水文地質(zhì)概念模型的含義及應用

  水文地質(zhì)概念模型 Conceptual hydrogeological model

  把含水層實(shí)際的邊界性質(zhì)、內部結構、滲透性能、水力特征和補給排泄等條件概化為便于進(jìn)行數學(xué)與物理模擬的基本模式。

  （1）透水邊界 Permeable boundary 滲透性良好的含水層邊界。

  （2）隔水邊界 Confining boundary  滲透性極差的含水層邊界，即法向方向水力梯度（或流量）等于零的邊界。

  （3）弱透水邊界 Weakly-permeable boundary 能通過(guò)一定流量的滲透性較弱的含水層邊界。

  （4） 已知水位邊界（一類(lèi)邊界）Boundary of known water level 已知外節點(diǎn)水位值的邊界。

  （5）已知流量邊界（二類(lèi)邊界）Boundary of known flow 已知地下水流入或流出量的邊界。

  （6）混合邊界（三類(lèi)邊界） Mixed boundary  由已知水位和已知流量邊界共同組成的計算滲流場(chǎng)的邊界。

  （7）定水頭邊界 Boundary of fixed water level 水位數值不變的已知水位邊界。

  （8）定流量邊界 Boundary of fixed flow 流量數值不變的已知流量邊界。

  1 目的與任務(wù)

  （1）充分收集研究區以往各類(lèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)、地形地貌、氣象、水文、鉆孔、水資源開(kāi)發(fā)利用等資料，進(jìn)行系統的分析與研究，明確研究區的水文地質(zhì)條件；

  （2）對研究區水文地質(zhì)條件進(jìn)行合理的概化，使概化模型達到即反映水文地質(zhì)條件的實(shí)際情況，又能用先進(jìn)的工具進(jìn)行計算的目的，并最終提交概化的框圖、平面圖、剖面圖及其文字說(shuō)明。

  2.模型概化原則

  （1）實(shí)用性  地下水流模擬是一實(shí)用性很強的技術(shù)，解決現實(shí)問(wèn)題是它的根本目的。因此，建立的水文地質(zhì)概念模型須與一定時(shí)期的科學(xué)技術(shù)水平以及研究區的水文地質(zhì)調查研究程度相適應，能用于解決社會(huì )、經(jīng)濟發(fā)展中所面臨的地下水模擬與管理問(wèn)題。

  （2） 完整性  概念模型必須盡可能真實(shí)全面地反映實(shí)體系統的內部結構與動(dòng)態(tài)特征，專(zhuān)業(yè)人員既要到現場(chǎng)進(jìn)行調查，又要廣泛收集有關(guān)的各種信息，必要時(shí)還要補充部分現場(chǎng)調查（包括觀(guān)測、試驗等）工作，詳細分析系統的輸入、輸出、狀態(tài)演變、功能作用以及它與周?chē)h(huán)境的相互作用關(guān)系等，以達到對于真實(shí)系統全面深入的掌握，保證模型在理論上的完整性，提高地下水流系統模擬的精度。

  （3）處理好簡(jiǎn)單與精度的矛盾  一味追求簡(jiǎn)單，要以犧牲精度為代價(jià)；一味追求精度，將導致模型復雜化，花費更多的時(shí)間和經(jīng)費；要根據需要將二者協(xié)調好。

  3.模型概化步驟

  （1） 確定研究范圍  模型研究區應盡可能地選擇研究程度較高的地區，選擇天然地下水系統，盡量避免人為 邊界。

  （2） 收集資料

  收集研究區已有的地質(zhì)、水文地質(zhì)以及水資源開(kāi)發(fā)利用等方面的資料。

  （3） 邊界概化  根據含水層、隔水層的分布、地質(zhì)構造和邊界上地下水流特征、地下水與地表水的水力聯(lián)系，將計算區邊界概化為給定地下水水位（水頭）的一類(lèi)邊界、給定側向徑流量的二類(lèi)邊界和給定地下水側向流量與水位關(guān)系的三類(lèi)邊界。

  （4）內部結構概化  對研究區含水層組、含水介質(zhì)、地下水運動(dòng)狀態(tài)以及水文地質(zhì)參數的時(shí)空分布進(jìn)行概化。

  （5） 完成模型概化圖  根據模型概化結果，繪制模型概化平面圖與模型概化剖面圖。

  4.資料準備

  水文地質(zhì)基礎條件是概念模型的基礎。在建立概念模型之前，必須認真收集、整理和分析已有的水文地質(zhì)資料，確定模擬的目的層，進(jìn)而勾畫(huà)出地下水實(shí)體系統的內部結構與邊界條件，然后才開(kāi)始對實(shí)體系統進(jìn)行概化。

  5.邊界條件的概化

  （1）計算區邊界

  計算區應盡可能以自然邊界為計算邊界，最好是以完整的水文地質(zhì)單元作為計算區。在計算區僅為水文地質(zhì)單元一部分的情況下，應注意處理好水文地質(zhì)單元內水資源的分配以及計算區邊界上的水量交換問(wèn)題，能全面反映地下水系統整體與局部、局部與局部、系統與環(huán)境的對應關(guān)系。

  （2）地表水體

  a.已知水頭邊界  地表水與含水層有密切的水力聯(lián)系，經(jīng)動(dòng)態(tài)觀(guān)測證明有統一水位，地表水對含水層有無(wú)限的補給能力，降落漏斗不可能超越此邊界線(xiàn)時(shí)，地表水體就可以確定為定水頭補給邊界；如果只是季節性的河流，只能在有水期間定為定水頭邊界；如果只有某段河水與地下水有密切水力聯(lián)系，則只將這一段確定為定水頭邊界。

  b.已知流量邊界  地表水與地下水沒(méi)有密切水力聯(lián)系或河床滲透阻力較大時(shí)，僅僅是垂直入滲補給地下水，則應作為二類(lèi)定流量補給邊界。

  c. 斷層接觸邊界

  c1 隔水邊界  如果斷層本身不透水，或斷層的另一盤(pán)是隔水層，則構成隔水邊界。

  c2 流量邊界  如果斷裂帶本身是導水的，計算區內為富含水層，區外為弱含水層時(shí)，則形成流量邊界。

  c3 已知水頭邊界  如果斷裂帶本身是導水的，計算區內為導水性較弱的含水層，而區外為強導水的含水層時(shí)（這種情況，供水中少有，多出現在礦床疏干時(shí)），則可以定為定水頭補給邊界。

  d巖體或巖層接觸邊界  巖體或巖層接觸邊界，一般多屬于隔水邊界或流量邊界。凡是流量邊界，應測得邊界處巖石的導水系數及邊界內外的水頭差，算出水力坡度，計算出補給量或流出量。

  e 地下水的天然分水嶺  地下水的天然分水嶺，可以作為隔水邊界，但應考慮開(kāi)采后是否會(huì )導致位置的變遷。

  6.內部結構的概化

  a. 含水層組

  根據含水層組類(lèi)型、結構、巖性等，確定層組的均質(zhì)或非均質(zhì)、各向同性或各向異性，確定層組水流為穩定流或非穩定流、潛水或承壓水。既存在越流又存在弱層釋水的地區，要建立考慮弱透水層水運動(dòng)的弱透水層模型。一個(gè)區域含水層組可以概化成為一個(gè)單層模型，也可概化為一個(gè)含水層—弱透水層組越流模型，或概化為多個(gè)含水層—弱透水層組構成的多層模型。

  b.含水介質(zhì)

  b1 含水介質(zhì)條件

  （1）確定含水層類(lèi)型，查明含水層在空間的分布形狀。對承壓水，可用頂底板等值線(xiàn)圖或含水層等厚度圖來(lái)表示；對潛水，則可用底板標高等值線(xiàn)圖來(lái)表示；

  （2）查明含水層的導水性、儲水性及主滲透方向的變化規律，用導水系數T 儲水系數μ*  （或給水度μ）進(jìn)行概化的均質(zhì)分區，只要滲透性不大的地段，就可相對視為均質(zhì)區；

  （3）查明計算含水層與相鄰含水層、隔水層的接觸關(guān)系，是否有“天窗”、斷層等溝通。如果為了取得某些詳細準確的參數，需布置大量勘探、試驗工作而要花費昂貴的代價(jià)時(shí)，可考慮先有一個(gè)控制數值，再在識別模型時(shí)反求該參數。 b2 含水介質(zhì)概化 b2-1 孔隙含水介質(zhì)

  （1）均質(zhì)、非均質(zhì)  如果在滲流場(chǎng)中，所有點(diǎn)都具有相同的滲透系數，則概化為均質(zhì)含水層，否則概化為非  均質(zhì)的；自然界中絕對均質(zhì)的巖層是沒(méi)有的，均質(zhì)與非均質(zhì)是相對的，視具體的研究目標而定。

  （2）各向同性、各向異性

  根據含水層透水性能和滲流方向的關(guān)系，可以概化為各向同性和各向異性二類(lèi)。如果滲流場(chǎng)中某一點(diǎn)的滲透系數不取決于方向，即不管滲流方向如何都具有相同的滲透系數，則介質(zhì)是各向同性的，否則是各向異性的。

  b2-2 裂隙、巖溶含水介質(zhì)  裂隙、巖溶含水介質(zhì)的概化要視具體情況而定。在局部溶洞發(fā)育處，巖溶水運動(dòng)一般為非達西流（即非線(xiàn)性流和紊流），但在大區域上，北方巖溶水運動(dòng)近似地滿(mǎn)足達西定律，含水介質(zhì)可概化為非均質(zhì)、各向異性的連續介質(zhì)。 b3 地下水運動(dòng)狀態(tài) b3-1 層流、紊流  一般情況下，在松散含水層及發(fā)育較均勻的裂隙、巖溶含水層中的地下水運動(dòng)，大都是層流，符合達西定律只有在極少數大溶洞和寬裂隙中的地下水流，才不符合達西定律，呈紊流。

  b3-2  平面流和三維流  在開(kāi)采狀態(tài)下，地下水運動(dòng)存在著(zhù)三維流，特別是在區域降落漏斗附近及大降深的井附近，三維流更明顯，故應用地下水三維流模型。若三維流場(chǎng)的水位資料難以取得，可將三維  流問(wèn)題按二維流處理，但應考慮所引起的計算誤差是否能滿(mǎn)足水文地質(zhì)計算的要求。

  b4 水文地質(zhì)參數 b4-1 時(shí)間概化  水文地質(zhì)參數是慢時(shí)變的，在一定時(shí)期和外部條件下可以近似地看作恒定不  變，建立概念模型時(shí)，將參數概化為隨時(shí)間不變的。

  b4-2  空間概化  對于參數的空間分布規律，常采用離散化的參數概化方法（即參數分區或參數化）來(lái)確定。參數分區的依據如下：

  （1）計算區單孔抽水試驗資料的計算結果，包括滲透系數、儲水系數、給水度及單位涌水量；

  （2）含水層分布規律，即埋深、厚度和巖性組合特征；

  （3）地下水天然流場(chǎng)、人工干擾流場(chǎng)、水化學(xué)場(chǎng)和溫度場(chǎng)；

  （4）構造條件及巖溶發(fā)育規律（限于巖溶含水層）。

  7.源匯項

  7.1 含水層垂向量作為模型的源或匯，一般可直接量化，也可處理成（垂向量與水位的關(guān)系）子模型連接的方式。要根據實(shí)際水文地質(zhì)條件，決定具體量化和處理方式。

  7.2 潛水蒸發(fā)強度隨潛水位埋深而產(chǎn)生變化時(shí)，可建立受潛水極限蒸發(fā)埋深約束的潛水蒸發(fā)子模型。存在間歇性的河流、以及由于開(kāi)采促使地表水體與含水層間的水量交換發(fā)生明  顯改變時(shí)，應考慮建立地表水入滲子模型。

  8.表達方式

  8.1平面圖

  （1）研究區基本情況：包括模型研究范圍、主要居民點(diǎn)以及標志性的地形、地貌等；

  （2）水文地質(zhì)控制點(diǎn)：包括地表河流、湖泊、開(kāi)采井以及地下水的天然露頭等；

  （3）地下水含水層控制點(diǎn)：主要包括控制含水層的各類(lèi)鉆孔。

  8.2剖面圖

  （1）地表地理要素：包括剖面所切割過(guò)的對應地表主要地理地貌，如城市、城鎮、河流、湖泊等；

  （2）含水層結構：包括含水層及頂、底板的垂向位置及延伸情況；

  （3）地質(zhì)構造：包括各類(lèi)地質(zhì)構造（如斷層）的地理位置及其水理性質(zhì)；

  （4）地下水水位：研究區初始地下水位，用虛線(xiàn)描繪；

  （5）各類(lèi)源匯項及其性質(zhì)。