賈 超，李 輝，周曉勇，賈佳佳，徐玉良

山東省德州地區(qū)地下水流場動態(tài)分析

賈 超，李 輝，周曉勇，賈佳佳，徐玉良

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250000）

地下水的開采對于地面沉降影響較大，尤其是對于一些特定含水層，過量的開采會導(dǎo)致形成地面沉降漏斗，存在一定安全隱患?；谌S非穩(wěn)定滲流模型，以試點(diǎn)法為計(jì)算手段對德州市德城區(qū)進(jìn)行地下水不同含水層滲流流場分析。分析不同開采量條件下特定含水層滲流流場特性，揭示了地下水在特定含水層中的運(yùn)動規(guī)律，可為計(jì)算地面沉降問題提供參考依據(jù)。

水文地質(zhì)模型；地下水滲流流動規(guī)律；開采量

地下水是我國水資源的重要組成部分，隨著人口的不斷增長和環(huán)境惡化，地下水的污染已經(jīng)變得越來越嚴(yán)重［1-2］。德州市位于魯北平原，是天津?yàn)I海新區(qū)及環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈和省會濟(jì)南的重要節(jié)點(diǎn)，所以德州市地下水環(huán)境的變化一直是人們關(guān)注的對象［3-4］。近年來隨著地下水開采量的增大，地面沉降災(zāi)害日趨嚴(yán)重，確切把握區(qū)域流場動態(tài)變化是控制地下水開采的重要基礎(chǔ)工作。模擬不同含水層地下流場滲流時空分布規(guī)律對分析地下水資源的動態(tài)規(guī)律變化、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地下水資源的可持續(xù)利用及開采不同含水層引起地面沉降的研究具有重要意義［5］。

以三維地下水滲流基礎(chǔ)作為基本理論，建立德州市德城區(qū)三維水文地質(zhì)概念模型，對淺-中層、深層含水層中地下水滲流流場進(jìn)行模擬分析，研究了不同開采量條件下地下水流場時空分布規(guī)律。

1 水文地質(zhì)概念模型

1.1 模擬范圍及邊界條件

本研究工作區(qū)域選為德州市德城區(qū)的行政邊界，研究區(qū)域面積539km2。地面高程由德州市城區(qū)的地形圖確定。淺-中層模擬區(qū)域的邊界條件為四周地下水的排補(bǔ)定流量第一類邊界條件，深層模擬區(qū)域的邊界條件為第二類邊界條件，并將邊界進(jìn)行分段，依照達(dá)西定律在模擬過程中對流量大小進(jìn)行調(diào)整。

1.2 含水層組概化

本研究區(qū)域?qū)儆邳S河下游沖積平原的孔隙水水文地質(zhì)類型，其含水層在空間分布上結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下水有明顯的分帶性［6］。根據(jù)區(qū)域內(nèi)地層巖性、沉積年代及土的性質(zhì)等，將地下800m以上的地層分為淺-中層承壓含水組和深層承壓含水組。由于地層之間相互連通的特性，根據(jù)德州市德城區(qū)的水文地質(zhì)條件將含水層概化為4層。

1.3 源匯項(xiàng)概化及水文地質(zhì)參數(shù)的選擇

根據(jù)德州市工程地質(zhì)分層資料顯示，表層土為粉質(zhì)黏土及粉土，局部地區(qū)有淤泥質(zhì)黏土，地下水水位主要受降雨量大小的影響。研究區(qū)域深層地下水排泄主要為地下水開采，補(bǔ)給途徑主要為側(cè)向徑流與越流補(bǔ)給，側(cè)向徑流補(bǔ)給則由邊界條件所確定，越流補(bǔ)給由數(shù)值模擬所確定。各個地層水文地質(zhì)參數(shù)如表1。

表1 各個地層水文地質(zhì)參數(shù)取值

2 建立地下水非穩(wěn)定流模型

2.1 地下水非穩(wěn)定流的數(shù)學(xué)模型

在水文地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上建立德州市德城區(qū)地下水滲流數(shù)學(xué)模型［7］：

式中Kxx，Kyy，Kzz為各方向滲透系數(shù)；H0（x，y，z，t）為滲流數(shù)學(xué)模型初始條件；q1（x，y，z，t）為滲流數(shù)學(xué)模型邊界條件；W為降雨及蒸發(fā)等源匯項(xiàng)。

2.2 地下水非穩(wěn)定流數(shù)值模型

2.2.1 淺—中含水層非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬

本研究對于淺—中層含水層選取2011年9月～2013年9月為模擬時段，J1，J2為兩個水位監(jiān)測點(diǎn)，用來監(jiān)測地下水位的變化，如圖1。

通過監(jiān)測點(diǎn)J1，J2的水位變化可以進(jìn)一步探究第I地層的水位變化規(guī)律，如圖2。

圖1 淺—中層地下水初始流場等水位線

圖2 J1，J2水位監(jiān)測點(diǎn)水位變化規(guī)律對比

由兩個監(jiān)測點(diǎn)的水位變化可以看出，第I地層水位具有季節(jié)性，隨季節(jié)變化明顯，且總體趨勢恒定，J1監(jiān)測點(diǎn)地下水水位變化幅度1.48m，J2監(jiān)測點(diǎn)地下水水位變化幅度1.30m。結(jié)論與地下水水位圖的對比一致。

2.2.2 深層含水層非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬

對深層地下水非穩(wěn)定流滲流模型以2006年10月～2008年9月作為數(shù)值滲流的識別期，以2008年10月～2010年9月作為數(shù)值滲流模型的檢驗(yàn)期。研究區(qū)域深層地下水流數(shù)值模型參數(shù)識別將表1中的參數(shù)作為模型識別的初值，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)在模型識別期的水位監(jiān)測資料，采用試點(diǎn)法計(jì)算得到的第III、第IV地層水平滲透系數(shù)參數(shù)如圖3。

圖3 不同地層水平滲透系數(shù)反演參數(shù)場

兩個地層貯水系數(shù)反演結(jié)果分別為0.006，0.005。為檢驗(yàn)數(shù)值模型計(jì)算得到地下水滲流流場與實(shí)際流場是否一致，選取地下水水位監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測資料與數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比檢驗(yàn)如圖4。

圖4 監(jiān)測井地下水動態(tài)檢驗(yàn)結(jié)果

在地下水水位動態(tài)檢驗(yàn)過程中，水位監(jiān)測值與計(jì)算值之間的差值較小，計(jì)算結(jié)果可以反映出監(jiān)測水位的變化趨勢，擬合效果較好。

3 不同開采量深層地下水滲流流場規(guī)律

在現(xiàn)開采量條件下德州市德城區(qū)深層含水層地下水滲流流場分布基礎(chǔ)上，開展研究區(qū)域地下流場隨開采量的變化預(yù)測至2020年。德城區(qū)深層地下水開采量統(tǒng)計(jì)表如表2，年份與開采量擬合曲線為y=-80.169x+164304（將2008年剔除）。將用此公式預(yù)測得到的2013～2020年開采量作為預(yù)測現(xiàn)狀開采量，可以得出2020年現(xiàn)狀開采量2362.62萬m3。通過對比不同工況下的地下水水位分布，探究開采量對深層地下水流場時空分布規(guī)律的影響。開采量工況設(shè)置如表3，各開采量工況下不同地層漏斗中心水位變化曲線如圖5。

表2 德城區(qū)深層地下水開采量統(tǒng)計(jì)

表3 不同方案的開采量

圖5 各開采量工況下不同地層漏斗中心水位變化曲線

4 結(jié)語

（1）以德州市德城區(qū)埋深800m的地下水做為本次的研究對象，建立地下水非穩(wěn)定滲流流場數(shù)值模型。德城區(qū)淺層地下水水位變化受降水和蒸發(fā)等影響比較大，水位隨著季節(jié)變化波動較大；而深層地下水的水位受開采量控制，并且在現(xiàn)開采量條件下水位將持續(xù)下降。

（2）對于第III地層，開采量減少30%時漏斗中心的水位降低顯著減小，開采量減少50%時地下水漏斗中心水位2020年與2010年基本持平；對于第IV地層，開采量減少10%時出現(xiàn)漏斗中心水位降低幅度減小的趨勢，當(dāng)開采量減少30%時，地下水漏斗中心水位2020年與2010年基本持平，當(dāng)開采量減少超過30%時，漏斗中心水位逐漸回升。因此降低深層地下水得開采量對于控制深層地下水漏斗的發(fā)展，控制地面的沉降災(zāi)害具有非常顯著的作用。

［1］張壽全.中國的水環(huán)境與水資源可持續(xù)利用若干問題［J］.工程地質(zhì)報(bào)，1999，7（3）：250-256.

［2］匡耀求.中國水資源利用與水環(huán)境保護(hù)研究的若干問題［J］.中國人口·資源與環(huán)境，2013，23（4）：29-33.

［3］張永偉.華北平原德州地面沉降成生機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警與可控性研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

［4］蔡文曉.德州市深層地下水開采與地面沉降關(guān)系研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［5］馮娟.德州市深層地下水動態(tài)變化與模擬研究［D］.青島：青島大學(xué)，2008.

［6］馮娟.開采條件下德州地區(qū)地下水水質(zhì)演化研究［D］.青島：中國海洋大學(xué)，2011.

［7］Ma X Y，Li S G，Zhu W S．A new method in groundwater flow modeling［J］．Journal of Hydrodynamics（Ser B），2009，21（2）：245-254.

Dynamic analysis of groundwater flow in Dezhou area of Shandong Province

JIA Chao，LI Hui，ZHOU Xiao-yong，JIA Jia-jia，XU Yu-liang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

The exploitation of groundwater has great influence on the ground settlement，especially for some specific aquifer，the excessive mining will lead to the formation of subsidence funnel with some security risks.To solve the above problems based on the three-dimensional unsteady seepage model，the pilot method for the calculation means of groundwater of Dezhou City，different aquifer seepage flow field analysis.The analysis of the characteristics of the seepage flow field of the specific aquifer under different mining conditions reveals the movement law of the groundwater in the specific aquifer，which can provide reference for the calculation of the ground subsidence.

hydrological geology model；groundwater seepage flow；pilot method；exploitation amount

TV222

B

1672-9900（2016）04-0028-03

2016-05-04

賈超（1976-），男（漢族），江蘇徐州人，教授，主要從事水利工程、巖土工程及工程地質(zhì)方面的研究工作，（Tel）15098760969。