GMS在地下水数值模拟及断层处理中的应用:以盖孜河水源地为例

梁世川，徐 明，王 磊，秦 覃，封丽华

(1.新疆维吾尔自治区地质环境监测院(地质灾害应急中心)，新疆 乌鲁木齐830000;2.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐830047)

地下水的赋存及资源量的大小受多方面因素的综合影响，如构造、地层岩性、结构、厚度等，在断裂构造存在的地区，地下流表现为不连续性和各向异性特征，运动规律也变得复杂，距离断层越近，流场受断层的影响就越明显，随着离断层距离的增大，影响效应逐步减弱。断层表现出的导水或阻水特征，取决于断层的性质、渗透率与周围介质渗透率的关系。分析构造条件，研究模拟断层对地下水资源的分布的影响，对确定地下水时空分布规律，选取水源地，开采方案等具有重大意义。

GMS(Groundwater Modeling System)是目前国际上流行的地下水模拟软件，可用来模拟饱和、非饱和流环境下的地下水流和溶质运移等问题。运用GMS对盖孜河水源地地下水流进行数值模拟，在此过程中，采用MODFLOW下的barrier障碍边界处理断层，通过分析研究区内断层特性及其分布规律，将它作为模型内部第二类边界条件(隔水或弱透水边界)输入模型，进行模型检验、运行及校正，从而得到了与实际情况相符的地下水流数值模型。

1 研究区概况

1.1 基本情况

盖孜河水源地(研究区)地处塔里木盆地西缘(喀什噶尔平原西部)，南北长约36 km，东西宽约36 km，控制面积1296 km2。属典型的暖温带大陆性干旱气候，多年平均气温12.0℃，多年平均降水量66.1 mm，多年平均蒸发量2306.1 mm，区内主要河流为盖孜河。

1.2 构造特征

研究区属于南天山及西昆仑两大褶皱带之间的坳陷地带，区内构造与新构造发育，其以升降运动为主并伴随挤压作用，在北部的库马塔格隆起与南部西昆仑山前带隆起，形成了区内的新生代向斜褶皱凹陷，地层发生了强烈的褶皱和断裂，从而形成四排轴向为NW—SE基本平行的背斜隆起、向斜凹陷，并伴生一些大致平行的NW—SE向的高角度逆断层，控制着区内总体地貌，见图1。

1.3 水文地质概况

根据含水层分布及水力特征，区内松散岩类孔隙水可划分为潜水、中层承压水和深层承压水。潜水的补给主要来源是降水入渗、渠道渗漏、灌溉回渗、回归入渗、河流入渗和侧向补给，排泄主要是人工开采和蒸发排泄，其次是排碱渠和侧向流出。承压水的补给主要来源是侧向补给，人工开采是承压水的主要排泄方式，潜水与承压水含水岩组通过弱透水层存在越流补排关系。

2 水文地质条件分析

2.1 水文地质条件概况

研究区南部山前到中部地区为单一潜水含水层，颗粒由上游向下游逐渐变细，厚度为50～450m不等，其中南部盖孜河大桥隐伏断裂(F5)以南，盖孜河河谷三角区域含水层厚度为50m。北部山前到中部地区，上层为潜水层，厚度25～90m，向下为2层承压水层(局部地段为1层承压水层，见图2)，其间由亚砂土、亚粘土弱透水层隔开，第一承压水层厚几米到几十米不等，第二层承压含水层厚度几米－一百多米不等，各研究区含水层岩性无粉土细土层等，渗透系数相对较大。根据模拟软件对地层连续性的要求，在模拟中垂向上将研究区地下水系统概化为潜水、2个承压水含水层和2个隔水层的五层结构，组成地下水渗流场。

2.2 断层对地下水的影响

由构造、水文地质资料分析显示，断层两侧地下水水位分布不连续，存在明显的“跌水”现象，如乌帕尔西断裂F1及盖孜河大桥断裂F5两侧，地下水水位不连续，断层两侧“跌水”水位落差达60～150m。

为准确进行数值模拟模型的建模和计算，从断层的分布规律、形成条件、水力性质等特征出发，并结合地下水位长观及障碍系数经验值综合分析，在不影响计算精度的前提下，表1列出了各断层性质及其在计算中采用的水力参数。

表1 计算模型中断层的性质及水力参数

2.3 边界条件概化

根据研究区的地质、水文地质条件等，确定计算区边界的位置和性质。对研究区边界进行概化，概化为定流量边界、流线边界(零流量边界)以及模型内部的断层作为第二类边界条件(隔水或弱透水边界)。在垂向上模型的上边界为潜水水面，接受河流入渗、渠系水渗漏、降雨入渗及田间灌溉水回渗补给;以潜水浅埋区蒸发和人工开采来排泄;下边界根据第四系厚度的大小，盖孜河大桥断裂(F5)以南，盖孜河两侧的三角区域取50m处的界面为下边界，北部山前区80～100m处的界面为下边界，其余地区取深度250m处的界面。见图2。

3 地下水流数值模拟

3.1 初始模型的建立

模拟中首先将研究区采用矩形网格剖分为5184个单元(各层的剖分方法完全相同，部分定义为无效单元)。根据水文地质条件，按渗透系数、贮水系数(或给水度)的差异性将1、4、5层参数划分为30个区，2、3层分为39个区，每个区具有不同的水文地质参数。

利用GMS与 ARCGIS属性数据相容的这一特点，将ARCGIS属性数据(shp文件)导入GMS的map模块中，水文地质参数利用Layer处理，地下水的补给排泄项通过MAP下的 wells、Recharge、specified flow、ET 等模块处理，各量的取值均为统计、实测数据。利用map模块与MODFLOW模块建立水文地质初始模型(见图3)。

3.2 断层障碍边界的输入

根据本次研究剖分结果，墙体的厚度(Thickness)相对于网格单元(Cell)水平方向的边长是足够小的以至于可被忽略，其符合水平流障碍边界设计的关键假设。利用这一假设，模型中中将断层简化为一线状，从而不必通过加密网格的方法来进行模拟，提高了模型计算效率。

在初始模型中对断层进行输入定义，打开GMS工程文件(gpr文件)，建立新的New Coverage数据，选择Sources/Sinks/BC type下的barrier，设定其垂向作用范围。点击输入菜单，选择ARCGIS属性下的shp断层文件，将ARCGIS属性数据导入map模块，对断层线进行障碍边界条件输入，输入条件包括边界编码、类型及障碍系数(Hyd.char.)等。通过障碍边界定义，完成了所有条件的定义输入和模型的建立，进入模型检验运行校正阶段。

图3 map模块下的初始模型

3.3 模型的检验、运行及校正

对所建立的模型进行检验无误后开始运行，同时为了证明其对模拟对象的模拟是正确的，是具有一定的精度的，必须进行模型的校正，校正就是一个不断试算的过程，通过不断地对参数(主要是渗透系数和给水度)进行一定的调整，重复计算来提高模拟精度，并不断把模型中计算的地下水流场与实际的地下水流场进行比较。

为验证地下水系统数值模拟结果的正确性，从研究区长观孔中选取14个用于本次校正研究。将14个长观孔的第365天的观测水位与模型计算水位对比，得到计算值与观测值耦合情况良好(见图4)。

图4 模型计算值与实测值的对比

同时，在校正过程中，将观测点计算结果与观测结果的差控制在置信度为95%的条件下，计算值和观测值误差的极差在0.5m的范围之内。校核目标在试算后每一个点上将会显示中点为观测值，上端为观测值加上极差，下端为观测值减去下极差，如果表示观测值与计算值的条形显示在校核置信范围，则条形显示为绿色，如果超出置信区间范围但小于200%，则呈橙色，大于200%则呈红色。

经过验证，由校正拟合情况图5可以得出，观测值和计算值的拟合情况良好，除了左侧2个观测孔呈橙色为较好点，其它的观测孔均为绿色，即表示观测点计算值在预测误差范围内，且地下水的流场与调查、收集的水位资料形成的流场大致相同，模拟的断层两侧地下水水位显示为不连续，模型中“跌水”存在且与实际相符，模型基本可以用来模拟研究区的地下水流情况，同时也模拟了断层对地下水所产生的“跌水”现象。

4 结语

(1)ARCGIS属性文件与 GMS有很好的接口，可以将ARCGIS属性数据与GMS软件中MAP模块相互转换，再采用MAP模块来建立水文地质初始模型，使模型的建立过程直观，且易于操作实现。

图5 校正后的地下水流场图

(2)应用GMS中MODFLOW模块下的barrier障碍边界条件模拟断层，可改善有限差分法在断层处理方面的缺陷，提高有限差分方法对有断层分布地区的实用性，大大减少了网格划分密度，从而提高了模型的计算效率。

(3)研究区地下水受断层的影响显著，断层近南北向贯穿整个研究区，断层两侧地下水水力联系较小，形成“跌水”现象，通过实际模拟校正计算结果，模型计算流场与实际流场吻合情况良好，模型基本可以用来模拟研究区的复杂的构造影响下的地下水流情况。

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