李玉子,張 偉,汪 嘯,吳慶華
(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室,湖北 武漢 430010)
近年來,隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展,城市建設(shè)活動不斷進行,對武漢城市地下水動態(tài)產(chǎn)生了很大的影響,由此帶來了地下水降落漏斗和地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題[1]。地下水水位變化是研究地下水動態(tài)和流場最直觀的方式[2]。陶虹等結(jié)合地下水開采條件分析了關(guān)中城市群多年水位動態(tài)變化特征及影響因素[3];張士杰等通過對邯鄲市平原區(qū)1980—2016年淺層地下水實測水位數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,研究其地下水時空變化特征及成因[4];高偉等對深圳市前海地區(qū)2015~2019年地下水位動態(tài)特征及影響因素進行分析,并建立了該區(qū)地下水位預(yù)測模型[5]。研究區(qū)的地下水賦存主要為第四系孔隙承壓水[6],由于該區(qū)地下水動態(tài)變化特征及其影響因素的研究成果尚未有公開報道,本文主要根據(jù)研究區(qū)2015~2019年具有代表性的地下水位連續(xù)監(jiān)測資料對研究區(qū)孔隙承壓水水位動態(tài)特征及其影響因素進行分析,并建立合理的研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型進行預(yù)報,為該區(qū)域地下水保護和可持續(xù)利用提供科學(xué)的管理依據(jù)。
研究區(qū)位于武漢市江岸區(qū),處于九萬方路以東,黃孝河路以西,武漢大道以南,江大路以北,包括長江科學(xué)院九萬方科研基地、周邊多個居民區(qū)等(詳見圖1)。
圖1 研究區(qū)地理位置及監(jiān)測井布置圖
研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤性東南季風(fēng)區(qū),降水充沛,豐水期4-9月,枯水期1-3月和10-12月。區(qū)內(nèi)無河流、水塘、泉等。地層屬于上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)(見圖2),上層為粉土、粉質(zhì)粘土;下層主要為粉細(xì)砂。地下水主要為孔隙承壓水,賦存于下層的粉細(xì)砂層。粉細(xì)砂承壓含水層頂板變化規(guī)律是:東南方向和中部埋深較淺,往西北方向埋深逐漸增加。
圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面示意圖
研究區(qū)承壓含水層的主要補給來源為周邊承壓含水層的側(cè)向徑流補給,不能直接接受大氣降水補給。排泄主要為人工開采和向周邊含水層徑流排泄。
研究區(qū)自2013年以來,周邊有工程施工運行,西北方向的工程在2013-2014年間進行了較長時間的大降深工程降水,導(dǎo)致地下水位大幅度下降,地面沉降較大,有多處地裂縫,且建筑物產(chǎn)生了不均勻沉降的現(xiàn)象(見圖3)。為了探究研究區(qū)地下水位變化規(guī)律和變化趨勢,自2014年以來布設(shè)了8口地下水監(jiān)測井(如圖1,分別編號為W01-W08),井深30 m,均為承壓非完整井,用于監(jiān)測地下水位動態(tài)變化。
圖3 研究區(qū)建筑物不均勻沉降、墻體開裂現(xiàn)場圖
在各種有關(guān)因素的影響下,地下水的水位、水量、水質(zhì)隨時間作有規(guī)律的變化,便是地下水動態(tài)[7]。研究區(qū)地下水動態(tài)類型為滲入-徑流型。
2.1.1 時間變化特征
研究區(qū)地下水位總體呈逐年上升趨勢,水位季節(jié)性變化比較明顯,有周期性和同步性的特點。從2015年1月1日到2019年12月31日,研究區(qū)內(nèi)8口地下水監(jiān)測井的水位變化趨勢基本一致(見圖4),取W02號井監(jiān)測數(shù)據(jù)進行典型分析(見圖5)。研究區(qū)地下水位變化大致為每年1-3月地下水位上升,4-5月地下水位較穩(wěn)定,6-8月地下水位下降,9-10月地下水位上升,11-12月地下水位下降。五年來全年最高水位分布在2015年4月,2016年7月,2017年11月,2018年11月,2019年11月。
圖4 研究區(qū)W02、W08號井連續(xù)監(jiān)測水位動態(tài)圖
圖5 W02號井2015-2019年連續(xù)監(jiān)測水位動態(tài)圖
按地下水位變化幅度分為上升區(qū)(與上年度同期對比,水位上升大于0.2 m)、下降區(qū)(與上年度同期對比,水位下降大于0.2 m)、穩(wěn)定區(qū)(與上年度同期對比,水位變幅在0.2 m之內(nèi))[8]。2015-2019年地下水位監(jiān)測成果見表1。
表1 2015-2019年研究區(qū)地下水位(承壓水)動態(tài)監(jiān)測成果
據(jù)表1,2015-2019年研究區(qū)地下水位上升區(qū)的占比總體大于下降區(qū)和穩(wěn)定區(qū),尤其是2017年之后,上升區(qū)占比超過50%,說明研究區(qū)的地下水位是逐年上升的。2015-2019年研究區(qū)地下水位與上年度同期相比最大上升值分別為1.395 m、2.93 m、3.212 m、4.039 m、2.497 m。
2.1.2 空間變化特征
研究區(qū)的承壓水水位動態(tài)變化不僅具有明顯的周期性和同步性,還具有空間差異性,表現(xiàn)在研究區(qū)不同區(qū)域地下水位的差異。以2015年、2019年監(jiān)測資料為例,2015年地下水位呈現(xiàn)中間和北部高、四周低的空間差異,地下水整體流向為中部到四周、北部到中上部(見圖6);2019年地下水位總體呈現(xiàn)東南高、西北低的空間差異,地下水整體流向為東南到西北(見圖7)。地下水位年升降幅度也存在空間差異,2015年在W01號井附近年變幅2.858 m,W08號井附近年變幅在3.313 m,二者相差0.455 m;2019年在W01號井附近年變幅2.673 m,在W08號井附近年變幅1.153 m,二者相差1.52 m。
圖6 研究區(qū)2015年等水位線圖
圖7 研究區(qū)2019年等水位線圖
地下水位動態(tài)是受氣象、水文、地質(zhì)、地形、人類活動綜合影響的結(jié)果,處于不停的變化之中[9]。其中研究區(qū)地下水動態(tài)最重要的制約因素是工程施工運行和水文地質(zhì)條件。
2.2.1 工程施工運行因素
研究區(qū)周邊在2014年有一大型工程施工大降深長時間降水,形成了大范圍的降落漏斗,工程降水完成后,研究區(qū)地下水位緩慢恢復(fù),表現(xiàn)為地下水位逐年上升至今。在2016年下半年研究區(qū)周邊有一工程施工降水,監(jiān)測井水位高程在7-9月份大幅度下降,最大降深4.429 m,至2018年水位才恢復(fù)到基坑降水前的水平(見圖8)。
圖8 研究區(qū)W02號監(jiān)測井2015-2019年7-12月份水位高程圖
2.2.2 水文地質(zhì)條件影響
研究區(qū)地下水動態(tài)變化還受水文地質(zhì)條件影響。區(qū)內(nèi)地下水不直接接受大氣降水,主要接受周邊承壓含水層側(cè)向徑流補給,研究區(qū)所處的承壓含水層與地表水體(長江等)具有水力聯(lián)系[10],受其水位波動影響,地下水動態(tài)具有季節(jié)性變化;東南方向和中部埋深較淺、往西北方向埋深逐漸增加的地層構(gòu)造使地下水位出現(xiàn)W05、W08號井附近高、往W01號井附近逐漸變低的現(xiàn)象;2014、2016年工程施工降水停止后,研究區(qū)地下水位逐年上升,受工程施工降水形成的降落漏斗在側(cè)向含水層的徑流補給下逐漸恢復(fù),恢復(fù)過程較長,說明該承壓含水層對規(guī)模較大的地下水降落漏斗補給能力有限。
本研究主要采用FEFLOW有限元軟件[11]對場區(qū)的地下水動態(tài)進行模擬。根據(jù)相關(guān)勘察資料,采用自上而下高程插值的方法建立三維模型。模型概化為二元地層結(jié)構(gòu),上層為粉土、粉質(zhì)粘土層,側(cè)向邊界一律定義為隔水邊界;下層為粉細(xì)砂層,地下水主要賦存于該層中,考慮到側(cè)向邊界附近有地下水位觀測孔,可以結(jié)合觀測到的地下水位將側(cè)向邊界設(shè)置為第一類水頭邊界,上部邊界考慮研究區(qū)位于城區(qū),綠化面積少,因此不考慮大氣降雨補給和蒸發(fā)排泄;底部邊界為基巖,設(shè)為隔水邊界。
3.2.1 參數(shù)確定
模型檢驗采用間接法,即先給定一組參數(shù),代入模型計算,使得模擬水位與實測水位誤差最小。模擬區(qū)間為2019年全年,采取自動時間步長。模型選用非穩(wěn)定流計算,通過試算,優(yōu)選確定模型的參數(shù)(見表2)。
表2 模型參數(shù)選取表
3.2.2 誤差分析
圖9~圖10給出了W02、W08號監(jiān)測井2019年模擬月平均水位與實測月平均水位線,從總體擬合結(jié)果來看,監(jiān)測井模擬水位年變化過程趨勢與實測水位動態(tài)走勢總體一致,水位動態(tài)過程擬合較為符合監(jiān)測結(jié)果。對所有模擬點和實測點的月平均水位相對誤差(RE)、決定系數(shù)(R2)、均方根誤差(RMSE)進行統(tǒng)計分析[12](結(jié)果如表3),8口監(jiān)測井相對誤差較小,模擬的可靠度較高;決定系數(shù)接近于1,模擬水位和實測水位相關(guān)程度高;均方根誤差小,模擬水位與實測水位偏差小。因此,該模型選用的參數(shù)正確,所建立的模型可靠,基本能夠反映研究區(qū)地下水的動態(tài)變化。
表3 8口監(jiān)測井模擬水位與監(jiān)測水位檢驗表
圖9 研究區(qū)W02號地下水觀測井實測值與模擬值水位過程圖
圖10 研究區(qū)W08號地下水觀測井實測值與模擬值水位過程圖
研究區(qū)內(nèi)計劃進行工程施工(位置見圖1),降水方案采取1 200 m3/d,持續(xù)時間為30 d。為預(yù)報該工程施工運行對研究區(qū)地下水位的影響,使用檢驗后的模型對降水過程進行模擬。
該工程降水運行后,研究區(qū)地下水位開始下降(見圖11),距離施工位置較近的W02、W04、W05、W07號監(jiān)測井變化幅度較大,其中W04號監(jiān)測井降幅最大,在停止抽水時達到最大降深2.53 m,工程降水形成了小型降落漏斗(見圖12~圖13),停止抽水時降落漏斗中心降深為14.24 m。停止抽水后水位迅速回升,W02、W04、W05、W07號監(jiān)測井150 d左右水位基本恢復(fù),距離施工位置較遠的其他監(jiān)測井60 d左右地下水位基本恢復(fù)。
圖11 工程施工運行影響下的W01~W08號監(jiān)測井水位變化預(yù)報圖
圖12 工程施工運行前研究區(qū)地下水流場圖
圖13 工程施工運行30 d研究區(qū)地下水流場圖
根據(jù)2015-2019年研究區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測資料,對地下水水位時空動態(tài)特征及影響因素進行分析,并采用數(shù)值模擬方法對地下水位在某工程影響下的動態(tài)變化進行預(yù)報,結(jié)論如下:
(1)地下水水位總體呈逐年上升趨勢,動態(tài)規(guī)律在時空分布上呈現(xiàn)出周期性、同步性等特點,年內(nèi)及年際的平均水位、水位變幅有一定的變異性;研究區(qū)流場大致為東南向西北流動。
(2)地下水水位動態(tài)受工程施工運行和水文地質(zhì)條件因素的控制。
(3)計劃運行的工程施工會使研究區(qū)地下水位持續(xù)下降,形成暫時的小型降落漏斗,停止抽水后地下水位逐漸恢復(fù)。
(4)建議下一步開展對地下水水量和水質(zhì)的監(jiān)測工作,建立地下水水位、水質(zhì)的預(yù)報、預(yù)警系統(tǒng)[13],為研究區(qū)地下水的科學(xué)管理和合理利用提供依據(jù)。