綏鐵路、方莊公路、301國道于境內縱橫交錯。本次工作區(qū)位于螞蟻河干流長壽~河北村段，亮珠河、螞蟻河以北，交通暢通。

2區(qū)域地質概況

2.1　地層

區(qū)內出露地層主要為新生界第三系和第四系，地層簡表見表1。

表1　地層簡表

各個時代的地層構造、結構及巖性特征由老至新分別為第三系(N)，第四系(Q)和侵入巖。

2.1.1第三系(N)

工作區(qū)內主要為中更新統(tǒng)~上更新統(tǒng)孫吳組(N1-2S)，廣泛分布于工作區(qū)第四系地層之下，地表未見出露，主要巖性為灰藍色、灰綠色、淺灰色、灰白色、棕紅色砂礫巖、砂巖、泥巖、粉砂巖、砂質泥巖等互層，厚度>200 m。

2.1.2第四系(Q)

工作區(qū)內第四系主要分布于波狀臺地、螞蟻河一級階地、螞蟻河(高、低)漫灘區(qū)，主要包括中更新統(tǒng)冰水湖積層、沖積層，上更新統(tǒng)沖~洪積層、冰水洪積層，全新統(tǒng)沖積層?，F(xiàn)由老到新分述如下：

2.1.2.1中更新統(tǒng)(Q2)

1)下荒山組沖積層(alQ21x)：分布于工作區(qū)西北部條帶狀臺地下部，覆蓋于第三系地層之上，為第四系上荒山組覆蓋，厚度約為5 m~8 m。巖性為灰白色、灰色圓礫，分選差，級配不良，顆粒磨圓較好。

2)上荒山組冰水湖積層(fgl + lQ22s)：工作區(qū)分布于東、西部臺地區(qū)，東部直接覆蓋于第三系地層之上，西部覆蓋于下荒山組沖積層(alQ21x)之上，其上由哈爾濱組(fgl+plQ32hr)所覆蓋，厚度4 m~10 m，揭露巖性為灰色、淺灰色粉質黏土。

2.1.2.2上更新統(tǒng)(Q3)

1)哈爾濱組冰水洪積層(fgl + plQ32hr)：廣泛分布于工作區(qū)波狀臺地上部，厚度變化大，約為3~18 m 。揭露巖性為黃色、淺黃色、黃褐色粉質黏土，可見斷續(xù)狀、柱狀節(jié)理。

2)顧鄉(xiāng)屯組沖洪積層(al + plQ33g)：分布于工作區(qū)螞蟻河一級階地區(qū)，伏于前第四系地層之上，厚度為15~21 m不等。揭露巖性主要為：上部為灰黃色、黃色粉質黏土，厚度<4 m，下部為淺灰色、灰色砂礫、圓礫等，局部地段夾有灰色粉質黏土透鏡體，顆粒分選較好，級配一般，磨園較差。

2.1.2.3全新統(tǒng)(Q4)

1)高漫灘沖積層(alQ41)：分布于工作區(qū)螞蟻河高漫灘區(qū)，覆蓋于前第四系地層之上，厚度約為12~20 m。揭露巖性上部黃色、褐黃色粉質黏土，厚度一般<2.0m，下部為黃褐色、黃色、灰黃色、灰色礫砂、圓礫等，局部包含黃色、灰色粉質黏土透鏡體，顆粒分選一般，級配較好，磨園較好。

2)現(xiàn)代河、床及低漫灘、沖積層(alQ42)：分布于工作區(qū)螞蟻河低漫灘區(qū)，覆于螞蟻河高漫灘沖積層(alQ41)之上，厚度約為4~10 m。揭露巖性上部為黃色、黃褐色粉質黏土，厚度一般<1.0 m，下部為黃褐色、黃色、淺黃色礫砂，灰色、灰白色圓礫等，顆粒分選良好，級配較差，顆粒磨圓度較好。

2.1.3侵入巖

工作區(qū)內東北部和西南部殘丘有華力西晚期侵入巖(γ43)出露，巖性主要為花崗巖。

2.2　三維地層結構模型的建立

為了能夠實現(xiàn)對地層的“即時對照、全方位視角、多角度剖切”[1]。文章利用GMS軟件中 Borehole(鉆孔)和Solid(實體)等模塊構建了三維地層結構[2-3]，見圖1、2。

圖1部分鉆孔數(shù)據(jù)展示圖圖2部分鉆孔數(shù)據(jù)展示圖

3區(qū)域水文地質概況

3.1　地下水的形成條件及分布規(guī)律

工作區(qū)地下水受地形地貌影響，以地形地貌為勢，從殘丘到山前臺地、階地區(qū)、漫灘區(qū)、河床區(qū)運移，地下水由埋藏條件復雜、分布不均、水量潰乏到埋藏條件簡單、分布穩(wěn)定、富水 性較強變化。

3.2　地下水類型及含水層特征

對區(qū)內的具有供水意義的地下水進行區(qū)域劃分為: 第四系螞蟻河漫灘區(qū)松散巖類孔隙潛水，第四系螞蟻河一級階地區(qū)松散巖類孔隙潛水~弱承壓水和第四系山前波狀臺地區(qū)松散巖類孔隙承壓水3大類型。

3.3　地下水的補給、逕流及排泄條件

受氣象、水文條件限制，地形、巖性等因素影響區(qū)內地下水的遷移轉化呈現(xiàn)以下主要特征。在螞蟻河階地、亮珠河漫灘、螞蟻河河漫灘區(qū)大氣降水補給、山前臺地的地下水側向逕流補給、農田灌溉水回灌入滲補給及豐水期地表水(河道徑流)補給為地下水補給來源。西北部波狀臺地區(qū)側向逕流補給是主要的補給來源。

區(qū)內地下水逕流條件方向基本從西北、西南流向中東南部，最后匯入亮珠河、螞蟻河。螞蟻河階地、螞蟻河漫灘區(qū)地下水逕流條件較好，水力坡降為0.002~0.003左右；區(qū)內地下水的主要排泄方式是潛水蒸發(fā)、人工開采和側向逕流排泄于河流之中，由于大面積種植水田，灌溉季節(jié)地下水量人工開采較大。西北部條帶狀波狀臺地區(qū)地下水逕流較緩慢，水力坡降0.001左右；地下水排泄方式主要為以側向逕流排泄于階地區(qū)、人工開采、蒸發(fā)。

3.4　地下水動態(tài)變化規(guī)律

水位觀測是查明地下水遷移轉化的主要方法，工作區(qū)自2009年10月16日—2010年10月11日對12個水位動態(tài)觀測孔，進行觀測，每5 d觀測一次，見圖3、圖4。

圖3低漫灘水位動態(tài)變化曲線圖4代表性水位動態(tài)歷時曲線

從上面的歷時曲線(圖3、圖4)及區(qū)內1962~2011年降雨、蒸發(fā)月平均圖(圖5、圖6)可以得出以下結論：地下水動態(tài)主要受地層巖性、地貌特征及水文、氣象因素控制。地下水水力坡度由臺地至漫灘遞減，地下水埋深由漫灘至臺地遞增。區(qū)內的淺層地下水動態(tài)特征是由循環(huán)條件、淺層水流場決定的，其動態(tài)類型基本屬于1降水入滲—蒸發(fā)—徑流型、2降水入滲—徑流型、3徑流型。

圖51962—2011年月平均降水量圖61962—2011年月平均蒸發(fā)量

4地下水數(shù)值模擬

根據(jù)實際要求，結合勘察區(qū)地質條件、水文地質條件，將工作區(qū)通過概化水文地質概念模型、建立數(shù)學模型、地下水流數(shù)值模擬模型，對工作區(qū)地下水資源進行評價及預測。

4.1　水文地質概念模型

區(qū)內位于螞蟻河干流中游沖、洪積平原上。潛水含水層西、北部邊界為侵入巖基巖區(qū)，依據(jù)地下水流場圖，利用達西定律求出流入量，將其化為已知流量的二類邊界；潛水含水層東南部邊界為亮珠河、螞蟻河，概化為一類邊界。模型頂部為潛水面邊界，主要接受大氣降水、農田灌溉水回灌補給，同時以垂直蒸發(fā)的形式排泄；模型底部為相對隔水的泥巖、砂巖基巖，底部概化為不透水邊界。根據(jù)質量守恒定律、能量守恒定律及達西定律，本次研究可將區(qū)內水文地質概念模型概化為非均質各向同性的三維非穩(wěn)定流模型[4]。

4.2　地下水流數(shù)值模擬模型建立

本次數(shù)值模型的求解采用地下水模擬系統(tǒng)(GMS)。模型由三維地質模型結合水文地質條件轉化而來，在垂向上按含水層概化為9層：(1)第四系低漫灘區(qū)黏性土層①；(2)第四系低漫灘區(qū)砂、砂礫石層⑤；(3)第四系高漫灘區(qū)黏性土層②；(4)第四系高漫灘區(qū)砂、砂礫石層⑥；(5)第四系一級階地區(qū)黏性土層③；(6)第四系一級階地區(qū)砂、砂礫石層⑦；(7)第四系臺地區(qū)黏性土層④；(8)第四系臺地區(qū)砂、砂礫石層⑧；(9)第三系地層、華力西晚期侵入巖，包括泥巖、砂巖層、花崗巖層⑨。平面上采用矩形網格剖分，網格長9440 m，寬8420 m，面積23.5 km2。水位統(tǒng)測時間為2009年10月16日—2010年10月16日，識別期(2009年10月16日—2010年4月14日)共分為36個時段，驗證期(2010年4月14日—2010年10月16日)分為37個時段。

根據(jù)含水層特征對滲透系數(shù)參考工作區(qū)已有研究成果給出，部分參數(shù)參照《水文地質手冊》中的經驗值[5]。將區(qū)域內有實際供水意義的含水層水文地質參數(shù)均分為6個區(qū)，分區(qū)界線及各分區(qū)參數(shù)初值表1。

表1　滲透系數(shù)與給水度初始值

本次模型模擬以2009年10月16日為地下水初始流場，見圖7。

圖7　2009年10月16日初始流場圖

區(qū)內識別階段各源匯項的計算值見表2。

表2　源匯項水量表　104m3/a

對于以上各源匯項的處理，主要包括以面狀的形式補給地下水系統(tǒng)及以點的形式補給地下水系統(tǒng)，這兩類源匯項的量均分配在活動單元格上參與計算。利用GMS軟件系統(tǒng)中模塊來處理以面狀的形式補給地下水系統(tǒng)時，可以把模擬期內各個時段的補給強度賦值到對應區(qū)，賦值時補給強度流入為正、流出為負。

4.3.3模型的識別

采取12 個觀測點就模型識別階段各參數(shù)進行調整，對地下水流場進行擬合 ，利用 GMS軟件系統(tǒng) 中 PEST 模塊進行水文地質參數(shù)反演，使模擬模型取得了最佳的計算結果，區(qū)內實測水位與計算水位的擬合效果在整體上也達到了最優(yōu)狀態(tài)，地下水流場呈現(xiàn)一致的趨勢(圖8、圖9)。這說明模擬模型建造是合理的，對區(qū)內含水層結構、邊界條件的概化及水文地質參數(shù)的選取也是合理的，模擬模型能夠比較真實的反映計算區(qū)含水層特征[6]。其結果如表3所示。

表3　水文地質參數(shù)識別結果

圖82010年1月16日地下水流場圖圖92010年4月14日地下水流場等水位線圖

4.3.4模型驗證

選取2010年4月14日到2010年10月16日為驗證期，分為37個時段，運行178 d。型驗證階段選取2010年4月14日的流場(圖7)作為初始流場，驗證期觀測孔水位擬合曲線(圖10~圖17)。

圖104#1水位擬合曲線圖115#11水位擬合曲線

圖12　6zk2水位擬合曲線　　　　　　　　　　圖13　7 zk3-4水位擬合曲線

圖14　8 zk3水位擬合曲線　　　　　　　圖15　9 zk6下水位擬合曲線

圖16　10 zk8水位擬合曲線 　　　　　　圖17　11 zk9水位擬合曲線

4.4　地下水均衡計算

根據(jù)校正后的模型，計算模擬期間(2009年10月16日—2010年10月16日)內整個水文年的地下水資源量水均衡情況。模擬期水均衡統(tǒng)計計算結果見表4。

表4　模擬期水均衡統(tǒng)計計算結果表

根據(jù)表4模擬期水資源量均衡分析，模擬期工作區(qū)內地下水系統(tǒng)總補給量為325.50×104m3/a，總排泄量為344.29×104m3，為負均衡。

5地下水資源預報

5.1　模型的預報

預測期從2010年開始，到2030年結束，分為240個時間段，每個時間段為30 d。

利用時間序列模型，對各區(qū)內內的降水量觀測站 1962—2011年以來50 a的年降水量進行模擬預報，模型達到要求的精度，可以用來預測[7-8]。預報結果見表5。同理，應用該模型對區(qū)內內未來20 a蒸發(fā)量進行預報，預報結果見表5。

表5　降雨量、蒸發(fā)量預測統(tǒng)計表　mm/a

統(tǒng)計2001—2011 年尚志鎮(zhèn)地下水的開發(fā)利用情況，對尚志鎮(zhèn)未來15 a地下水開采量進行預報：保持現(xiàn)狀按年增長率2%開采布局，考慮2008年以后新修水利工程以及農業(yè)用水以利用地表水為主，則2015—2030年間開采量從200 萬 m3/a增長到297 萬 m3/a。

5.2　模擬預報結果及流場變化分析

按照以上擬定的條件進行模擬預測，得到2015、2030年地下水流場圖(見圖18、圖19)，并與初始流場進行對比，可知：

圖182015預測地下水位流場圖圖192030預測地下水位流場圖

預測結果表明：工作區(qū)地下水螞蟻河漫灘及階地區(qū)潛水和山前臺地區(qū)承壓水流場的地下水流動方向未發(fā)生明顯的改變，但螞蟻河漫灘區(qū)、山前臺地區(qū)、螞蟻河階地區(qū)地下水水位整體呈下降趨勢：在開采量較大的長河、政安村的居民生活區(qū)最大降幅達2 m以上。因受補給條件、含水層滲透性影響，在開采量較大的老于家村屯附近，山前臺地和一級階地區(qū)承壓水水位發(fā)生變化，水位下降值相對較大，降幅達1.0～3.0 m。 根據(jù)近年來(2008年10月—2011年9月)區(qū)內多年平均地下水位基本能夠保持微平衡或水位變幅不明顯(年變幅1.0~2.5 m)。

6結論與建議

1)明確了區(qū)內地質及水文地質條件，利用GMS軟件系統(tǒng)建立了三維地質結構模型，查明了區(qū)內含水層分布特征。區(qū)內以潛水含水層為主，主要包括螞蟻河一級階地、河漫灘，主要巖性為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)的砂、園礫。弱承壓水主要分布與山前臺地區(qū)，主要巖性為第四系中更新統(tǒng)的砂、園礫。根據(jù)根據(jù)地下水水位動態(tài)資料分析：潛水主要受大氣降水補給、河流側向補給、區(qū)內農田灌溉會灌補給。排泄主要以蒸發(fā)、人工開采為主。弱承壓水主要降水與側向徑流補給；排泄以人工開采、蒸發(fā)為主。

2)建立了地下水數(shù)值模擬模型，利用多年實測資料對模型進行識別、驗證。識別和驗證效果良好。因此可以作為地下水水流預報模型。選用2009年10月16日區(qū)內地下水年資料作為初始水位，對區(qū)內2011年—2030年12月的流場進行預測，預測結果表明：保持目前的開采逐增狀況，區(qū)內潛水和弱承壓水的地下水位都出現(xiàn)逐年下降，并有擴大趨勢，潛水位較弱承壓水位下降明顯，尤其是在階地與高漫灘地區(qū)居民區(qū)人工開采區(qū)，地下水水位降幅較大，最大年降幅20 cm以上；臺地區(qū)人工開采區(qū)弱承壓水亦有下降。低漫灘區(qū)地下水位受螞蟻河河水維影響，降幅不大。

3)GMS在地下水資源評價中能夠靈活處理地質建模、水文參數(shù)處理、參數(shù)演算、預報等方面的水文地質問題，是地下水資源評價的必要工具。

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Evaluation of Groundwater Resources in Shangzhi City based on GMS

GUO Hui1、2

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power

Investigation,Design and Research Institute，Haerbin 150080，China；2.Environment and

Resources Institute Jilin University，Changchun 750000，China)

Abstract：The study aera，Shangzhi City，is located on upstream of the Mayi River in the southeast of Heilongjiang Province，is a city taking groundwater as the major water supply source.In recent years，due to population growth，economic development，water demant increasement，adding to water quality deterioration in virtue to industrial，agricultural sewage and sanitary waste，the problem about water resources in study area is getting more and more serious，and water supply for cities and towns has been appeared.Therefore，the paper is to evaluate the groundwater resources in study area and provide sustainable use scheme of water resources so as to meet the development demands for population，resources，environment and economic society.

Key words：Mayi River；GMS；evaluation of groundwater resources；numerical simulation；sustainable exploration

[作者簡介]郭輝(1985-)，男，甘肅會寧人，工程師，研究方向為地質工程。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類號：TV213.4

文獻標識碼：B

文章編號：1007-7596(2015)08-0016-07