鄭龍日，劉立強(qiáng)

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水文地質(zhì)孔隙水的研究方法分析

鄭龍日1，劉立強(qiáng)2

（1.吉林省有色金屬地質(zhì)勘查局六○五隊(duì)，吉林 延吉 133000；2.黑龍江省第一地質(zhì)勘察院，黑龍江 牡丹江 157011）

我國(guó)是人口大國(guó)，每年總體用水量高達(dá)6萬(wàn)億m3，人均用水量更是逐年增長(zhǎng)。我國(guó)是典型的內(nèi)陸型國(guó)家，淡水資源稀缺，以至于我國(guó)大部分地區(qū)的淡水資源都是通過(guò)開鑿地下井水獲得的。隨著人口的增大，用水量的增加，我國(guó)地下水的水位正逐年下降，應(yīng)該讓人們對(duì)水文地質(zhì)孔隙水有所了解，加大對(duì)水文地質(zhì)孔隙水的重視。

水文地質(zhì)；孔隙水；研究方法；地下水

孔隙水是地下水的一種，主要賦存在松散沉積物顆粒的孔隙中，多呈層狀分布，空隙間互相連接，同一含水層為統(tǒng)一的地下水面。在堆積平原和山間盆地內(nèi)廣泛分布，是工農(nóng)業(yè)和日常生活用水的主要來(lái)源。孔隙水呈層狀分布，空間上連續(xù)均勻，含水系統(tǒng)內(nèi)部水力聯(lián)系良好，因此，在孔隙水系統(tǒng)中打井取水，成功率很高。水文地質(zhì)孔隙水能夠?qū)紫端乃髁俊⑺桓叩瓦M(jìn)行科學(xué)地測(cè)量，能夠?yàn)槲覈?guó)地下孔隙水的研究提供很多便利。

1　水文地質(zhì)孔隙水研究的意義

我國(guó)從幾千年前就通過(guò)挖井開采地下淡水，這種獲取淡水的方法一直延續(xù)到今天。但是由于常年的開采地下水，不僅直接導(dǎo)致我國(guó)地下水存儲(chǔ)量減少，還間接造成了許多問題。例如，地下水的減少造成沉積物顆粒間的孔隙水流失，沉積物顆粒坍塌堆積，使原本的土地缺失了泥土的支撐，從而導(dǎo)致地面凹陷、下沉、裂縫等現(xiàn)象。此外，由于土地中水分的流失，導(dǎo)致土壤中的營(yíng)養(yǎng)隨之減少，土壤干旱、農(nóng)作物收成不好的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。個(gè)別地區(qū)更是由于土壤缺水導(dǎo)致地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)不能正常運(yùn)作，發(fā)生地區(qū)干旱等自然災(zāi)害，造成人員的傷亡，地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平下降。由此可見，我國(guó)應(yīng)該對(duì)地下水的開采實(shí)行相應(yīng)的措施，降低地下水過(guò)量開采的問題，保護(hù)我國(guó)的淡水資源不被破壞。要做到這些就必須對(duì)水文地質(zhì)孔隙水進(jìn)行相應(yīng)的研究，通過(guò)三維立體地下模擬模型對(duì)地下孔隙水的情況進(jìn)行分析，確定什么地區(qū)適合開采，什么地區(qū)不適合開采。

2　水文地質(zhì)孔隙水相關(guān)數(shù)據(jù)獲得方法

2.1實(shí)際數(shù)據(jù)收集方法

水文地質(zhì)孔隙水研究需要建立在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，這就需要大量的數(shù)據(jù)支持。我們需要對(duì)各個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)進(jìn)行研究，如果將每個(gè)地區(qū)的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行一一收集，不但會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，而且在研究過(guò)程中可能還會(huì)出現(xiàn)地下水輕微變動(dòng)的情況，對(duì)相關(guān)研究造成很大的影響。所以，我們首先應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)收集方法進(jìn)行研究，選擇適合的獲取數(shù)據(jù)方法。我國(guó)常用的收集數(shù)據(jù)方法為實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)。實(shí)際數(shù)據(jù)從字面上就可得知，是根據(jù)地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。然而，對(duì)整個(gè)研究地區(qū)的水文地質(zhì)孔隙水進(jìn)行總體數(shù)據(jù)收集很困難，并且還要通過(guò)多次測(cè)量取平均值，這顯然很難辦到。所以，我們不得不采取隨機(jī)抽樣的方式對(duì)勘察地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，收集數(shù)據(jù)時(shí)需要在不同分割區(qū)內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)取樣，并且，需要對(duì)測(cè)量時(shí)間進(jìn)行規(guī)定，在不同時(shí)間進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，這樣能夠更加準(zhǔn)確地收集水文地質(zhì)孔隙水的地域情況。

2.2模擬數(shù)據(jù)收集方法

模擬數(shù)據(jù)方法與上一種數(shù)據(jù)收集方法有很大的區(qū)別，不需要對(duì)勘察地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察，僅僅通過(guò)其他相關(guān)信息進(jìn)行分析就可推算水文地質(zhì)孔隙水的目前情況。這種數(shù)據(jù)收集方法需要三維地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算方法加以輔助。模擬數(shù)據(jù)收集的優(yōu)點(diǎn)就是耗費(fèi)時(shí)間少、成本低。不僅不用花費(fèi)大量的勘察設(shè)備，還大大減少了人工費(fèi)用的開支，也不用大量的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。然而，這種方法是通過(guò)信息推算得出的數(shù)據(jù)，與實(shí)際數(shù)據(jù)收集方法相比，其準(zhǔn)確率明顯低于實(shí)際操作，所以這種方法一直都沒有被廣泛使用。

3　地下水?dāng)?shù)值模擬研究方法

3.1三維地下水?dāng)?shù)值模擬研究方法

近幾年，隨著科技的發(fā)展和地下水勘測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，三維地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)被人們廣泛應(yīng)用，成為了當(dāng)前水文地質(zhì)孔隙水研究的最實(shí)用的方法。數(shù)值模擬方法是對(duì)真實(shí)情況的仿真模擬，其原理是根據(jù)水文地質(zhì)的孔隙水相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)分析，確定地下孔隙水的大概含量，根據(jù)確定結(jié)果做出合理的計(jì)劃。目前國(guó)內(nèi)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法有有限分差法（FDM）、有限單元法（FEM）、邊界元法（BEM）、有限分析法（FBM）等。有限差分方法是一種求偏微分（或常微分）方程和方程組定解問題的數(shù)值解方法，簡(jiǎn)稱差分方法。這種方法是一種數(shù)學(xué)方法，被巧妙運(yùn)用在孔隙水研究當(dāng)中，可對(duì)孔隙水的流向和水位進(jìn)行大致推算。雖然三維地下水?dāng)?shù)值模擬一直被廣泛應(yīng)用，但是還是存在短板，相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)該對(duì)數(shù)值模擬的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具。

3.2GIS地下水?dāng)?shù)值模擬模型擬合方法

對(duì)于三維地下水?dāng)?shù)值模擬方法來(lái)說(shuō)，整個(gè)過(guò)程通過(guò)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和相關(guān)文件進(jìn)行展示，其可視化程度差，表達(dá)出的形式不能夠直觀地進(jìn)行判斷，很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析錯(cuò)誤。GIS即地理信息系統(tǒng)的地下水?dāng)?shù)值模擬模型方法能很好地彌補(bǔ)可視性差的缺點(diǎn)。它將相關(guān)數(shù)據(jù)和地形勘測(cè)結(jié)合，通過(guò)機(jī)器轉(zhuǎn)化圖紙，方便人們直接觀察。這種方法可以通過(guò)勘測(cè)地形、水位高度、孔隙水流等要素進(jìn)行自動(dòng)曲線繪制，繪制出相應(yīng)的剖面圖，再通過(guò)參數(shù)對(duì)比判斷其準(zhǔn)確度，如果準(zhǔn)確率過(guò)低，將重新進(jìn)行要素分析，直到其達(dá)到滿意的準(zhǔn)確度。地下水的元素特征在點(diǎn)、線、面3種狀態(tài)下有一定的差距，所以GIS地下水?dāng)?shù)值模擬模型擬合方法應(yīng)該分別從點(diǎn)、線、面3個(gè)方面進(jìn)行模擬研究。

4　我國(guó)水文地質(zhì)孔隙水研究存在的不足和相應(yīng)優(yōu)化

我國(guó)雖然已經(jīng)大量開采地下水資源，但是對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究起步較晚。雖然我國(guó)近幾年科技發(fā)展迅速，但是仍然有一些問題亟待解決，最主要的問題是人們對(duì)于基本學(xué)術(shù)知識(shí)和地質(zhì)條件的研究重視度不夠。我國(guó)在水文地質(zhì)孔隙水研究方面的一流人才較少，人們大多只關(guān)心具體實(shí)踐，忽略專業(yè)知識(shí)，導(dǎo)致相關(guān)工人在具體操作時(shí)困難重重。由于研究設(shè)備花費(fèi)大，研究時(shí)間較長(zhǎng)，我國(guó)的大部分技術(shù)都是從國(guó)外引進(jìn)，沒有真正花時(shí)間研究適合我國(guó)的孔隙水研究技術(shù)，導(dǎo)致我國(guó)的研究技術(shù)效率低，成果差。所以要真正將我國(guó)的水文地質(zhì)孔隙水研究提高上去，需要?jiǎng)?chuàng)建適合我國(guó)的研究體系，提高孔隙水研究人員的素質(zhì)。國(guó)家也應(yīng)大力支持人才培養(yǎng)建設(shè)，讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)了解相關(guān)專業(yè)。

5　結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和使用較晚，雖然近幾年的水文地質(zhì)孔隙技術(shù)研究有了很大的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。我們還應(yīng)從國(guó)際的角度對(duì)地下水模擬的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，對(duì)孔隙水發(fā)展制度制定科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃，真正地使我國(guó)的地下水實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，保證居民的用水安全。

［1］翁愛華，李舟波，王雪秋，等.黑河干流淺層地下水與地表水相互轉(zhuǎn)化的水化學(xué)特征［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2012，（3）：39.

［2］ 武強(qiáng)，董東林，武鋼，等.水位下降過(guò)程中孔隙水壓力變化的若干規(guī)律研究［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（4）：28.

Analysis of research methods of hydrogeological pore water

ZHENGLong-ri1，LIULi-qiang2
（1.Jilin Nonferrous Metals Geological Exploration Bureau No.605 Team，Yanji 133000，China；2.First Geological Exploration Institute ofHeilongjiangProvince，Mudanjiang157011，China）

Our country is a large country in population，the annual total water consumption is up to 6 trillion m3，water consumption per capita is increasing year by year.Our country is a typical inland country and lacks of fresh water resources，so that freshwater resources of most parts of China are obtained by digging underground wells.With the increasing population and water consumption，the water level of groundwater is declining year by year，we should let people understand hydrogeological pore water，and make emphasis on issues of hydrogeological pore water.

Hydrogeology；Pore water；Research method；Groundwater

P641

A

1674-8646（2016）15-0020-02

2016-02-04