盆地含水系统与地下水流动系统特征

盆地含水系统与地下水流动系统特征

大型盆地是人类相对聚居的地方,通常蕴藏着丰富的能源和矿产资源,有的还是重要的粮食生产基地。随着社会发展和工农业用水增加,盆地地下水资源的开发利用规模日益加大,引发了一系列地质环境问题,危及供水安全、粮食安全和重大工程安全。

地下水资源的可持续利用已成为关系社会和谐发展的关键问题之一。深入认识大型盆地地下水流动规律是合理开发利用地下水资源的基础,也是现代水文地质学面临的挑战之一。

在区域水文地质学的发展过程中,Tóth (1963)提出了地下水流动系统理论,较好地刻画了盆地地下水的补给、径流与排泄规律。该理论基于重力驱动的基本原理,利用解析解研究发现,盆地中可以发育局部、中间和区域三个不同级次的流动系统,各个系统具有相对独立的水动力学和水化学特征。

Freeze和Witherspoon (1967)从渗透系数分布和盆地形状两个方面讨论了地下水流动系统的影响因素,进一步完善了地下水流动系统理论。Freeze和Witherspoon (1967)的研究仅考虑了简单的非均质性和各向异性对地下水流动系统的影响,未对流动系统的影响因素开展系统的研究。

Tóth (1980)认为多个流动系统的交汇可以形成有利于矿产和油气聚集的滞流区,但对滞流区的形成机理的认识一直停留在定性分析阶段。在地下水流动系统理论的实际应用中,划分各个不同级次流动系统的分布是极为重要的,虽然Tóth (1963)给出了某一级次流动系统的定义,但是对如何精确划分各个级次的地下水流动系统一直缺乏既完善又简便的方法。

地下水年龄(或示踪剂浓度)是分析盆地地下水流动系统及校正地下水模型

的重要指标,地下水年龄与流动系统的水动力学特征的相互关系至今尚未建立。针对这些问题,本文开展了以下理论和实际研究。

在系统总结前人关于渗透结构研究的基础上,本文将盆地含水系统的非均质性总结为四大类型,分别是带状、层状、岩相和压密非均质性,其中压密非均质性是最普遍的特征,表现为渗透性随深度衰减。通过分析岩体自重应力与渗透性的关系,从理论上分别推导了多孔介质和裂隙介质渗透性与深度关系的数学模型。

对于多孔介质,自重应力的增加引起孔隙度的减小,进而造成渗透性的减小,根据自重应力与孔隙度、渗透率之间的相互关系,本文推导了多孔介质渗透率与深度关系的数学模型,并成功解释了美国Pierre页岩在不同深度范围的渗透率实测数据。对于裂隙介质,自重应力的增加引起裂隙闭合,同时裂隙频率也随深度减小,两者共同作用造成渗透性随深度衰减。

根据自重应力与单一裂隙隙宽、导水系数之间的相互关系,推导了单一裂隙导水系数与深度关系的数学模型,此基础上考虑裂隙频率与深度关系,给出了裂隙岩体渗透率与深度的关系式,所得模型合理地解释了瑞典Stripa花岗岩渗透率与深度的复杂关系。根据裂隙介质的模型,本文提出了一种利用渗透性与深度的非线性关系估算大尺度岩体裂隙法向刚度和变形模量的方法。

研究还发现,在多孔介质和裂隙介质中,渗透性随深度衰减的负指数公式都是本文推导的模型在简化条件下的特例。在盆地为均质各向同性这一严格的假设条件下,Tóth (1963)推导出二维剖面上水头分布的解析解,初步分析了地下水流动系统的基本特征。

本文对Tóth (1963)的数学模型做了改进,推导了具有压密非均质性和各向异性的盆地中二维剖面上水头和流函数的解析解,使得精确分析流动系统的水动

力学特征、确定驻点位置及其影响因素成为可能。研究表明,局部流动系统可分为顺向和逆向两类,驻点可分为局部和区域两类。

顺向局部流动系统的流动方向与区域流动系统的流动方向相同,而逆向局部流动系统的流动方向与区域流动系统的流动方向相反。局部驻点位于逆向局部流动系统下方,是四个流动系统交汇的部位,可以用于精确划分不同级次流动系统,确定局部和中间流动系统的穿透深度。

区域驻点位于区域最低排泄区和区域分水岭下方的盆地底部,是两个区域流动系统发生汇聚或者发散的部位。压密非均质性和各向异性对地下水流动系统的发育有重要影响。

随着衰减系数的增加,局部驻点深度增加,局部流动系统的穿透深度随之增加;随着各向异性比的增加,局部驻点深度减小,局部流动系统的穿透深度随之减小。衰减系数和各向异性比的增加不改变盆地中补给区与排泄区的位置分布,但都会引起盆地地下水的总补给量减小。

利用实测示踪剂年龄校正地下水模型,是当前国际水文地质学研究的前沿与热点。在数值模拟计算中,地下水年龄有三种确定方法,分别是利用“活塞流”模型计算对流年龄、根据同位素浓度结合半衰期计算浓度模拟年龄和利用地下水年龄控制方程计算直接模拟年龄。

地下水年龄控制方程是基于“年龄质量”守恒这一概念获得的,利用该方程计算的直接模拟年龄适合于从理论上分析盆地中的地下水年龄空间分布规律。研究发现,在各级次流动系统内,从补给区到排泄区,地下水年龄有整体上变老的趋势;局部驻点附近,两个流动系统的地下水发生汇聚的部位,地下水年龄存在一个偏大的峰值;盆地下游,地下水年龄在垂向上会发生突变,可作为识别不同级次流

动系统的实用指标;盆地上游,区域补给区附近,当局部驻点接近或到达盆地底部时,会形成全盆地地下水年龄最老的滞流区,有利于矿产的形成;压密非均质性是影响盆地中地下水年龄分布的重要因素,孔隙度和渗透系数随深度的衰减会显著影响地下水的模拟年龄。

最后,选择鄂尔多斯白垩系盆地典型剖面作为实例,研究了含水系统特征以及地下水流动系统的水动力学特征和年龄分布规律。该剖面上,含水系统具有层状、带状、岩相和压密非均质性以及宏观各向异性特征。

在分析含水系统边界条件和地下水补径排关系的基础上,综合考虑四种类型的非均质性以及宏观各向异性,建立了地下水流动和年龄分布的剖面数值模型,并用实测水头和年龄资料进行了模型校正。研究表明,四十里梁是区域性分水岭,形成东、西两个相对独立的地下水流动系统。

在东部,含水系统厚度较小,局部流动系统占优势,地下水年龄普遍较小,然而,在靠近四十里梁的地形低处,由于局部驻点接近盆地底部,形成了全盆地地下水模拟年龄最老的滞流区;在西部,含水系统厚度较大,同时发育了局部、中间和区域三个不同级次的流动系统,浅部的地下水年龄普遍比较小,而深部的地下水年龄较大,都思兔河附近的局部驻点位于含水系统的中间部位,其下方的滞流区内地下水年龄比周围区域老,出现局部驻点附近含水系统中部地下水比底部地下水更老的现象。该模型全面验证了本文理论研究部分涉及的地下水流动系统的水动力学特征和年龄分布规律。

本文关于盆地含水系统和地下水流动系统的研究,可对我国各大盆地下一阶段的地下水勘查提供理论指导,加深对大型盆地地下水循环规律的认识,促进地下水资源的可持续开发利用。