基于Visual Modflow的拉萨贡嘎机场跑道地下水模拟

丁一聪,刘亚男,吴双红

(中国水利水电建设工程咨询贵阳有限公司,贵阳 550081)

0 引言

地下水具有稳定供水能力且水质优良,与人类生产生活密切相关[1]。同时,由地下水引起的渗透变形现象可能导致砂砾石土地基破坏、堤防工程破坏、松散堆积体边坡变形等事故[2-3]。地下水位变化也可能导致地基承载力不足或建筑物基础沉降过大以及对季节性地下水重视不够引起的工程事故屡见不鲜[4-8],但常规的探测方法难以预测大面积的渗流场,而数值模拟方便灵活,适用于各种复杂水文地质环境,在处理水动力学运移、水流模拟、溶质运移、反应运移、地下水位变化等模块均有良好效果[9]。束龙仓等[10]基于Modflow开发了Modflow-Gslib软件,选择常见的不确定性因素进行模拟,结果表明该软件能更加真实地刻画含水层参数变异性特征;张路等[11]运用GMS软件根据日喀则市区地下水开采现状与含水层系统结构特征,建立了二维地下水数值模型,模拟了2030年研究区地下水水位情况,为日喀则市水库兴建的必要性论证与备用水源地的建设提供依据;韩琳等[12]利用Visual Modflow软件建立了研究区数值模型,并将模型用于不同开采方案对地下水的影响,得出了预测结果,为合理开采地下水提供了依据;吴鑫等[13]基于Visual Modflow软件建立了三江平原数值模型,设置4种开采和降雨情景,对地下水流场进行预测,结果对地下水保护具有重要意义。本文利用Visual Modflow软件对拉萨贡嘎机场拟建跑道区域进行数值模拟计算,并分析在不同工况下地下水渗流场的变化及场区的渗透变形情况。

1 研究区概况

拉萨贡嘎机场地处“世界屋脊”之称的青藏高原南部,喜马拉雅山脉北侧地带,以高山和谷地为主,局部为小湖盆地,雅鲁藏布江近东西向横贯场区。机场位于雅鲁藏布江右岸河谷地带,海拔约3 570 m,属河流冲积堆积地貌。区内通常发育三级阶地,可见Ⅰ、Ⅱ两级,微地貌单元可分为雅江河漫滩、Ⅰ级阶地和Ⅱ级阶地。河漫滩仅高出河流常水位1～2 m,Ⅰ级阶地海拔3 565～3 575 m,Ⅱ级阶地海拔3 575～3 585 m,高出常水位10 m～15 m。南北两侧均为海拔4 500 m以上的高山,相对高差在1 000 m 以上。机场地处河漫滩区域,地下水资源十分丰富,主要为赋存于砂卵石层中的孔隙潜水,遍布整个场地,接受降雨垂直入渗补给、雅江河流侧向补给、管道及沟渠渗漏补给、冰雪融水补给以及北侧山体基岩裂隙水补给。在重力影响下,一部分地下水顺地势向场区东部渗流;另一部分在地势低洼处出露形成地表水后汇入雅鲁藏布江;还有一部分地下水被抽取储存作农业生活用水。

2 地下水数值模型

2.1 水文地质概念模型的建立

(1)水文地质条件概化。以机场现有跑道及拟建新跑道为核心,南侧山脊线为分水岭,以山脊线为隔水边界,雅江为给定水头边界,吉雄干渠为径流补给边界;降雨补给、蒸发、抽水井等为流量交换边界。研究区划分为100行×100列计算,每个单元格81.02 m长×69.17 m宽,模拟范围约31 km2。三维模型见图1。

图1 研究区边界条件及模拟范围

(2)水文地质参数分区。场区主要地层岩性为第四系耕土层、人工填土层以及第四系冲洪积粉土、圆砾和卵石。场地内含水介质主要为松散岩类孔隙水,根据富水性的强弱,可分为三类：富水性强的孔隙含水层包括圆砾和卵石;富水性中等包括粉土、粉砂;富水性差的包括粘粒含量较高的粉土、淤泥质粉土。在模拟中将地层从空间结构中分为三层,根据地质测绘、水文试验以及人类工程活动对水文地质参数的影响,在平面上将研究区分为六个区,如图2所示。

图2 模型分区(红色轮廓为机场跑道)

2.2 含水层参数

根据研究区实际水文地质情况以及已有资料等,结合图2所示含水层分区,设定模拟参数初始值如表1所示。

表1 含水层水文参数初始值

2.3 源汇项的处理

降雨入渗采用面状补给形式添加到第一层活动单元;河渠入渗补给在边界使用井流补给形式添加;蒸发以面状排泄形式作用于研究区;城镇生活用水抽水开采以抽水井(Well模块)添加到模型中;河流交换和排泄径流以河流边界和排泄边界形式添加[13]。

3 模型识别验证

为保证已建立模型的有效性,模型的识别验证是极为重要且必不可少的[12]。本文采用试估-校正法,对参数和某些源汇项进行反复修改调整,同时为了确保模型计算求解的唯一性,在模型调试过程中利用边界断面流量、抽水井开采量等各种定解条件来约束模型对原始场地的拟合,使建立的模型更加符合模拟区的水文地质条件,达到了较为理想的拟合结果。

根据研究区水位监测点的分布情况和钻孔深度,在第一含水层选择了11个观测点、第三含水层选择了6个观测点,点位具体分布情况见图3。

图3 监测孔点位平面布置

模型参数经过反复修改调整,得到的模拟数据与实测水位数据拟合曲线如图4所示,误差达到精度要求,大部分观测点水位拟合较好,说明该数值模型是可行的,计算结果可用于下一步的研究分析。

图4 场区观测孔拟合曲线

4 地下水动态预测

设置常水位工况及百年一遇洪水位工况,预测两种工况下场地的地下水水位,并根据水位计算场地的渗透变形,为之后的拟建跑道设计提供依据。

常水位工况在初始水位条件下模拟一个水文年的地下水渗流场;百年一遇工况将模拟时间定为一个月共30 d,模拟步骤划分为30个步骤(应力期),其中百年一遇洪水位模拟时间为第14 d至第18 d,第16 d为最高洪水位。

根据流域内气象站的降雨量资料,雅江流域降雨量常年低于400 mm,场区地下水来源主要为雅江补给,降雨量占比极少。百年一遇工况下雅江水位变化情况如图5所示。

图5 场区百年一遇洪水工况的雅江水位变化情况

按照工况设定,将模型所需各项添加到已识别验证的模型中,分别对研究区地下水位进行预测模拟,得到常水位工况地下水渗流场如图6-图8所示(枯水期→丰水期→枯水期),百年一遇洪水位工况如图9所示。

图6 场区2月份地下水渗流场(枯水期)

图7 场区8月份地下水渗流场(丰水期)

图8 场区12月份地下水渗流场(枯水期)

图9 场区百年一遇工况地下水渗流场(第16 d)

由常水位工况一个水文年渗流场图显示,场区在X19 500上游区域,主要受雅江的侧向补给;在X=19 500～21 000区域,地下水受南侧山体基岩裂隙水和冰雪融水补给;X=21 000～23 500区域,一部分地下水至西向东渗流,另一部分在枯水期至丰水期时,地下水从场区向雅江排泄转变为雅江向场区补给,丰水期至枯水期时,地下水转而补给雅江;X23 500区域,因东部下游区域城镇和农业生活用水影响,地下水逐渐向抽水区域偏转,与该地区实测地下水位相对较低情况相符合。百年一遇洪水工况渗流场渗流特征与常水位工况大体一致。

5 渗透变形分析

根据模拟出的渗流场,提取出场区地下水水位高程,如表2所示。

表2 场区地下水位高程统计 m

表3 场区水力比降统计

表4 防洪堤水力比降统计

图10 场区水力比降计算点位

场区主要地层有粉土、粉细砂、圆砾和卵石,填料主要为山体挖方区基岩开挖料,类似碎石土,根据室内筛分试验及现场筛分试验成果,场地内卵砾石和基岩填料不均匀系数Cu均>5,根据《堤防工程地质勘察规程》(SL 188-2005)附录D,对场区渗透变形进行分析判断,结果如表5所示。

表5 渗透变形判断结果

现有跑道和拟建跑道区域横纵水力比降为0.011%～0.146%,防洪堤区域水力比降稍大,为3.8%～4.6%,均远小于允许水力比降,场区地基和填料基本不会发生渗透变形。

6 结论

本文以拉萨贡嘎机场为核心区域,包含南侧广大山区为研究对象,根据研究区的水文地质条件确定数值模拟研究的范围,运用Visual Modflow建立了数值模型并对模型进行了边界概化及分区,以实测水位数据为基础,对该模型进行了识别与验证,确保了模型的可靠性和有效性。随后开展了两种不同工况下的水位预测数值模拟。

在模拟出的两种工况下的渗流场中,提取需要的地下水位数据用来计算场区的水力比降,通过对场区土类可能渗透破坏形式的分类,对比允许的水力比降,知晓该场区在两种工况下均不会发生渗透变形。