基于Visual Modflow的拉薩貢嘎機場跑道地下水模擬

丁一聰,劉亞男,吳雙紅

(中國水利水電建設工程咨詢貴陽有限公司,貴陽 550081)

0 引言

地下水具有穩(wěn)定供水能力且水質優(yōu)良,與人類生產生活密切相關[1]。同時,由地下水引起的滲透變形現(xiàn)象可能導致砂礫石土地基破壞、堤防工程破壞、松散堆積體邊坡變形等事故[2-3]。地下水位變化也可能導致地基承載力不足或建筑物基礎沉降過大以及對季節(jié)性地下水重視不夠引起的工程事故屢見不鮮[4-8],但常規(guī)的探測方法難以預測大面積的滲流場,而數(shù)值模擬方便靈活,適用于各種復雜水文地質環(huán)境,在處理水動力學運移、水流模擬、溶質運移、反應運移、地下水位變化等模塊均有良好效果[9]。束龍倉等[10]基于Modflow開發(fā)了Modflow-Gslib軟件,選擇常見的不確定性因素進行模擬,結果表明該軟件能更加真實地刻畫含水層參數(shù)變異性特征;張路等[11]運用GMS軟件根據(jù)日喀則市區(qū)地下水開采現(xiàn)狀與含水層系統(tǒng)結構特征,建立了二維地下水數(shù)值模型,模擬了2030年研究區(qū)地下水水位情況,為日喀則市水庫興建的必要性論證與備用水源地的建設提供依據(jù);韓琳等[12]利用Visual Modflow軟件建立了研究區(qū)數(shù)值模型,并將模型用于不同開采方案對地下水的影響,得出了預測結果,為合理開采地下水提供了依據(jù);吳鑫等[13]基于Visual Modflow軟件建立了三江平原數(shù)值模型,設置4種開采和降雨情景,對地下水流場進行預測,結果對地下水保護具有重要意義。本文利用Visual Modflow軟件對拉薩貢嘎機場擬建跑道區(qū)域進行數(shù)值模擬計算,并分析在不同工況下地下水滲流場的變化及場區(qū)的滲透變形情況。

1 研究區(qū)概況

拉薩貢嘎機場地處“世界屋脊”之稱的青藏高原南部,喜馬拉雅山脈北側地帶,以高山和谷地為主,局部為小湖盆地,雅魯藏布江近東西向橫貫場區(qū)。機場位于雅魯藏布江右岸河谷地帶,海拔約3 570 m,屬河流沖積堆積地貌。區(qū)內通常發(fā)育三級階地,可見Ⅰ、Ⅱ兩級,微地貌單元可分為雅江河漫灘、Ⅰ級階地和Ⅱ級階地。河漫灘僅高出河流常水位1～2 m,Ⅰ級階地海拔3 565～3 575 m,Ⅱ級階地海拔3 575～3 585 m,高出常水位10 m～15 m。南北兩側均為海拔4 500 m以上的高山,相對高差在1 000 m 以上。機場地處河漫灘區(qū)域,地下水資源十分豐富,主要為賦存于砂卵石層中的孔隙潛水,遍布整個場地,接受降雨垂直入滲補給、雅江河流側向補給、管道及溝渠滲漏補給、冰雪融水補給以及北側山體基巖裂隙水補給。在重力影響下,一部分地下水順地勢向場區(qū)東部滲流;另一部分在地勢低洼處出露形成地表水后匯入雅魯藏布江;還有一部分地下水被抽取儲存作農業(yè)生活用水。

2 地下水數(shù)值模型

2.1 水文地質概念模型的建立

(1)水文地質條件概化。以機場現(xiàn)有跑道及擬建新跑道為核心,南側山脊線為分水嶺,以山脊線為隔水邊界,雅江為給定水頭邊界,吉雄干渠為徑流補給邊界;降雨補給、蒸發(fā)、抽水井等為流量交換邊界。研究區(qū)劃分為100行×100列計算,每個單元格81.02 m長×69.17 m寬,模擬范圍約31 km2。三維模型見圖1。

圖1 研究區(qū)邊界條件及模擬范圍

(2)水文地質參數(shù)分區(qū)。場區(qū)主要地層巖性為第四系耕土層、人工填土層以及第四系沖洪積粉土、圓礫和卵石。場地內含水介質主要為松散巖類孔隙水,根據(jù)富水性的強弱,可分為三類：富水性強的孔隙含水層包括圓礫和卵石;富水性中等包括粉土、粉砂;富水性差的包括粘粒含量較高的粉土、淤泥質粉土。在模擬中將地層從空間結構中分為三層,根據(jù)地質測繪、水文試驗以及人類工程活動對水文地質參數(shù)的影響,在平面上將研究區(qū)分為六個區(qū),如圖2所示。

圖2 模型分區(qū)(紅色輪廓為機場跑道)

2.2 含水層參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)實際水文地質情況以及已有資料等,結合圖2所示含水層分區(qū),設定模擬參數(shù)初始值如表1所示。

表1 含水層水文參數(shù)初始值

2.3 源匯項的處理

降雨入滲采用面狀補給形式添加到第一層活動單元;河渠入滲補給在邊界使用井流補給形式添加;蒸發(fā)以面狀排泄形式作用于研究區(qū);城鎮(zhèn)生活用水抽水開采以抽水井(Well模塊)添加到模型中;河流交換和排泄徑流以河流邊界和排泄邊界形式添加[13]。

3 模型識別驗證

為保證已建立模型的有效性,模型的識別驗證是極為重要且必不可少的[12]。本文采用試估-校正法,對參數(shù)和某些源匯項進行反復修改調整,同時為了確保模型計算求解的唯一性,在模型調試過程中利用邊界斷面流量、抽水井開采量等各種定解條件來約束模型對原始場地的擬合,使建立的模型更加符合模擬區(qū)的水文地質條件,達到了較為理想的擬合結果。

根據(jù)研究區(qū)水位監(jiān)測點的分布情況和鉆孔深度,在第一含水層選擇了11個觀測點、第三含水層選擇了6個觀測點,點位具體分布情況見圖3。

圖3 監(jiān)測孔點位平面布置

模型參數(shù)經過反復修改調整,得到的模擬數(shù)據(jù)與實測水位數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示,誤差達到精度要求,大部分觀測點水位擬合較好,說明該數(shù)值模型是可行的,計算結果可用于下一步的研究分析。

圖4 場區(qū)觀測孔擬合曲線

4 地下水動態(tài)預測

設置常水位工況及百年一遇洪水位工況,預測兩種工況下場地的地下水水位,并根據(jù)水位計算場地的滲透變形,為之后的擬建跑道設計提供依據(jù)。

常水位工況在初始水位條件下模擬一個水文年的地下水滲流場;百年一遇工況將模擬時間定為一個月共30 d,模擬步驟劃分為30個步驟(應力期),其中百年一遇洪水位模擬時間為第14 d至第18 d,第16 d為最高洪水位。

根據(jù)流域內氣象站的降雨量資料,雅江流域降雨量常年低于400 mm,場區(qū)地下水來源主要為雅江補給,降雨量占比極少。百年一遇工況下雅江水位變化情況如圖5所示。

圖5 場區(qū)百年一遇洪水工況的雅江水位變化情況

按照工況設定,將模型所需各項添加到已識別驗證的模型中,分別對研究區(qū)地下水位進行預測模擬,得到常水位工況地下水滲流場如圖6-圖8所示(枯水期→豐水期→枯水期),百年一遇洪水位工況如圖9所示。

圖6 場區(qū)2月份地下水滲流場(枯水期)

圖7 場區(qū)8月份地下水滲流場(豐水期)

圖8 場區(qū)12月份地下水滲流場(枯水期)

圖9 場區(qū)百年一遇工況地下水滲流場(第16 d)

由常水位工況一個水文年滲流場圖顯示,場區(qū)在X19 500上游區(qū)域,主要受雅江的側向補給;在X=19 500～21 000區(qū)域,地下水受南側山體基巖裂隙水和冰雪融水補給;X=21 000～23 500區(qū)域,一部分地下水至西向東滲流,另一部分在枯水期至豐水期時,地下水從場區(qū)向雅江排泄轉變?yōu)檠沤驁鰠^(qū)補給,豐水期至枯水期時,地下水轉而補給雅江;X23 500區(qū)域,因東部下游區(qū)域城鎮(zhèn)和農業(yè)生活用水影響,地下水逐漸向抽水區(qū)域偏轉,與該地區(qū)實測地下水位相對較低情況相符合。百年一遇洪水工況滲流場滲流特征與常水位工況大體一致。

5 滲透變形分析

根據(jù)模擬出的滲流場,提取出場區(qū)地下水水位高程,如表2所示。

表2 場區(qū)地下水位高程統(tǒng)計 m

表3 場區(qū)水力比降統(tǒng)計

表4 防洪堤水力比降統(tǒng)計

圖10 場區(qū)水力比降計算點位

場區(qū)主要地層有粉土、粉細砂、圓礫和卵石,填料主要為山體挖方區(qū)基巖開挖料,類似碎石土,根據(jù)室內篩分試驗及現(xiàn)場篩分試驗成果,場地內卵礫石和基巖填料不均勻系數(shù)Cu均>5,根據(jù)《堤防工程地質勘察規(guī)程》(SL 188-2005)附錄D,對場區(qū)滲透變形進行分析判斷,結果如表5所示。

表5 滲透變形判斷結果

現(xiàn)有跑道和擬建跑道區(qū)域橫縱水力比降為0.011%～0.146%,防洪堤區(qū)域水力比降稍大,為3.8%～4.6%,均遠小于允許水力比降,場區(qū)地基和填料基本不會發(fā)生滲透變形。

6 結論

本文以拉薩貢嘎機場為核心區(qū)域,包含南側廣大山區(qū)為研究對象,根據(jù)研究區(qū)的水文地質條件確定數(shù)值模擬研究的范圍,運用Visual Modflow建立了數(shù)值模型并對模型進行了邊界概化及分區(qū),以實測水位數(shù)據(jù)為基礎,對該模型進行了識別與驗證,確保了模型的可靠性和有效性。隨后開展了兩種不同工況下的水位預測數(shù)值模擬。

在模擬出的兩種工況下的滲流場中,提取需要的地下水位數(shù)據(jù)用來計算場區(qū)的水力比降,通過對場區(qū)土類可能滲透破壞形式的分類,對比允許的水力比降,知曉該場區(qū)在兩種工況下均不會發(fā)生滲透變形。