水文地质条件概化 　水文地质模型概化及其数值模拟模型

1.模拟计算的区域

太原市东山地区岩溶地下水系统属于兰村泉域地下水系统，但由于受自然条件和地质构造的控制，其又具有相对独立的岩溶地下水系统。东山煤矿位于该地下水系统内，为了对东山岩溶地下水资源量做出正确的评价和正确认识煤矿排水对地下水水源地的影响，以及合理管理东山岩溶地下水，计算区域尽可能以天然边界为界。因此，其范围北起官帽山、石岭关、系舟山一线，南至北营-西沙沟一线及北砖井-杜家山断裂带止。北东部为柳林尖山-坪里-黑石窑一线。东部由黑石窑向西南到黄岭。东南部由黄岭向西南方向延伸，沿东山背斜东南翼到班寺山，再向南经罕山至南部与北砖井-杜家山断裂带相接。西部边界北起棋子山，向南沿东山边山断裂带到北砖井-杜家山断裂带，模拟计算区域面积1651km²。

2.含水层结构概化

计算区内的含水岩组主要是寒武系、奥陶系碳酸盐岩组成含水层。第四系含水岩组在区内零星分布，且水量极少，难以构成供水水源，计算时忽略不计。石炭系、二叠系砂页岩含水岩组由于其底部有较厚的隔水层，与岩溶地下水难以形成面上的水量交换，其水量交换仅通过断层进行线或点交换，这种水量交换可通过点源或线源处理。因此，本次研究的含水层由寒武系、奥陶系碳酸盐岩组成，碳酸盐岩含水层在裸露区为潜水含水层，隐伏区为承压含水层。

碳酸盐岩含水层，由于其岩性不同，所处的地质构造单元不同，以及地下水径流条件的差异，区内岩溶发育的程度也不同，因此，研究区内不同地段含水层的渗透性能也不同，含水层为非均质含水层。其非均质性用含水层参数（T、μ）分区概化处理。根据勘探试验获得的含水层参数值作成参数分区图，给出各区的参数均值作为数值计算的初值，经过模型调试和识别，最终将试验参数系统转化为模型参数系统。

碳酸盐岩含水层的水平尺度远比它们的厚度大得多，因此计算时忽略各含水层内部的垂直渗流分量，按平面二维流处理。

3.边界条件概化

研究区边界见图6-7。

图6-7 东山岩溶水文地质边界图

（1）北部边界条件：东山岩溶地下水的北部边界可分为东、西两段。东段在区域北部的系舟山北东向构造带，在小五台西北部有老地层出露，并伴有太古宙晚期花岗岩，北部东段为阻水边界。西段在官帽山、石岭关东西向构造带一线，其底部页岩组成了北部隔水边界。因此，北部边界为区域阻水边界。

（2）北东部边界条件：东北部边界在柳林尖山、坪里、泉子、黑石窑一线，这一带是地表分水岭，此处地表分水岭和地下分水岭一致。这一带水文地质边界为可变动边界。

（3）东部边界条件：东部边界条件由北东至南西共分4段。

第一段：以北兴道寺家坪断裂带为主体，包括黑石窑断层、阳坪旺背斜，向西南为温家山逆冲断层。该带出露地层为寒武系灰岩，同时与断裂带平行的还有一组喜马拉雅期岩脉侵入体。很明显，寒武系底部泥页岩和侵入体岩墙组成了地下水边界屏障，该带为阻水边界。

第二段：黄岭以西至大威山一线，长约8km，这一带为冶元-黄岭纬向构造带。地表出露地层为奥陶系中统石灰岩，标高1200m以上。寒武系有一部分在地下水位以下，虽然寒武系底部有泥页岩起阻水作用，但泥页岩上部的碳酸盐岩仍然导水，因而这一带边界为二类弱导水边界。

第三段：东山背斜轴部隆起和郭家庄断层带，这一带地表在班寺庙、堑壑、罕山一线。东山背斜的轴部奥陶系地层隆起，核部出露地层为下奥陶系冶里组、亮甲山组和中奥陶统下马家沟组。东山背斜的东侧与寿阳盆地接壤处为郭家庄断层，断距为200～400m。构造决定了该段边界为阻水边界。

第四段：东界最靠南的一部分边界，长约7km，这一段由于受东山背斜倾伏端影响，北东向的断裂十分发育，断距不大。并且北北东向断层与观家峪东西断裂带相互交错切割、地层支离破碎，提供了地下水运移通道。这一段边界为透水边界。

（4）西部边界条件：西部边界分为三段。

西部边界北段，在棋子山地垒南北向构造线一带。棋子山地垒两侧断裂带断距也在600m以上，棋子山地垒本身宽度在4～5km左右，按地层厚度推算，地垒下部寒武系页岩与两侧盆地中的石灰岩接触，起隔水作用。因此该边界为阻水边界。

西部边界中段，北起棋子山地垒南倾伏端，南止于三给地垒北缘断裂带，南北长约7km，棋子山地垒南端被北东向断裂切截，地垒于青龙镇至阳曲镇一带逐渐消失。隔水边界变为导水通道。因此由棋子山南至三给地垒这一带西部边界为导水边界。

西部边界南段，从三给地垒南缘算起到东山南边界的北砖井-杜家山断裂为止的一段边界。该边界是太原盆地与东山的分界线。这一边界靠北的一部分以东山奥陶系岩溶含水层与盆地基底煤系地层碎屑岩接触为主，个别地段为奥灰岩与盆地松散层接触。这种接触关系加上断阶式构造，铸成了弧形断裂带的弱透水性质，这一带的边界条件为二类弱透水边界。靠南的一部分边界因盆地基底加深，冲积层显著变厚，东山前山基岩地层逐渐深入到地层深部，导水性能明显减弱，导水渠道受阻，为阻水边界。

（5）南部边界条件：东山岩溶地下水南部边界在北砖井-杜家山断裂带一线。北砖井-杜家山断裂带由两条互相平行的断层组成，其靠外的一条西段断距700m左右，显然此段断层是阻水的。断裂东段与北北东向断裂和观家峪东西断裂带相复合，岩层破碎，裂隙发育，有利于地下水流动，同时此处灰岩埋深较浅，岩溶发育。故本段为二类导水边界。

4.源汇项处理

（1）大气降水入渗补给量：碳酸盐岩含水层裸露区和半覆盖区均接受大气降水入渗补给。降水入渗补给条件的不均匀性用入渗分区概化处理。依据有关降水入渗资料，并参考包气带岩性、潜水位埋深、地形、植被等因素，做出全区降水入渗系数分区图，分别给出各区降水入渗系数平均值，加在模型对应的剖分网格单元上。根据各区面积、降水量、降水入渗系数来计算降水入渗补给量。

东山岩溶地区包气带厚度大，当降雨量较小时，难以补给地下水，所以当月降雨量小于20mm时，不计入有效降雨量，其扣除率为9.13%。

（2）地下水开采量：研究区内地下水开采比较集中，主要有枣沟水源地、观孟前水源地、以及其它零星的抽水井，剖分时尽可能将抽水井落在节点上，其开采量按实际调查的各单井逐月开采量加在与井位对应的网格节点上。

（3）突水量：东山煤矿杨家峪矿六斜坡突水点位于F₁₂断层上，出水口为一点，故将突水作为点源处理，突水量按实际测量的逐月开采量加在与突水点对应的网格节点上。

（4）河流渗漏处理：区内河流均为季节性短暂流水，有水时间短，所以河流的入渗与降水入渗一同考虑在内。

5.水文地质概念模型

经过对水文地质条件概化处理，计算区水文地质概念模型是由非均质各向同性的裂隙岩溶含水层组成的具有二类边界平面二维渗流的潜水过渡到承压水含水层。

一、水文地质模型概化
（一）边界条件
根据工作区区域地质、水文地质条件，以松散岩类孔隙水含水层为本次计算的目的层，将黑龙江、乌苏里江、松花江、鸭蛋河、梧桐河、挠力河、七星河、别拉洪河及安邦河概化为一类水流边界，即地下水与江河水位有较密切的水力联系。平原与山地接触地带，地下水自山地向平原侧向径流的补给边界，概化为二类水流边界；而季节性积水的沼泽湿地为三类边界。山地区（含区内的残山丘陵区）及前第四系为隔水含水层，在计算模型中为不计算单元。边界条件概化结果见图4-1 。

图4-1 三江平原边界条件概化图

（二）含水层参数分区
第四纪不同时期，工作区不同位置沉积了不同厚度与粒度的松散堆积物，使含水层在水平方向与垂直方向上均有分区性，根据工作区不同时期的岩相古地理特征，将工作区的含水层参数分成6个区，见图4-2～图4-5。
二、数值模拟模型
将工作区地下水流系统概化为非均质各向同性、三维、非稳定流系统，用以下微分方程的定解问题描述：

三江平原地下水资源潜力与生态环境地质调查评价

式中：Ω为渗流区域，即工作区内有效计算单元所构成的区域，面积为39 415.68km2；Γ0为渗流区上边界，即地下水的自由表面；Γ1为一类边界，包括黑龙江、乌苏里江、松花江、鸭蛋河、梧桐河、挠力河、外七星河、别拉洪河及安帮河等常年流水且与地下水有密切水力联系的河流；Γ2为二类边界，即除黑龙江、乌苏里江以外的工作区边界；Γ3为三类边界，即工作区内季节性积水的沼泽湿地；h为含水层水位标高，m；h0为初始水位，m；h1为一类边界江河水位，m；hs为三类边界沼泽湿地水位，m；K为含水层渗透系数，m/d；S为地下水自由面以下含水层的储水系数，m-1；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；ε为含水层源汇项，d-1；p为潜水面的蒸发和降水补给等源汇项；q2为二类边界单位面积流量，m3/d；σ为沼泽湿地底部弱透水层的阻力系数，σ＝L/KS，L为弱透水层厚度，m，KS为弱透水层垂向渗透系数，m/d。
上述数学模拟模型应用三维模拟计算软件进行求解计算。

边界条件是渗流区边界所处的条件,用以表示水头 H(或渗流量 q)在渗流区边界上所应 满足的条件,也就是渗流区内水流与其周围环境相互制约的关系.
(1) 第一类边界条件(Dirichlet 条件):如果在某一部分边界(设为 Sl 或Γ1)上,各点在每 一时刻的水头都是已知的,则这部分边界就称为第一类边界或给定水头的边界,给定水头边界不一定就是定水头边界. 可以作为第一类边界条件来处理的情况: ① 河流或湖泊切割含水层,两者有直接水力联系时,这部分边界就可以作为第一类边界 处理.在没有充分依据的情况下,不要随意把某段边界确定为定水头边界,以免造成很大误 差. ② 区域内部的抽水井,注水井或疏干巷道也可以作为给定水头的内边界来处理.此时, 水头通常是按某种要求事先给定.给定水头边界不一定是定水头边界. ③ 排泄地下水的溢出带,冲沟或排水渠的边界也可近似看作给定水头边界.
(2)第二类边界条件(Neumam 条件): 当知道某一部分边界(设为 S2 或Γ2)单位面积(二维空间为单位宽度)上流入(流出时用负值)的流量 q 时,称为第二类边界或给定流量的边界. 常见的这类边界条件: ① 隔水边界(流线,分水岭) ② 抽水井或注水井 ③ 补给或排泄地下水的河渠边界上,如已知补给量.
(3)第三类边界条件:某边界上 H 和 H + αH = β n 又称混合边界条件, α , β 为已知函数. 边界为弱透水层(渗透系数为 K1,厚度或宽度为 m1) 浸润曲线的边界条件: H K =q n c2 当浸润曲线下降时,从浸润曲线边界流入渗流区的单位面积流量 q 为: H * q= cos θ t 式中, 为给水度, θ 为浸润曲线外法线与铅垂线间的夹角。

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