基于水文地质模型的甘肃省地下水勘探开发技术研究_杨俊武.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 011基于水文地质模型的甘肃省地下水勘探开发技术研究杨俊武(甘肃省地质矿产勘查开发局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730022)摘要甘肃省受环境与经济发展影响下，水资源极度匮乏，针对最重要的地下水水资源，出现开采过度等现象，令甘肃省水资源的可持续性极大程度被限制，基于此提出加强应用地下水勘探开发技术，对甘肃省区域内地下水存在的问题予以及时、有效地管控，实现甘肃省地下水环境的有效保护。文章主要基于甘肃省 2014 2021 年的水资源利用统计数据，模拟分析了地下水开发利用与平均地下水储量空间变化情况，并以某区域为研究对象设置监测点，通过文章方法监测地下水水文环境。结果表明，全省地下水资源多年平均利用量占全省水资源利用总量的22%;研究区域的降水丰富，在水汽、地理影响下降水全年分配不均，区域内地下水储备最少的地方是党河洪积扇，党河灌区南北侧的地下水储备情况存在明显不同的主要因素是党河对灌区的开发作用。关键词水文地质模型;甘肃省地下水;勘探开发技术;流固耦合理论中图分类号P641 72文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0037 03收稿日期2022 08 14作者简介杨俊武(1990 )，男，甘肃兰州人，助理工程师，主要从事水工环地质方面工作。esearch on groundwater exploration and developmenttechnology in Gansu Province based on hydrogeological modelYANG Jun wu(Second Geological and Mineral Exploration Institute，Gansu Geological and Mineral Exploration and Development Bu-reau，Lanzhou，Gansu 730022)Abstract:Gansu Province is affected by the environment and economic development，water resources are extremelyscarce，for the most important groundwater water resources，there is over exploitation and other phenomena，so that the sus-tainability of water resources in Gansu Province is greatly limited，based on this proposed to strengthen the application ofgroundwater exploration and development technology，Gansu Province regional groundwater problems to be timely and effectivecontrol，to achieve effective protection of the groundwater environment in Gansu Province The article is mainly based on thewater resources utilization statistics of Gansu Province from 2014 to 2021，simulating and analyzing the spatial variation ofgroundwater development and utilization and the average groundwater storage，and setting up monitoring points with a region asthe research object to monitor the groundwater hydrological environment through the article method The results show that theaverage multi year utilization of groundwater resources in the province accounts for 22%of the total water resources utilizedin the province;the study area is rich in precipitation，with uneven distribution of precipitation throughout the year under theinfluence of water vapour and geography;the lowest groundwater reserve in the region is in the floodplain fan of the Dang iv-er;the main factor for the marked difference in groundwater reserves between the north and south sides of the Dang iver irri-gation area is the role of the Dang iver in the development of the irrigation areaKey words:Hydrogeological model;Groundwater in Gansu Province;Exploration and development technology;Fluid sol-id coupling theory甘肃省天气较为干燥，河流分布不均匀，水资源稀缺。水资源主要构成要素之一为地下水，地下水具有时空分布普遍性和开发简便性，省内人民的工作与生活大多都依靠其展开。在甘肃省经济不断发展的同时，其人口密度也不断提升，随之而来的水资源供需不平衡问题也亟待解决，匮乏的水资源已经严重阻碍了当地经济的进步。地下水的勘探开发对于甘肃省水资源供应条件的优化意义重大，其能够在极大程度上推动全省经济发展。文章研究基于水文地质模型的甘肃省地下水勘探开发技术，以历史水文地质勘查数据为前提对甘肃省的地下水资源情况进行分析，为政府部门未来的水资源优化管理提供参考。1区域概况1 1地理位置与地形地貌732023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3甘肃省位于我国西北地区，东临陕西，西接青海、新疆，南连四川，北通宁夏、内蒙古，深居内陆为中纬地区。总面积为 454 000 km2，其中山地 118 000 km2，约占总面积的 26%;高原 134 000 km2，约占总面积的 29%;川地 134 500 km2，约占总面积的 30%;戈壁沙漠 68 100 km2，约占总面积的 15%。甘肃省地处黄土高原，青藏高原和阿拉善高原的交汇处，是我国西部地区最具代表性的地区之一。受鄂尔多斯盆地和阿拉善北部山区、祁连山和西秦岭的褶皱作用，除了陇南地区的一些盆地和疏勒河流域的低海拔地区外，其余地区的平均海拔都在 1 000 m 以上。是山地型高原，按照地形特征可把甘肃整个地区分成阿尔金山高山、北山中山、陇南地区低山、甘南高原、河西走廊平原、黄土高原丘陵六大区域。1 2气候、水文甘肃省属明显的大陆性气候，区域内气候差异显著。南部地区降水量最为充沛，年降水量由东南至西北从 1 000mm/a 降至 50 mm/a。甘肃省的河流资源状况很差，空间分布也很不均衡，以内陆河、黄河和长江为最大的支流。内陆河流域的发源地都为祁连山，大致涵盖了乌鞘岭以西的所有河道，分属石羊河、黑河、疏勒河三个水系，年平均径流量为 6 966 3 m3/s。黄河流域地处中东地区，由干流、洮水、湟水、渭河、泾河和北洛河六大支流组成，年地表水量达 37 115 3 106m3。长江流域则位于省西南部，此处气候温热湿润，雨水充沛，河川发达，年均径流量为 13 522 106m3/a。1 3地下水概况甘肃省地下水资源划分为黄河、长江以及内陆河三大流域。地下水种类按照地质结构、地形地貌与含水层孔隙介质可划分为:松散岩类、黄土类孔隙水以及基岩类、碎屑岩类、碳酸岩类裂隙水。松散岩类孔隙水的分布位置处于河西走廊平原区的酒泉、武威、张掖等 9 个第四系盆地，盆地内松散层的厚度较大，可良好地实现地下水的保存与运输。黄土类孔隙水的分布位置主要集中在陇东黄土塬区，含水层是第四系石黄土，通过陇东等新生盆地的赋存形成全新裂隙承压水，这是一种独特的水流系统。基岩类裂隙水分布区域为省西北部祁连山、北山及陇南山区，主要分布于西南山区。碎屑岩类裂隙水分布于河西、甘南及陇南区域。碳酸岩类裂隙水少量集中分布在陇南地区和祁连山西部1。2研究方法和数据以勘测甘肃省某区域地下水相关应用情况为目标，利用地下水勘探开发技术对其展开研究。雨水是河流水资源的关键构成要素，通过雨量监测可有效获取地下水勘探中具有重要意义的观测数据，分析所观测的降雨流量、分布和时间规律等，了解降雨的具体变化情况，将其充分应用在地下水勘探开发过程中2。当前科技信息快速发展，在地下水勘探开发技术中引入科技信息技术具有积极的效果。通过科技信息技术优化水文站网，实现全部数据的充分应用，从而使勘探和开发工作更为精确。同时，对地下水的勘探和开发技术进行了创新，利用科技信息技术，使所建立的地下水探测系统更加完善。2 1流固耦合理论地下水含水层压缩变形时，因其自身具有的非弹性和多孔性特征，其结构变化直接影响其储水性、透水性，从而影响地下水水位发生变化。基于地下水的渗流原理和含水层的压缩机理，构建地下水流与含水层压缩的流固耦合模型，得出支持三维水文地质模型构建的数据。流固耦合理论是以三维 Biot 原理为前提，其方程表示为:2us+GGvx+1Gux=0 2vs+GGvy+1Guy=0 2ws+GGvz+1Guz=(1)基于达西定律可得:kw2u=vt(2)其中，=vE(1+v)(1 2v);G=E2(1+v);2=2x2+2y2+2z2;us，vs，ws分别表示 x、y、z 方向的位移分量;2是 La-place 算子;v表示体积应变系数;k 表示渗透系数;E、G、v 分别表示有效应力下土的弹性模量、剪切模量、泊松比;u 表示地下水水压;、w分别表示土、水的重度。2 2水文地质模型基于质量、能量守恒定律，通过 Feflow 软件(基于有限元的地下水模拟软件包)模拟地下水，描述地下水的数量、空间以及运动等特征。按照甘肃省的地下水特点，基于达西定律与渗流连续性，并结合甘肃省水文地质条件建立地下水三维水文地质模型，耦合获取地下水流固耦合数学模拟模型，其与甘肃省的地下水水文地质模型具有一致性。设(x，y，z)，t 0，可将甘肃省地下水水文地质模型表示为:xkh()x+ykh()y+zkh()z+w=(Ss+Sskv)htht=kh()x2+kh()y2+kh()z2hz(k+p)+plh=SskvTh(x，y，z，t)t=0=h0(x，y，z)l(x，y，z，t)1=0=0khx+khy+khz(x，y，z)2=q(x，y，z，t)h(x，y，z，t)=z(3)式中:、h(x，y，z，t)分别为地下水流场区域、含水层的水头函数;q(x，y，z，t)为含水层第二边界的单宽流量函数，83第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月1、2分别表示第一、二边界条件;Ss、Sskv分别为未考虑、考虑含水层变形耦合效应的储水率，W、T、l、t 分别为流出水量、含水层厚度、地层垂向压缩量、时间。3结果分析和