姚怡光,張 云,孫 鐵,唐 寧,何國(guó)峰

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210023；2.建筑綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司,天津300160)

人工滲流場(chǎng)中的地下水流數(shù)值模擬

姚怡光1,張 云1,孫 鐵2,唐 寧1,何國(guó)峰1

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210023；2.建筑綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司,天津300160)

以天津?yàn)I海新區(qū)某擬建場(chǎng)地人工滲流場(chǎng)為研究對(duì)象,對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析和概化,用GMS7.1建立了水文地質(zhì)概念立體模型。調(diào)用GMS7.1中的MODFLOW模塊建立地下水流數(shù)值模型并求解,得到研究區(qū)的各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù),再現(xiàn)并預(yù)測(cè)了研究區(qū)的地下水流場(chǎng)情況。計(jì)算結(jié)果表明,利用GMS建立的人工滲流場(chǎng)概念模型求解的各項(xiàng)水文參數(shù)較為精確,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合。同時(shí),利用GMS進(jìn)一步確定了合理的開(kāi)采水方量及開(kāi)采時(shí)間,為有效防治抽灌水引起的土體變形提供了理論依據(jù)。

人工滲流場(chǎng)；數(shù)值模擬；GMS；土體變形

0 引 言

隨著地下水源熱泵技術(shù)的廣泛應(yīng)用,天津市濱海新區(qū)地下水天然滲流場(chǎng)不足以使地下水源熱泵充分發(fā)揮機(jī)組效率的問(wèn)題日益表現(xiàn)出來(lái)[1]。這主要是由于濱海新區(qū)的地下土層主要為滲透性極弱的粘性土,地下水滲流條件極差[2]。為了解決這一問(wèn)題,擬建立人工條件下的滲流場(chǎng)。但人工滲流場(chǎng)會(huì)引起土體內(nèi)部應(yīng)力或土體、地基本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)變化,從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形[3]。因此,為更好地利用人工條件下的地下水滲流場(chǎng)這一技術(shù)手段,必須對(duì)土的滲透性質(zhì)、地下水在土層中的滲透規(guī)律及其與工程的關(guān)系進(jìn)行研究,為地下水源熱泵的科學(xué)利用，確定合理的地下水采灌方案,以及土工建筑物設(shè)計(jì)、施工提供必要的資料。

地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System,GMS)是美國(guó)Brigham Young University的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)軍隊(duì)排水工程試驗(yàn)工作站,在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFT、UTCHEM等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一個(gè)綜合性的、用于地下水模擬的圖形界面軟件。該軟件可用來(lái)求解各種地下水模型,所擁有的可視化前處理界面及后處理功能將各種求解地下水問(wèn)題的程序集成在一起,為用戶提供了便捷和高效的操作[4-5]。

本文選取天津?yàn)I海新區(qū)塘沽海河大橋以南的人工滲流場(chǎng)試驗(yàn)基地為研究對(duì)象,結(jié)合該場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)勘察和抽水試驗(yàn)資料,采用GMS7.1軟件對(duì)抽灌水過(guò)程中的地下滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,反求試驗(yàn)區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)。同時(shí),分析抽灌水試驗(yàn)過(guò)程中人工滲流場(chǎng)的變化,對(duì)采用的抽灌水方案進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。

表1 研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)分布及物理性質(zhì)

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)位于天津?yàn)I海新區(qū)海河大橋以南,占地面積約300 m2(50 m×6 m)。試驗(yàn)場(chǎng)布設(shè)抽水井P與灌水井R,從P井抽出的地下水直接灌入R井,故R井的灌水流量小于或等于P井的抽水流量。此處,抽水量和回灌量都控制在10 m3/h,試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為100 min。P井與R井的設(shè)計(jì)深度為60 m,濾水管位置30.6～49.3 m,在P井與R井的井口各安裝1臺(tái)流量計(jì),監(jiān)測(cè)取水量與回灌量變化。R井周邊分別在埋深為53.0、28.0 m處設(shè)置觀測(cè)井obs1與obs2。在抽灌水井以及與之相對(duì)應(yīng)的觀測(cè)井內(nèi)采用電流表測(cè)線法對(duì)地下水位進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)場(chǎng)地平面見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)地平面(單位：m)

1.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件及水文地質(zhì)參數(shù)

濱海新區(qū)地層結(jié)構(gòu)總體上分布比較均勻,海陸相沉積交互關(guān)系明確。埋深大約在100.0 m以上的地基土從上而下依次為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)沉積[6]。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,在場(chǎng)地60.0 m深度范圍內(nèi),按其地層成因、土層結(jié)構(gòu)及工程特性可劃分為7層。地層呈水平層狀分布,地層埋藏分布與天津市濱海新區(qū)塘沽區(qū)正常沉積地層基本相符。研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)分布及物理性質(zhì)見(jiàn)表1。

場(chǎng)地第③層以上為潛水含水層,下部第⑤層為承壓含水層。其中,潛水含水層的水位埋深為3.54～5.00 m,第⑤層承壓含水層的水位埋深為9.10～9.30 m,P井與R井的濾水管位置為30.6～49.3 m,貫穿整個(gè)第⑤層,為完整井。在試驗(yàn)場(chǎng)地,當(dāng)僅有P井抽水時(shí),R井可看做觀測(cè)井,這時(shí)可采用Dupuit公式計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。本次試驗(yàn)中,P井中的抽水流量Q=294.48 m3/d,計(jì)算可得粉砂層的滲透系數(shù)k=4.25×10-5m/s。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

為查清試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)條件,初步了解地下水滲流場(chǎng)的情況,為后續(xù)的抽灌水試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型的建立提供合理的設(shè)計(jì)參數(shù),除巖土工程勘察外,又進(jìn)行了多次抽水試驗(yàn)以及水位恢復(fù)試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知,研究區(qū)土層可劃分為4個(gè)水文單元層(不考慮填土層)。②、⑤層各為一個(gè)含水層,分別標(biāo)記為layer1、layer3。③層因厚度僅為1.7 m,可與④概化為一層,標(biāo)記為layer2；⑥層因厚度僅為2.7 m,可與⑦概化為一層,標(biāo)記為layer4,這2層均為弱透水層。

2.2 初始及邊界條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),各井的穩(wěn)定水位標(biāo)高：P為-9.40 m；R為-9.26 m；obs1為-3.84 m；obs2為-3.83 m。在模型的四周設(shè)置定水頭邊界,模型底部設(shè)置隔水邊界。由于整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)潛水水位影響很小,故潛水面處設(shè)置零水頭邊界,試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的P井與R井是唯一的源匯項(xiàng)。

圖2 觀測(cè)值與計(jì)算值擬合對(duì)比

3 滲流數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格剖分與參數(shù)分區(qū)

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分,平面上將其劃分為28×10個(gè)網(wǎng)格單元,垂向上將整個(gè)研究層劃分為5層。結(jié)合巖土勘察資料及多次抽水試驗(yàn)的結(jié)果,在垂向上將土層劃分為5個(gè)參數(shù)分區(qū)。由于obs1與obs2分別位于layer4與layer2,故本次數(shù)值模擬主要對(duì)layer2、layer3、layer4進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 模型識(shí)別

本次數(shù)值模擬通過(guò)抽水井、灌水井以及相應(yīng)的觀測(cè)孔的水位監(jiān)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別,所有井的位置、屬性、觀測(cè)時(shí)間、水位值以及所允許的誤差范圍都在Conceptual Model中的MAP模塊中定義。MODFLOW對(duì)地下水滲流的計(jì)算運(yùn)行結(jié)束后,GMS會(huì)自動(dòng)進(jìn)入模型識(shí)別模式,將所有井的觀測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,并進(jìn)行誤差分析。根據(jù)模型識(shí)別的結(jié)果逐步調(diào)整參數(shù),直至滿足計(jì)算精度為止。圖2為所有井的觀測(cè)值與計(jì)算值的擬合曲線。各相關(guān)井的擬合誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。從圖2及表2可知,所有井的實(shí)測(cè)水位觀測(cè)值與模擬計(jì)算得到的水位曲線有極好的吻合度,所有井平均相對(duì)誤差為1.751%,滿足計(jì)算精度要求,也反映了反求參數(shù)的有效性。

表2 參數(shù)識(shí)別階段所有井的擬合誤差

模型檢驗(yàn)中,將抽水井與灌水井的流量設(shè)置為6 m3/h,抽灌水時(shí)間為2 h。圖3為模型檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)P井與R井各自的計(jì)算值和觀測(cè)值的擬合曲線。模型檢驗(yàn)期間2個(gè)井的絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。由表3可知,模型檢驗(yàn)的相對(duì)誤差平均為2.095%,滿足精度要求。

圖3 觀測(cè)值與計(jì)算值擬合對(duì)比

表3 參數(shù)檢驗(yàn)階段的擬合誤差

4 模型結(jié)果分析

4.1 參數(shù)分析

參數(shù)擬合階段本研究區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表4?？傮w上,水文地質(zhì)參數(shù)的模擬結(jié)果基本符合研究區(qū)的水文地質(zhì)特性,比較好地反映了含水層的透水特征。其中,layer3即粉砂含水層的模擬滲透系數(shù)與根據(jù)DL/T 5213—2005《水電水利工程鉆孔抽水試驗(yàn)規(guī)程》中的抽水試驗(yàn)所得出的滲透系數(shù)較為吻合；layer2即粉土～粉質(zhì)粘土含水層以及l(fā)ayer4即粉質(zhì)粘土的模擬滲透系數(shù)相對(duì)于一般的粉質(zhì)粘土而言較大,透水性較強(qiáng),這主要是由于在layer2、layer4含水層中分別包含了1.7 m和2.7 m厚的粉土,但這2層相對(duì)于layer3含水層的透水性差了很多,故需對(duì)抽灌水引起的layer3含水層的土體變形格外注意。此外,由于layer2含水層的厚度大且概化后的平均滲透系數(shù)較大,在抽灌水過(guò)程中,也應(yīng)對(duì)其土體變形引起關(guān)注。

表4 研究區(qū)各含水層水文地質(zhì)參數(shù)

4.2 流場(chǎng)分析

圖4為三維立體模型中含水層layer2、layer3、layer4的地下水流場(chǎng)。由于P井以及R井的濾水管位于且貫穿整個(gè)layer3含水層,故在layer3含水層中的P井附近出現(xiàn)了較大的水位降深以及降落漏斗；而在layer3含水層中的R井附近,由于灌入地下水的緣故,水位有所抬升,出現(xiàn)了注水漏斗。從圖4可知,在2個(gè)井附近,由于抽水與灌水的緣故而產(chǎn)生的漏斗的影響半徑相對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地而言是很小的,不足以使試驗(yàn)場(chǎng)地產(chǎn)生較明顯的沉降,這與現(xiàn)場(chǎng)的layer3層的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合。在弱透水層layer2和layer4中,地下水由R井附近向P井附近流動(dòng),水力梯度很小。由于這2個(gè)含水層分別為粉土～粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土,透水性相對(duì)layer3粉砂含水層較弱,故在P井與R井附近均未產(chǎn)生明顯的漏斗。

圖4 三維立體模型中含水層中的流場(chǎng)

4.3 降水預(yù)測(cè)

4.3.1 水井抽灌水能力

傳統(tǒng)的基層組織一線員工教育培訓(xùn)方法、模式存在著許許多多的缺陷、弊端和問(wèn)題，不僅影響到了員工正常培訓(xùn)，而且即使進(jìn)行了培訓(xùn)，也是事倍功半、效率低下，這種培訓(xùn)的方式方法已經(jīng)到了非改進(jìn)不可的地步了。隨著電子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展、手機(jī)的廣為普及，適時(shí)引入E-training 模式，不僅有效解決了基層一線員工培訓(xùn)所面臨的諸多問(wèn)題，而且能夠有效提高培訓(xùn)的效果和質(zhì)量。因此，當(dāng)前推出基層一線員工手機(jī)E-training 模式，條件上不僅充分、必要，而且時(shí)機(jī)上也恰逢其時(shí)。

P井與R井的抽灌水量控制在10 m3/h,抽灌水周期設(shè)置為4 h,試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)周期。每個(gè)周期內(nèi),先抽P井灌R井2 h,再抽R井灌P井2 h,P井與R井交替作為抽水井或灌水井,且不等P井與R井中的水位恢復(fù)即刻切換P井與R井的抽灌水狀態(tài)。

圖5中前12 h為P井與R井在3個(gè)抽灌水周期內(nèi)的實(shí)測(cè)水位觀測(cè)值與模擬計(jì)算得到的水位曲線,后4 h為僅用GMS模擬計(jì)算得到的水位曲線。從圖5可知,P井與R井在4個(gè)周期內(nèi)的抽水狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的水位并無(wú)明顯的變化,這說(shuō)明P井與R井的出水能力隨著抽灌水循環(huán)次數(shù)的增加較為穩(wěn)定；同樣,P井與R井在4個(gè)周期內(nèi)的灌水狀態(tài)下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的水位也無(wú)明顯的變化,這說(shuō)明P井與R井的灌水能力隨著抽灌水循環(huán)次數(shù)的增加較為穩(wěn)定。由此可知,在10 m3/h的抽灌水量條件下,水井的抽灌水能力隨著循環(huán)抽灌水次數(shù)的增加處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài),能保證人工滲流場(chǎng)的正常運(yùn)行。

圖5 周期性抽灌水狀態(tài)下水井觀測(cè)值與計(jì)算值擬合對(duì)比

4.3.2 最大開(kāi)采量與開(kāi)采時(shí)間的確定

將抽水井與灌水井的流量分別調(diào)至63 m3/h,定流量抽灌水8 h后,P井中的水位降至-22.11 m,R井中的水位升至-0.25 m(見(jiàn)圖6)。P井降落漏斗范圍內(nèi)的粉砂層依然處于飽和狀態(tài),不容易被疏干,但R井中的水位即將漫出井口,表明R井的灌水能力在當(dāng)前設(shè)置的灌水方量以及灌水時(shí)間條件下已經(jīng)接近極限,如果再次調(diào)高流量或增加灌水時(shí)間,那么從P井抽出的地下水將無(wú)法全部回灌回地層。由此可知,當(dāng)前的抽灌水方量及時(shí)間的設(shè)置是合理的,可以保證從粉砂層中抽出的地下水完全回灌。

圖6 三維立體模型中含水層layer3中的流場(chǎng)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于天津?yàn)I海新區(qū)海河大橋以南的人工滲流場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及運(yùn)用數(shù)值模擬軟件GMS的模擬計(jì)算,對(duì)人工滲流場(chǎng)的開(kāi)采方量、開(kāi)采時(shí)間、滲流特征、水位變化特征進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論：

(1)抽灌水井附近由于抽水與灌水的緣故而產(chǎn)生的漏斗的影響半徑相對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地而言是很小的,不足以使試驗(yàn)場(chǎng)地中距離抽灌水井較遠(yuǎn)土體產(chǎn)生變形,土體的變形可能集中在抽水井與灌水井附近,在人工滲流場(chǎng)建設(shè)之中應(yīng)該注重距離抽水井與灌水井較近位置的土體變形。

(2)在10 m3/h的抽灌水量條件下,水井的抽灌水能力隨著循環(huán)抽灌水次數(shù)的增加處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài),能保證人工滲流場(chǎng)的正常運(yùn)行,故可先在10 m3/h的抽灌水量、多次循環(huán)抽灌的條件下探究人工滲流場(chǎng)對(duì)地下水源熱泵發(fā)揮機(jī)組效率的影響。

(3)抽水井與灌水井的流量上限均為63 m3/h,時(shí)間上限為8 h,在這個(gè)范圍內(nèi)可以保證從粉砂層中抽出的地下水完全回灌回粉砂層,使粉砂層中的地下水位達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,避免距離抽灌水井較遠(yuǎn)的粉砂層發(fā)生抽灌水引起的土體變形。

[1]孟憲軍. 地下水源熱泵抽回灌水對(duì)地下水溫度場(chǎng)影響規(guī)律研究[D]. 沈陽(yáng)： 沈陽(yáng)建筑大學(xué), 2011．

[2]趙立志, 朱平.天津?yàn)I海地區(qū)淺層軟土沉降淺析[J]. 低溫建筑技術(shù), 2011, 33(11)： 73- 74．

[3]盧廷浩. 土力學(xué)[M]. 南京： 河海大學(xué)出版社, 2005．

[4]ANDERSON M P, WOESSNER W W, HUNT R J. Applied Groundwater Modeling: Simulation of Flow and Advective Transport[M]. Washington: Academic Press, 2015．

[5]祝曉彬. 地下水模擬系統(tǒng)(GMS)軟件[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2003, 30(5)： 53- 55．

[6]孫明乾. 天津?yàn)I海軟土工程特性及工后沉降預(yù)測(cè)[D]. 吉林： 吉林大學(xué), 2013．

[7]薛禹群, 謝春紅. 地下水?dāng)?shù)值模擬[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2011．

(責(zé)任編輯 楊 健)

基康儀器股份有限公司

封二

廣州秀珀化工涂料有限公司

前插1

北京華科同安監(jiān)控技術(shù)有限公司

前插2、3

北京中水科海利工程技術(shù)有限公司

前插4、5

北京中元瑞訊科技有限公司

前插6

南京科明自動(dòng)化設(shè)備有限公司

前插7

中國(guó)水電十一局鄭州科研設(shè)計(jì)有限公司

前插8

鄭州機(jī)械研究所

封三

北京木聯(lián)能工程科技有限公司

封底

Numerical Simulation of an Artificial Seepage Field of Groundwater

YAO Yiguang1, ZHANG Yun1, SUN Tie2, TANG Ning1, HE Guofeng1
(1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, Jiangsu, China;2. China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying Co., Ltd., Tianjin 300160, China)

Taking a proposed artificial seepage field in Binhai, Tianjin as study object, a hydrogeological solid conceptual model is set up with GMS7.1 based on the complete analysis and summary to geological and hydrogeological conditions of test area. Then a groundwater numerical model is set up by calling the MODFLOW module of GMS7.1 and is solved. The hydrogeologic parameters of test area are obtained and the groundwater flow field in test area is reproduced and predicted. The calculation results show that the hydrological parameters of artificial seepage field model established by GMS are accurate and consistent with actual situation in the field. At the same time, the reasonable amount and time of water pumping are further determined by using GMS, which provides a theoretical basis for the effective control of soil deformation caused by water pumping．

artificial seepage field; numerical simulation; GMS; soil deformation

2016-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41572250)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAJ09B04)

姚怡光(1991—),男,甘肅張掖人,碩士研究生,主要從事地面沉降的研究．

X143(221)

A

0559- 9342(2017)05- 0025- 05