基于GMS的尚志市某区域地下水资源评价

郭　辉

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.吉林大学环境与资源学院，长春 750000)



基于GMS的尚志市某区域地下水资源评价

郭辉1、2

(1.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；2.吉林大学环境与资源学院，长春 750000)

摘要：工作区尚志市位于黑龙江省东南部蚂蚁河上游，是一座以地下水为主要供水水源的城市。近年来，由于城市人口增长，社会经济不断发展，需水量增加，加之工、农业、生活污水排放造成的水质恶化，工作区水资源问题越来越严重，城镇供水不足现象已有所显现。因此，文章对工作区地下水资源进行评价，提出水资源的可持续开发利用方案，以满足人口、资源、环境和经济社会协调发展的迫切要求。

关键词：蚂蚁河；GMS；地下水资源评价；数值模拟；永续开采

文章从工作区自然地理、社会经济、地质及水文地质条件出发，利用 GMS 软件建立三维地质结构模型，并根据模型对地层展示和分析；根据地质和水文地质条件建立水文地质概念模型和数学模型，运用 GMS软件进行地下水流数值模拟；利用水量均衡法计算地下水可开采量并评价开采潜力；利用数值模型对未来20 a的地下水位进行预测和分析。在上述基础上根据工作区具体情况制定出永续开采方案及地下水资源保护措施。

1自然地理概况

工作区位于黑龙江省东南部，尚志市西部，隶属黑龙江省尚志市管辖，是尚志市政府、市委所在地，集全市政治、经济、文化、信息为一体的综合城镇中心。西距黑龙江省会哈尔滨市120 多 km，东距国际滑雪场亚布力60 多 km，地理座标为E44°27′~45°36′，N127°17′~129°12′。全镇总人口111 414人。

尚志镇地处松花江流域蚂蜒河干流中游，地势较平坦，四周低山发育。西距黑龙江省会哈尔滨市145 km，绥满高速公路、滨绥铁路、方庄公路、301国道于境内纵横交错。本次工作区位于蚂蚁河干流长寿~河北村段，亮珠河、蚂蚁河以北，交通畅通。

2区域地质概况

2.1　地层

区内出露地层主要为新生界第三系和第四系，地层简表见表1。

表1　地层简表

各个时代的地层构造、结构及岩性特征由老至新分别为第三系(N)，第四系(Q)和侵入岩。

2.1.1第三系(N)

工作区内主要为中更新统~上更新统孙吴组(N1-2S)，广泛分布于工作区第四系地层之下，地表未见出露，主要岩性为灰蓝色、灰绿色、浅灰色、灰白色、棕红色砂砾岩、砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质泥岩等互层，厚度>200 m。

2.1.2第四系(Q)

工作区内第四系主要分布于波状台地、蚂蚁河一级阶地、蚂蚁河(高、低)漫滩区，主要包括中更新统冰水湖积层、冲积层，上更新统冲~洪积层、冰水洪积层，全新统冲积层。现由老到新分述如下：

2.1.2.1中更新统(Q2)

1)下荒山组冲积层(alQ21x)：分布于工作区西北部条带状台地下部，覆盖于第三系地层之上，为第四系上荒山组覆盖，厚度约为5 m~8 m。岩性为灰白色、灰色圆砾，分选差，级配不良，颗粒磨圆较好。

2)上荒山组冰水湖积层(fgl + lQ22s)：工作区分布于东、西部台地区，东部直接覆盖于第三系地层之上，西部覆盖于下荒山组冲积层(alQ21x)之上，其上由哈尔滨组(fgl+plQ32hr)所覆盖，厚度4 m~10 m，揭露岩性为灰色、浅灰色粉质黏土。

2.1.2.2上更新统(Q3)

1)哈尔滨组冰水洪积层(fgl + plQ32hr)：广泛分布于工作区波状台地上部，厚度变化大，约为3~18 m 。揭露岩性为黄色、浅黄色、黄褐色粉质黏土，可见断续状、柱状节理。

2)顾乡屯组冲洪积层(al + plQ33g)：分布于工作区蚂蚁河一级阶地区，伏于前第四系地层之上，厚度为15~21 m不等。揭露岩性主要为：上部为灰黄色、黄色粉质黏土，厚度<4 m，下部为浅灰色、灰色砂砾、圆砾等，局部地段夹有灰色粉质黏土透镜体，颗粒分选较好，级配一般，磨园较差。

2.1.2.3全新统(Q4)

1)高漫滩冲积层(alQ41)：分布于工作区蚂蚁河高漫滩区，覆盖于前第四系地层之上，厚度约为12~20 m。揭露岩性上部黄色、褐黄色粉质黏土，厚度一般<2.0m，下部为黄褐色、黄色、灰黄色、灰色砾砂、圆砾等，局部包含黄色、灰色粉质黏土透镜体，颗粒分选一般，级配较好，磨园较好。

2)现代河、床及低漫滩、冲积层(alQ42)：分布于工作区蚂蚁河低漫滩区，覆于蚂蚁河高漫滩冲积层(alQ41)之上，厚度约为4~10 m。揭露岩性上部为黄色、黄褐色粉质黏土，厚度一般<1.0 m，下部为黄褐色、黄色、浅黄色砾砂，灰色、灰白色圆砾等，颗粒分选良好，级配较差，颗粒磨圆度较好。

2.1.3侵入岩

工作区内东北部和西南部残丘有华力西晚期侵入岩(γ43)出露，岩性主要为花岗岩。

2.2　三维地层结构模型的建立

为了能够实现对地层的“即时对照、全方位视角、多角度剖切”[1]。文章利用GMS软件中 Borehole(钻孔)和Solid(实体)等模块构建了三维地层结构[2-3]，见图1、2。

图1部分钻孔数据展示图图2部分钻孔数据展示图

3区域水文地质概况

3.1　地下水的形成条件及分布规律

工作区地下水受地形地貌影响，以地形地貌为势，从残丘到山前台地、阶地区、漫滩区、河床区运移，地下水由埋藏条件复杂、分布不均、水量溃乏到埋藏条件简单、分布稳定、富水 性较强变化。

3.2　地下水类型及含水层特征

对区内的具有供水意义的地下水进行区域划分为: 第四系蚂蚁河漫滩区松散岩类孔隙潜水，第四系蚂蚁河一级阶地区松散岩类孔隙潜水~弱承压水和第四系山前波状台地区松散岩类孔隙承压水3大类型。

3.3　地下水的补给、迳流及排泄条件

受气象、水文条件限制，地形、岩性等因素影响区内地下水的迁移转化呈现以下主要特征。在蚂蚁河阶地、亮珠河漫滩、蚂蚁河河漫滩区大气降水补给、山前台地的地下水侧向迳流补给、农田灌溉水回灌入渗补给及丰水期地表水(河道径流)补给为地下水补给来源。西北部波状台地区侧向迳流补给是主要的补给来源。

区内地下水迳流条件方向基本从西北、西南流向中东南部，最后汇入亮珠河、蚂蚁河。蚂蚁河阶地、蚂蚁河漫滩区地下水迳流条件较好，水力坡降为0.002~0.003左右；区内地下水的主要排泄方式是潜水蒸发、人工开采和侧向迳流排泄于河流之中，由于大面积种植水田，灌溉季节地下水量人工开采较大。西北部条带状波状台地区地下水迳流较缓慢，水力坡降0.001左右；地下水排泄方式主要为以侧向迳流排泄于阶地区、人工开采、蒸发。

3.4　地下水动态变化规律

水位观测是查明地下水迁移转化的主要方法，工作区自2009年10月16日—2010年10月11日对12个水位动态观测孔，进行观测，每5 d观测一次，见图3、图4。

图3低漫滩水位动态变化曲线图4代表性水位动态历时曲线

从上面的历时曲线(图3、图4)及区内1962~2011年降雨、蒸发月平均图(图5、图6)可以得出以下结论：地下水动态主要受地层岩性、地貌特征及水文、气象因素控制。地下水水力坡度由台地至漫滩递减，地下水埋深由漫滩至台地递增。区内的浅层地下水动态特征是由循环条件、浅层水流场决定的，其动态类型基本属于1降水入渗—蒸发—径流型、2降水入渗—径流型、3径流型。

图51962—2011年月平均降水量图61962—2011年月平均蒸发量

4地下水数值模拟

根据实际要求，结合勘察区地质条件、水文地质条件，将工作区通过概化水文地质概念模型、建立数学模型、地下水流数值模拟模型，对工作区地下水资源进行评价及预测。

4.1　水文地质概念模型

区内位于蚂蚁河干流中游冲、洪积平原上。潜水含水层西、北部边界为侵入岩基岩区，依据地下水流场图，利用达西定律求出流入量，将其化为已知流量的二类边界；潜水含水层东南部边界为亮珠河、蚂蚁河，概化为一类边界。模型顶部为潜水面边界，主要接受大气降水、农田灌溉水回灌补给，同时以垂直蒸发的形式排泄；模型底部为相对隔水的泥岩、砂岩基岩，底部概化为不透水边界。根据质量守恒定律、能量守恒定律及达西定律，本次研究可将区内水文地质概念模型概化为非均质各向同性的三维非稳定流模型[4]。

4.2　地下水流数值模拟模型建立

本次数值模型的求解采用地下水模拟系统(GMS)。模型由三维地质模型结合水文地质条件转化而来，在垂向上按含水层概化为9层：(1)第四系低漫滩区黏性土层①；(2)第四系低漫滩区砂、砂砾石层⑤；(3)第四系高漫滩区黏性土层②；(4)第四系高漫滩区砂、砂砾石层⑥；(5)第四系一级阶地区黏性土层③；(6)第四系一级阶地区砂、砂砾石层⑦；(7)第四系台地区黏性土层④；(8)第四系台地区砂、砂砾石层⑧；(9)第三系地层、华力西晚期侵入岩，包括泥岩、砂岩层、花岗岩层⑨。平面上采用矩形网格剖分，网格长9440 m，宽8420 m，面积23.5 km2。水位统测时间为2009年10月16日—2010年10月16日，识别期(2009年10月16日—2010年4月14日)共分为36个时段，验证期(2010年4月14日—2010年10月16日)分为37个时段。

根据含水层特征对渗透系数参考工作区已有研究成果给出，部分参数参照《水文地质手册》中的经验值[5]。将区域内有实际供水意义的含水层水文地质参数均分为6个区，分区界线及各分区参数初值表1。

表1　渗透系数与给水度初始值

本次模型模拟以2009年10月16日为地下水初始流场，见图7。

图7　2009年10月16日初始流场图

区内识别阶段各源汇项的计算值见表2。

表2　源汇项水量表　104m3/a

对于以上各源汇项的处理，主要包括以面状的形式补给地下水系统及以点的形式补给地下水系统，这两类源汇项的量均分配在活动单元格上参与计算。利用GMS软件系统中模块来处理以面状的形式补给地下水系统时，可以把模拟期内各个时段的补给强度赋值到对应区，赋值时补给强度流入为正、流出为负。

4.3.3模型的识别

采取12 个观测点就模型识别阶段各参数进行调整，对地下水流场进行拟合 ，利用 GMS软件系统 中 PEST 模块进行水文地质参数反演，使模拟模型取得了最佳的计算结果，区内实测水位与计算水位的拟合效果在整体上也达到了最优状态，地下水流场呈现一致的趋势(图8、图9)。这说明模拟模型建造是合理的，对区内含水层结构、边界条件的概化及水文地质参数的选取也是合理的，模拟模型能够比较真实的反映计算区含水层特征[6]。其结果如表3所示。

表3　水文地质参数识别结果

图82010年1月16日地下水流场图图92010年4月14日地下水流场等水位线图

4.3.4模型验证

选取2010年4月14日到2010年10月16日为验证期，分为37个时段，运行178 d。型验证阶段选取2010年4月14日的流场(图7)作为初始流场，验证期观测孔水位拟合曲线(图10~图17)。

图104#1水位拟合曲线图115#11水位拟合曲线

图12　6zk2水位拟合曲线　　　　　　　　　　图13　7 zk3-4水位拟合曲线

图14　8 zk3水位拟合曲线　　　　　　　图15　9 zk6下水位拟合曲线

图16　10 zk8水位拟合曲线 　　　　　　图17　11 zk9水位拟合曲线

4.4　地下水均衡计算

根据校正后的模型，计算模拟期间(2009年10月16日—2010年10月16日)内整个水文年的地下水资源量水均衡情况。模拟期水均衡统计计算结果见表4。

表4　模拟期水均衡统计计算结果表

根据表4模拟期水资源量均衡分析，模拟期工作区内地下水系统总补给量为325.50×104m3/a，总排泄量为344.29×104m3，为负均衡。

5地下水资源预报

5.1　模型的预报

预测期从2010年开始，到2030年结束，分为240个时间段，每个时间段为30 d。

利用时间序列模型，对各区内内的降水量观测站 1962—2011年以来50 a的年降水量进行模拟预报，模型达到要求的精度，可以用来预测[7-8]。预报结果见表5。同理，应用该模型对区内内未来20 a蒸发量进行预报，预报结果见表5。

表5　降雨量、蒸发量预测统计表　mm/a

统计2001—2011 年尚志镇地下水的开发利用情况，对尚志镇未来15 a地下水开采量进行预报：保持现状按年增长率2%开采布局，考虑2008年以后新修水利工程以及农业用水以利用地表水为主，则2015—2030年间开采量从200 万 m3/a增长到297 万 m3/a。

5.2　模拟预报结果及流场变化分析

按照以上拟定的条件进行模拟预测，得到2015、2030年地下水流场图(见图18、图19)，并与初始流场进行对比，可知：

图182015预测地下水位流场图图192030预测地下水位流场图

预测结果表明：工作区地下水蚂蚁河漫滩及阶地区潜水和山前台地区承压水流场的地下水流动方向未发生明显的改变，但蚂蚁河漫滩区、山前台地区、蚂蚁河阶地区地下水水位整体呈下降趋势：在开采量较大的长河、政安村的居民生活区最大降幅达2 m以上。因受补给条件、含水层渗透性影响，在开采量较大的老于家村屯附近，山前台地和一级阶地区承压水水位发生变化，水位下降值相对较大，降幅达1.0～3.0 m。 根据近年来(2008年10月—2011年9月)区内多年平均地下水位基本能够保持微平衡或水位变幅不明显(年变幅1.0~2.5 m)。

6结论与建议

1)明确了区内地质及水文地质条件，利用GMS软件系统建立了三维地质结构模型，查明了区内含水层分布特征。区内以潜水含水层为主，主要包括蚂蚁河一级阶地、河漫滩，主要岩性为第四系全新统、上更新统的砂、园砾。弱承压水主要分布与山前台地区，主要岩性为第四系中更新统的砂、园砾。根据根据地下水水位动态资料分析：潜水主要受大气降水补给、河流侧向补给、区内农田灌溉会灌补给。排泄主要以蒸发、人工开采为主。弱承压水主要降水与侧向径流补给；排泄以人工开采、蒸发为主。

2)建立了地下水数值模拟模型，利用多年实测资料对模型进行识别、验证。识别和验证效果良好。因此可以作为地下水水流预报模型。选用2009年10月16日区内地下水年资料作为初始水位，对区内2011年—2030年12月的流场进行预测，预测结果表明：保持目前的开采逐增状况，区内潜水和弱承压水的地下水位都出现逐年下降，并有扩大趋势，潜水位较弱承压水位下降明显，尤其是在阶地与高漫滩地区居民区人工开采区，地下水水位降幅较大，最大年降幅20 cm以上；台地区人工开采区弱承压水亦有下降。低漫滩区地下水位受蚂蚁河河水维影响，降幅不大。

3)GMS在地下水资源评价中能够灵活处理地质建模、水文参数处理、参数演算、预报等方面的水文地质问题，是地下水资源评价的必要工具。

参考文献：

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[3]孙俊静，姜龙.地下水模拟系统(GMS)软件的应用研究——生成钻孔剖面图[J].企业导报，2012(06)：286.

[4]杨青春，卢文喜，马洪云.VisualModflow在吉林省西部地下水数值模拟中的应用[J].水文地质工程，2005，32(03):67-69.

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[7]刘婷婷，李月瑶.时间序列均生函数模型在降水量预测中的应用[J].吉林水利，2013(04):32-34.

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Evaluation of Groundwater Resources in Shangzhi City based on GMS

GUO Hui1、2

(1.Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power

Investigation,Design and Research Institute，Haerbin 150080，China；2.Environment and

Resources Institute Jilin University，Changchun 750000，China)

Abstract：The study aera，Shangzhi City，is located on upstream of the Mayi River in the southeast of Heilongjiang Province，is a city taking groundwater as the major water supply source.In recent years，due to population growth，economic development，water demant increasement，adding to water quality deterioration in virtue to industrial，agricultural sewage and sanitary waste，the problem about water resources in study area is getting more and more serious，and water supply for cities and towns has been appeared.Therefore，the paper is to evaluate the groundwater resources in study area and provide sustainable use scheme of water resources so as to meet the development demands for population，resources，environment and economic society.

Key words：Mayi River；GMS；evaluation of groundwater resources；numerical simulation；sustainable exploration

[作者简介]郭辉(1985-)，男，甘肃会宁人，工程师，研究方向为地质工程。

[收稿日期]2015-06-28

中图分类号：TV213.4

文献标识码：B

文章编号：1007-7596(2015)08-0016-07