论水文地质概念模型的建立_皇甫行丰

第15卷　1997年　第4期　
12月　
河　南　地　质
HEN AN　GEOLOGY
V ol.15　N o.4
　Dec. 1997论水文地质概念模型的建立
皇甫行丰①
(河南省地矿厅第一水文地质工程地质队)
摘　要　本文结合小杨庄水源地重点介绍了建立水文地质概念模型的体会,强调了建立概念模型
前,一定要对水文地质条件进行全面分析,以使数学模型尽量符合实际原型。

关键词　水文地质概念模型,计算目的层,关键链,原型
中图法分类号　P333
目前评价地下水资源的方法很多,如解析法,开采试验法、水量均衡法、系统分析法和数值法等。

虽然每种方法都有各自的适用条件,但存在一个共同点,都需要建立切合水文地质实际条件的概念模型。

所谓水文地质概念模型就是对从现场和实验中所收集数据的综合;也即表示有关含水层结构和作用以及含水系统特征方面数据的图。

它是依据现场所收集到的数据建立起来的,是水文地质理论研究和应用之间的一个环节,是地下水资源评价和管理的重要基础。

正确的水文地质概念模型,应该综合地下水系统的基本特征,反映地下水系统整体存在、整体运动的特点,为地下水系统模型化奠定基础。

笔者以新乡火电厂小杨庄水源地为例,浅谈对建立概念模型的理解和体会。

1　计算目的层的确定
建立概念模型首先要在认真收集、整理和分析已有水文地质资料的基础上,确定计算目的层,进而勾画出地下水实体系统的内部与外部边界。

水源地勘查中,根据含水层岩性、富水性、水质及补、径、排条件,可以划分若干含水层组。

一般将单井涌水量大、水质好,可以做集中供水为目的层的含水层组作为计算目的层。

新乡火电厂小杨庄水源地位于新乡市东部,地处黄河冲积平原。

地下水属第四系冲积平原孔隙水类型。

区内含水层有多层,其中有一层分布稳定、厚度大的粉质粘土层,将地下水分为两个含水组。

第一含水组为潜水,底界埋深75～85m,含水介质为粗砂、中砂,单层厚20m左右,累计厚50～70m,单位涌水量大于15m3/h·m,为淡水;第二含水组为承压水,底界埋深
①作者简介:皇甫行丰,男,31岁,1985年毕业于长春地质学院,工程师,水文地质与工程地质.邮编453002,河南省新
乡市北干道23号
收稿日期:1996—10—30;改回日期:1996—11—06
140～155m ,含水介质为细砂,单层厚5～10m ,累计厚20.7～52.5m ,单位涌水量4～6m 3
/h ·m ,为微(半)咸水。

两个含水组之间有12m 左右的粉质粘土层。

勘探期间施工探采结合井15眼,井深71～89m ,进行了长达33天的群孔干扰抽水试验,总出水量 5.62万m 3/d 。

因此,以群抽利用的第一含水组作为本次计算目的层。

2　计算区范围及边界条件
2.1　水平边界
计算目的层明确后,根据评价要求,应圈定出计算区的范围。

一般情况下,计算区最好是一个独立的天然水文地质系统,它具有自然边界,便于较准确地利用其真实的边界条件,避免人为边界在资料提供上的困难和误差。

但在实际工作中,常常不能完全利用自然边界,这就需要充分利用勘查和长观资料等建立人为边界。

对小杨庄水源地来讲,勘查范围远未波及水文地质单元边界,因此选择群抽影响范围及其附近地区作为计算域。

相应的边界条件则以实测的变水头边界来概化,边界水位变化规律依据实际观测值。

2.2　垂向边界
计算区内第一含水组的顶部为透水边界,一方面接受大气降水入渗补给、引黄灌渠渗漏补给等;另一方面通过地表蒸发、人工开采、河流泄流进行排泄。

第一含水组底板为厚12m 左右的粉质粘土构成的弱透水层,处理起来比较复杂。

这是因为在开采过程中,第二含水组向第一含水组的越流补给,不仅存在量的运移,而且存在质的交换。

从安全角度出发,并能较准确地预测水质变化。

我们将第一含水组底板概化为双重性:一方面在进行第一含水组资源评价时,根据弱水层分布连续稳定、隔水性能较强的特点,将其作为隔水底板,但在计算时必须将越流量予以刨除;另一方面考虑到第二含水组水质较差,第一含水组在水源地开采后,随着水位的降低,在开采漏斗一定区域内,当第一含水组地下水位低于第二含水组水位时,将有部分质量较差的第二含水组地下水向第一含水组越流(图1)。

为了较准确地预测第一含水组地下水质随开采时间的延长而发生的变化,又将其作为弱透水边界处理。

3　含水层内部结构及水力特征
3.1　内部结构
含水层内部结构概化主要包括含水层类型、空间分布状态以及参数分布规律等。

小杨庄水源地计算目的层属潜水含水层。

经单孔、多孔、互阻、大型群孔干扰抽水试验结果分析,计算区内含水层无明显的各向异性现象,可作为非均质各向同性介质处理。

计算区可分为五个参数区:弱径流区、中等径流区、较强径流区、强径流区、极强径流区。

3.2　水力特征
含水层水力特征的概化主要包括三个方面:一是渗流是否符合达西流;二是水流呈平面运
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动还是三维运动;三是水流呈稳定流还是非稳定流。

图1　越流形成条件示意图Fig.1　Fo r ma tio n co ndition o f leakag e
①—第一含水组初始水位;②—第二含水组初始水位;③—开采条件下第一含水组水位;④—开采条件下
第二含水组水位
对小杨庄水源地来说,计算区地下水呈非稳定流状态,水流符合达西定律。

考虑弱透水层的垂向渗透系数(K Z =0.004～0.008m /d )远小于第一含水组的渗透系数(K =11.0～20.8m /d )的实际情况,依据地下水动力学原理:当K Z <0.01K 时,可以近似地认为含水层中的地下水作水平流动,而弱透水层中的地下水仅作垂直流动,其误差不会超过5%,因此全区可概化为平面二维流。

4　开采量概化
对计算区内的井位、井数及开采动态,都
应进行调查统计。

一般情况下,对开采井数较多且井位集中的,可在小面积上概化成局部的开采强度或开采大井(点源);对于井位分散且均匀的,则可在大面积上概化成平均开采强度。

小杨庄水源地开采量概化是按三种情况处理的。

对工业较发达的乡镇,根据调查统计的开采量,概化为点井;乡镇以外的农业开采量统计,是按照渠灌区、井灌区年浇灌次数、灌溉定额进行统计,概化为不同灌区上的开采强度;对于计算区内的人、畜饮用水量,按需水定额进行统计,概化为全区内的开采强度。

5　初始条件
根据计算区内所有观测孔、抽水孔(井)和地表水位资料,编制计算区在初始时刻的等水位线图,最后求出所需各点的水位。

计算机模拟初始流场,只适用于被校正后的数学模型,否则模拟的初始流场可靠性不大。

6　数学模型的识别与检验
根据上述建立的水文地质概念模型,就可以抽象出数学模型。

通过对数学模型的识别,校正了计算区的水文地质参数、微分方程以及边界条件等,但其可靠性,还需利用历史水位进行验证。

识别和验证标准以计算误差的精度(拟合精度)作为判别依据,至于拟合达到怎样的精度才算合乎要求,目前尚没有一个公认的统一标准。

一般情况下,拟合的相对误差小于时段水位变幅的5%即可。

本次对小杨庄水源地的有限元计算,模型识别阶段和检验阶段水位拟合误差多在0.20m 以内(表1)。

在模型识别和检验过程中,需特别注意的是,若计算结果不理想,与观测孔相比误差太大,或得出的参数背离水文地质条件时,要仔细检查模型是否真实地反映了地质体,是否遗漏了某个主要因素,在对条件的认识上是否有缺项,对边界的处理是否正确等,切勿不查原因而单纯
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追求拟合结果去硬凑。

表1　计算区拟合结果统计表Table 1　Fitting results of calculated area
观测孔号拟合误差(m )
模型识别阶段模型检验阶段时段1时段2时段3时段4时段5时段6G30.080.090.03-0.17-0.020.11C 3-0.030.05-0.04-0.200.170.15C 210.220.010.070.220.09-0.21C 10.020.000.170.16-0.020.01G230.230.13-0.090.010.020.08S150.110.110.18-0.100.08-0.14C230.090.01-0.290.06-0.170.17S80.120.090.000.110.130.25C6-0.170.130.11-0.170.01-0.16G8-0.050.260.220.100.040.09G140.020.05-0.050.28-0.160.27S150.130.09-0.030.150.05-0.17S 190.270.20-0.150.030.11-0.03S 13-0.010.020.18-0.070.120.05T 2780.050.140.270.100.08-0.22T 163-0.150.160.08-0.16-0.200.04T283-0.130.22-0.090.230.150.21T1640.210.00-0.200.21-0.04-0.08T1280.210.07-0.01-0.15-0.010.11T1330.140.120.120.030.150.01T950.120.310.16-0.03-0.230.00T260.160.11-0.04-0.15-0.14-0.16T9
0.14
0.00
-0.23
0.22
0.09
0.22
7　两点体会
一是,查明水文地质条件和建立地下水资源计算模型(数学模型和经验模型)之间,存在着一个关键链,即水文地质概念模型。

通过概念模型才能把水文地质条件和数学模型、经验模型有机地结合起来,达到地下水资源评价的真正目的。

只有建立了正确的水文地质概念模型,才有可能建立合适的数学模型,确定相应的计算参数;因此建立概念模型时,必须对当地水文地质条件做细致而严谨的研究,全面完整地把握水文地质条件的各个方面,据此构成的模型,才
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是原型的抽象,才能用于模拟;否则就容易造成模型的识别错误。

二是,水文地质概念模型的确立过程,是对复杂的地下水系统的客观实体进行宏观上的抽象处理(包括含水层结构、水力条件和边界条件的处理),这种处理必须保持地下水系统内渗流场、水化学场的基本特征不变,而仅仅是对某些局部细节作适当的处理。

由此可见,建立的概念模型,无论是边界条件、内部结构等均要概化合理,最大限度地反映原型。

在计算机、数学模型普遍推广的今天,因定量手段的提高,对搞清水文地质条件的要求就更严、更细。

因此说,数值法计算本身不单是一种计算方法,它也是深刻全面认识水文地质条件的一个重要手段。

参 考 文 献
1　殷昌平等.地下水水源地勘查与评价.北京:地质出版社,19932　薛禹群主编.地下水动力学原理.北京:地质出版社,1986
O N THE ESTABLISHMENT OF HYDROGEOLOGICAL
CONCEPTUAL MODEL
Huang fu Xingfeng
(No .1Hydrogeological and Engineering Ge ological Party ,Department of Ge ology and Mineral Resources of Henan Provinc e ,X inx iang City ,453002,China )Abstract
The ex perience to establish hydro geological conceptual mo del in co mbination with Xi-aoya ng zhuang wa terso urce field has been introduced em phatically in this paper.The autho r underlines that befo re the establishm ent of co nceptual model the hydrogeological condition m ust be ov erall ana lyzed to co nfo rm the mathema tical model as fully as possible to actua l pro to ty pe.
Key words hydrog eo logical co nceptual model,caculated aquifer,key link,
prototype
更 正
《河南地质》1997年第15卷第3期199页第15行“国际本位制(SI)词头及其应用”应为“国际单位制(SI )词头及其应用”。

特此更正,并向读者致歉。

本刊编辑部
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