MODFLOW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3张子琦,许模,曹聪,等.MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):2 5 0-2 5 8.Z h a n g Z i q i,X u M o,C a o C o n g,e t a l.C o n c e p t u a l i z a t i o n a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f a k a r s t s u b t e r r a n e a n r i v e r a n d i t s o u t l e t s u-s i n g MO D F L OWJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):2 5 0-2 5 8.基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(4 2 0 7 2 2 8 3;4 1 5 0 2 2 3 7);地 质 灾 害 防 治 与 地 质 环 境 保 护 国 家 重 点 实 验 室 自 主 课 题(S K L G P 2 0 1 7 Z 0 1 4);高速铁路轨道技术国家重点实验室开放基金项目(2 0 2 1 Y J 0 5 2);重庆市地下水资源利用与环境保护实验室开放课题(MX-3 1 3 8 N C_2 0 1 9 1 1 1 3_1 0 4 2 4 4)作者简介:张子琦(1 9 9 6),男,现正攻读地质资源与地质工程专业博士学位,主要从事工程水文地质方向研究工作。E-m a i l:z h a n g z i q i s t u.c d u t.e d u.c n通信作者:夏 强(1 9 8 2),男,副教授,主要从事工程水文地质、地下水数值模拟等的教学与科研工作。E-m a i l:x i a q i a n g 2 0 1 2c d u t.e d u.c n E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果张子琦1,许 模1,曹 聪2,3,张 强1,夏 强1(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 6 1 0 0 5 9;2.重庆市地质矿产勘查开发局南江水文地质工程地质队,重庆 4 0 1 1 4 7;3.重庆市地下水资源利用与环境保护实验室,重庆 4 0 1 1 4 7)摘 要:在MO D F L OW的三维渗流模拟程序集中,C o n d u i t F l o w P r o c e s s(C F P)模块已被广泛用于模拟岩溶含水层中的管道流,是岩溶地下水流模拟的重要工具。使用C F P模块概化暗河管道时,暗河出口的概化有2种方案:将暗河出口设置在管道模型中(F H方案)或等效多孔介质中(D r方案),其模拟效果有待评价。以重庆缙云山姜家龙洞暗河为例,建立了考虑管道流的地下水流数值模型,分别使用2种方案概化了暗河出口,对比分析了稳定流和非稳定流的模拟结果。结果表明:以排水沟(D r a i n)模块概化暗河出口的D r方案,暗河管道的上游段排泄地下水,下游段反而补给含水层,最终在排水沟单元排泄,而定水头(F i x H e a d)概化的F H方案则准确模拟了暗河全段汇集地下水并在出口排泄出含水层的实际情况。进一步的水均衡分析揭示了模拟差异产生的原理。在模拟岩溶区地下水向暗河管道汇集的水文过程时,如果使用C F P概化管道,则宜配合使用C F P中的定水头边界概化暗河出口。关键词:岩溶管道;管道-等效多孔介质耦合模型;MO D F L OW-C F P;暗河2 0 2 3-0 1-1 7收稿;2 0 2 3-0 4-2 9修回;2 0 2 3-0 5-0 4接受中图分类号:P 6 4 2.2 5 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 2 5 0-0 9d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 3 0 0 2 7 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):C o n c e p t u a l i z a t i o n a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f a k a r s ts u b t e r r a n e a n r i v e r a n d i t s o u t l e t s u s i n g MO D F L OWZ h a n g Z i q i1,X u M o1,C a o C o n g2,3,Z h a n g Q i a n g1,X i a Q i a n g1(1.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G e o h a z a r d P r e v e n t i o n a n d G e o e n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n,C h e n g d u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,C h e n g d u 6 1 0 0 5 9,C h i n a;2.N a n j i a n g H y d r o g e o l o g y E n g i n e e r i n g G e o l o g y T e a m o f C h o n g q i n g G e o l o g y a n d M i n e r a l E x p l o r a t i o n a n d D e v e l o p m e n t B u r e a u,C h o n g q i n g 4 0 1 1 4 7,C h i n a;3.C h o n g q i n g L a b o r a t o r y o f G r o u n d w a t e r R e s o u r c e s U t i l i z a t i o n a n d E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n,C h o n g q i n g 4 0 1 1 4 7,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eI n t h e s e t o f 3 D s e e p a g e s i m u l a t i o n p r o g r a m s o f MO D F L OW,t h e C o n d u i t F l o w P r o c e s s(C F P)m o d u l e h a s b e e n w i d e l y u s e d t o r e p r e s e n t k a r s t c o n d u i t s a n d k a r s t a q u i f e r s a n d p r o v i d e s a n i m p o r t a n t t o o l f o r g r o u n d w a t e r s i m u l a t i o n i n k a r s t a r e a s.M e t h o d sWh e n u s i n g C F P m o d u l e t o c o n c e p t u-第4期张子琦等:MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果a l i z e t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r c o n d u i t s a n d t h e i r o u t l e t s,t h e r e a r e t w o s c h e m e s f o r t h e c o n c e p t u a l i z a t i o n o f t h e o u t l e t s:s e t t i n g t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r o u t l e t i n t h e c o n d u i t m o d e l(F H s c h e m e)o r i n t h e e q u i v a l e n t p o r o u s m e d i u m(D r s c h e m e),w h o s e s i m u l a t i o n e f f e c t s a r e t o b e e v a l u a t e d.I n t h i s p a p e r,a g r o u n d w a t e r n u m e r i c a l m o d e l w i t h c o n d u i t f l o w w a s c o n s t r u c t e d,t a k i n g t h e J i a n g j i a S u b t e r r a n e a n R i v e r i n J i n y u n M o u n t a i n,C h o n g q i n g a s a n e x a m p l e.T h e o u t l e t s o f t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r w e r e c o n c e p t u a l i z e d b y t h e a f o r e m e n t i o n e d t w o s c h e m e s,a n d t h e n t h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e s u b s e q u e n t t w o s i m u l a t i o n s w e r e a n a-l y z e d a n d c o m p a r e d.R e s u l t sT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e F H s c h e m e i s b e t t e r t h a n t h e D r s c h e m e.T h e f i x e d h e a d s e t t i n g i n t h e F H s c h e m e c a n a c h i e v e t h e e f f e c t o f g r o u n d w a t e r d i s c h a r g e i n a l l s e g m e n t s o f t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r,w h i l e t h e d r a i n s e t t i n g i n t h e D r s c h e m e o n l y d i s c h a r g e s g r o u n d w a t e r i n t h e u p s t r e a m o f t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r c o n d u i t,t h e n r e c h a r g e s t h e a q u i f e r i n t h e d o w n s t r e a m,a n d f i n a l l y,t h e g r o u n d w-a t e r i s d i s c h a r g e d i n t h e d r a i n u n i t.C o n c l u s i o nT h e w a t e r b a l a n c e a n a l y s i s a l s o d e m o n s t r a t e s t h e a d v a n t a g e o f t h e F H s c h e m e i n t e r m s o f t h e c a p a c i t y o f g r o u n d w a t e r d i s c h a r g e a n d t h e f u n c t i o n o f a q u i f e r s t o r a g e.K e y w o r d s:k a r s t c o n d u i t;c o n d u i t e q u i v a l e n t p o r o u s m e d i u m c o u p l i n g m o d e l;MO D F L OW-C F P;s u b t e r r a-n e a n r i v e rR e c e i v e d:2 0 2 3-0 1-1 7;R e v i s e d:2 0 2 3-0 4-2 9;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 5-0 4 数值模拟是研究岩溶水资源开发与利用的重要方法之一1。暗河是由地下水汇集而成的地下河道,具有一定范围的汇水区域,对区域岩溶含水层的地下水流场有显著控制作用。为了提高模拟精度,国内外研究者们尝试了不同的岩溶暗河及其出口的概化方法,如使用MO D F L OW中的河流子模块概化暗河管道2以及在数值模型中使用MO D F L OW排水沟(D r a i n)子模块概化岩溶暗河3-4。岩溶泉的泉口通常用水位或流量已知的汇项4-6,或使用其他第三类边界进行概化7-8。上述模拟工作都取得了较好的效果,但仍是基于传统多孔介质模型,未能表现岩溶含水层-暗河管道系统中层流与紊流水量交换,管道有压流与无压流交替循环等特点9-1 0。S h o e m a k e r等1 1在MO D F L OW-2 0 0 5中添加了管道流程序C o n d u i t F l o w P r o c e s s(C F P),将离散的管道网络与等效多孔介质模型耦合在一起。C F P自发布以来受到了广泛应用,国内外许多研究验证了C F P概化岩溶暗河的准确性1 2-1 5。目前对双重介质耦合模型的研究已相当丰富1 6-1 7,包括暗河管道形态对模拟结果的影响1 8,暗河管道与岩溶含水层节点关系与交换水量等方面的定量计算方法1 9,岩溶区水资源评价2 0等多方面内容。在使用双重介质耦合模型模拟管道流的前提下,对暗河管道出口的概化主要有2种方案。以MO D F L OW-C F P为例,第一种是将暗河出口设置在等效多孔介质中,以使用排水沟(D r a i n)子模块为主2 1-2 3,简称为“D r方案”,这种方案承袭了将泉口处 理 为 排 水 沟 等 的 第 三 类 边 界 的 传 统 概 化 方法2 4-2 5;第二种则是将暗河出口设置在管道模型中,使用C F P中 的 定 水 头(F i x H e a d)概 化 暗 河 出口2 6-2 7,简称为“F H方案”,需要指出的是这里的定水头是C F P管道之内的水头为定值的点,与传统的地下水流模型的第一类定水头边界有本质区别。2种方案模拟效果的差异尚缺少讨论,笔者拟主要针对上述2种方案进行分析论证,选取重庆缙云山姜家龙洞暗河为模拟对象,对比分析2种方案在稳定流和非稳定流条件下,数值模型中地下水流场与暗河流量的差异,探讨其差异产生的原理。1 缙云山姜家龙洞泉域概况研究区位于重庆市的青木关镇,属川东平行岭谷区,地质背景为隔挡式构造的温塘峡背斜,核部主要出露三叠系嘉陵江组碳酸盐岩(T1j),两翼为雷口坡组白云质 灰岩(T2l),以及须家 河组碎屑岩(T3x j),也由此形成了“一山二岭夹一槽”的岩溶槽谷地貌(图1),两翼山岭连续且封闭,限制了地表水向东西侧外流,区内亦无外来河流,大气降水为唯一的补给。姜家龙洞地下暗河沿背斜核部发育,始于北部的岩口落水洞,高程5 2 4 m,终于南部地势较低的青木关盆地,暗河出口高程为3 2 0 m,暗河全长约7.6 k m,此暗河为区内的单一岩溶管道,无同等规模的岔道。区内水文过程可概化为,大部分降水先汇集于岩溶洼地,然后经落水洞注入地下暗河,最终在暗河出口流出2 8。流域在暗河出口建立了长期流量观测点2 9。2 岩溶地下水流数值模型2.1概念模型模型建立使用的是美国地质调查局开发的地下水模型图形用户界面M o d e l M u s e3 0。研究区两翼152h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 图1 姜家龙洞流域水文地质简图F i g.1 H y d r o g e o l o g i c a l s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e J i a n g j i a S u b t e r r a n e a n R i v e r s y s t e m山岭连续且封闭,故以东西翼的地表分水岭为界划分姜家龙洞暗河的流域边界,并设置为零流量边界(图2)。模型边界内以三叠系嘉陵江组碳酸盐岩(T1j)为主,岩性较单一,模型分为一层即可,顶部为地形表面。根据物探、水化学等成果,区内高程2 5 0 m以下岩溶发育弱3 1,因此底板高程设置为2 5 0 m。根据研究区已有成果,暗河流域裂隙介质流速小,是岩溶地下水系统相对较弱的径流带2 8-2 9,3 2,所以使用标准MO D F L OW概化裂隙介质,使用C F PM 1沿姜家龙洞暗河形迹概化暗河管道,管道节点高程通过上游落水洞与暗河管道高程插值获得。各项参数根据相关水文地质试验设置(表1)。表1 模型主要参数取值3 2T a b l e 1 V a l u e s o f m a i n p a r a m e t e r f o r t h e m o d e lC F P管道参数模型参数直径/m2.5 7管道壁平均起伏高度/m1.0 0实际长度/k m1 1.1 6管道壁平均起伏高度/m1.0 0下临界雷诺数2 0 0 0.0 0上临界雷诺数4 0 0 0 0.0 0管道内水流雷诺数1 2 7 9 8 0.0 0渗透系数/(md-1)0.2 5给水度0.4 0 本研究主要讨论不同概化方式对模拟效果的影响,暗河出口为模型中地下水唯一的排泄途径,使用图2 青木关镇姜家龙洞暗河概念模型示意图F i g.2 C o n c e p t u a l m o d e l o f t h e J i a n g j i a S u b t e r r a n e a n R i v e r i n Q i n g m u g u a n T o w nC F PM 1时可以选择将暗河出口设置在管道模型或等效多孔介质中。前述D r、F H 2种方案是模型的唯一区别,D r方案使用排水沟模块概化暗河出口,排水沟高程为暗河出口高程(3 2 0 m),D r a i n的排水252 第4期张子琦等:MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果系数取值具有较大的不确定性,将其设定为较大值来实现暗河出口对地下水的快速排泄8;F H方案将暗河出口设置在管道模型中,使用C F P定水头(F i x H e a d)概化暗河出口,水头高度为暗河出口高程。研究区地下水埋深为6 01 6 5 m,为了体现较厚的包气带对垂向补给的影响,使用了非饱和带流动模块U n s a t u r a t e d-Z o n e F l o w(U Z F)。与常用的概化降雨补给的R e c h a r g e模块不同,U Z F模块设定的参数包括降雨补给量、非饱和带渗透系数、蒸发深度、蒸发强度等,考虑了水在非饱和带中运移,再进入饱和带的过程,而非人为规定研究区的降雨入渗系数。2.2暗河及出口流量计算原理当管道模型内水流为层流状态时用H a g e n-P o-i s e u i l l e方程(式1)描述,处于紊流状态时用D a r c y-W e i s b a c h方程(2)描述1 1。Qi p=-d4i pg(hi n-hn e i g h b o r)1 2 8vli pi p(1)Qi p=-|(hi n-hn e i g h b o r)|g d5i p22 li pi pl o g2.5 1v42|(hi n-hn e i g h b o r)|g d3i pl i p+kc3.7 1di p hi n-hn e i g h b o r|(hi n-hn e i g h b o r)|(2)式中:Qi p为从节点进入到管道的流量;di p为管道直径;g为重力加速度;hi n为节点水头;hn e i g h b o r为管道另一端的节点水头;v为水动力黏滞系数;li p为管道长度;i p为管道弯曲度;kc为平均粗糙度。管道模型与等效多孔介质之间的水交换用线性方程式(3)描述。Qe x=j,i,k(hi n-hj,i,k)(3)式中:j,i,k为管道渗透系数;hj,i,k为等效多孔介质模型的水头。据式(3),管道与等效多孔介质水量交换正比于水头差。F H方案暗河出口(F i x H e a d)为模型唯一的排泄项。此时等效多孔介质与管道节点的水头差驱动地下水进入管道模型,在管道模型内流向暗河出口处节点。D r方案暗河出口处流量的计算不同于F H方案,D r a i n模块排水量计算公式如下:Qo u t=C D(hj,i,k-HD),hj,i,kHDQo u t=0,hj,i,kHD(4)式中:Qo u t为D r a i n单元排泄的水量;C D为排水传导系数;HD为排水沟高程。D r方案中排水沟与暗河出口在同一网格内,此处管道节点不做设置,排水沟为模型唯一的排泄项。3 2种方案地下水流场对比分析3.1稳定流模拟稳定流模拟所得地下水流场如图3所示。2种方案均刻画出了研究区北高南低的水位分布特征,参考重庆南江水文地质队2 0 1 7年观测甘家槽处水位为4 9 05 3 0 m,2种方案模型均较好地实现了这一点。暗河流量方面,F H方案模拟所得暗河出口流量(1 1 1.6 3 L/s)与姜家龙洞暗河出口年平均流量相近,D r方案模拟所得暗河出口流量(7 4.7 2 L/s)略低于实际年平均流量,总体上2种方案均取得了较符合实际情况的结果。图3 稳定流模拟条件下2种方案流场对比图F i g.3 C o m p a r i s o n o f f l o w f i e l d u n d e r s t e a d y f l o w s i m u l a t i o n o f t h e t w o s c h e m e s图3表明2种方案模拟的暗河上游地下水流场情况相似,暗河管道对地下水流场有明显的控制作用,D r方案水头高于F H方案。D r方案中,暗河下游地下水先向东绕流而后向西流向暗河出口,补排关系变化处在图35中均有标记,在F H方案中暗河管道始终起到了汇集地下水的作用。根据已有监测数据、示踪试验、地球化学等成果3 3-3 4,暗河地下水的p H值、电导率和水温在降雨期间表现出与流量一样“暴涨暴落”的特性,表明岩溶管道过水速度极快,排水汇水能力强;示踪试验显示地下水流速较大,最大流速与平均流速之比为1.3 21.8 9,平均流速皆大于1 0 0 0 m/d,雷诺数大于1 0 0 0 0,同样表明管道相当发育,地下水运移路径非常通畅;水位观测数据显示降雨过程中暗河出口水位始终处于无压状态。因此更符合上述特征的F H方案的模拟结果并更具可靠性。管道上游至下游节点的水头变化与流量变化可352h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 以更直观地反映2种方案的区别(图4)。图4为实际水头与管道底板高程之差,图5为各节点的流量与交换水量。其中等效多孔介质补给管道模型时交换水量为正值,反之为负值,管道出口为节点7 0。图5中F H方案交换水量均为正值,表明F H方案中各节点水头均小于管道外部。管道内流量由上游至下游递增,最后在管道出口排泄。使用D r方案时,上游与F H方案相似,自6 1号节点始管道下游向等效多孔介质排泄地下水,说明此处管道水头高于外部水头。图4 管道节点内部与外部水头示意图F i g.4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e i n t e r n a l a n d e x t e r n a l h e a d s o f t h e c o n d u i t n o d e图5 2种方案管道流量与交换水量对比图F i g.5 C o m p a r i s o n o f t h e t r a f f i c o f m a t r i x a n d t u b e i n o f t h e t w o m e t h o d s3.2非稳定流模拟稳定流不能考虑含水层对地下水的调蓄功能,为进一步对比2种方案的差异进行了非稳定流模拟。模拟时间为2 0 0 7年9月1 6日至1 0月1 5日,此时为雨季且历时短(3 9 d),不考虑蒸发。模型设置5个应力期,共3 9 d,初始水头为稳定流模拟结果,各应 力期降雨补 给量根据实 测降雨量 分配。U Z F模块输入量为实际降雨量(表2),含水层接受的补给量由U Z F模块计算,最大入渗速率参考研究区的水文地质试验。识别期为2 0 0 7年1 0月1 4日至2 0 0 7年1 0月1 9日,验证期为2 0 0 8年8月2 7日至9月1 0日。表2 非稳定流模拟降雨量3 5T a b l e 2 R a i n f a l l u s e d i n n o n-s t e a d y f l o w时段历时总降雨量/mm识别期验证期2 0 0 7/0 9/1 6 1 9:4 8-0 9/1 7 0 7:3 31 2 h3 1.02 0 0 7/1 0/1 0 0 8:0 3-1 0/1 5 0 8:0 55 d5 9.42 0 0 8/0 8/1 4 1 8:0 2-0 8/1 6 0 8:0 7 1 d 1 4 h 1 0 m i n1 1.22 0 0 8/0 8/2 5 0 1:4 2-0 8/2 5 2 0:1 21 8 h 3 0 m i n4 8.22 0 0 8/0 8/2 6 0 6:2 7-0 8/3 0 0 9:4 2 4 d 3 h 2 0 m i n4 1.2图6为暗河出口流量过程曲线,总体上可见F H方案,暗河出口流量的变化速率、对降雨补给的响应更快,D r方案的流量过程曲线相对平稳,特别是无降雨后流量衰减缓慢,而F H方案则快速衰减。D r方案的峰值流量小于F H方案,而无论识别期、验证期,F H方案的模拟值与实测值的拟合都明显优于D r方案,更接近实际情况。图7为暗河下游流场随时间变化的情况,参考图6选择了4个代表性时刻。2种方案流场变化过程相似,降雨前地下水位较低,降雨后明显抬升,而后随着暗河的排泄缓慢下降。图6 非稳定流条件下暗河出口流量图F i g.6 T r a f f i c o f t h e o u t l e t o f t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r u n d e r n o n-s t e a d y f l o w s i m u l a t i o n4 2种方案水动力条件差异分析通过分析2种方案的计算原理可以总结出不同的地下水排泄模式(图8)。据式(13)可知使用F H方案时,等效多孔介质中地下水在水头差的驱动下进 入 管 道 模 型,并 从 管 道 内 的 定 水 头(F i x H e a d)排出模型(图8-a)。据式(3,4)可知,使用D r452 第4期张子琦等:MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果方案时,地下水在上游进入管道,此处的运移与F H方案基本相同;而在下游,管道不能直接排水,必须由D r a i n概化的暗河出口排出,所以地下水又由管道进入等效多孔介质,再由D r a i n所在单元排出。D r方案的这种排泄方式使得在暗河下游形成由管道向多孔介质的水力梯度,故管道内地下水头会明显高于管道外多孔介质中水头,也高于同样条件下的F H方案,最终也将导致对降雨响应产生明显差异。图7 2种方案非稳定流模拟暗河出口局部流场对比图F i g.7 C o m p a r i s o n o f f l o w f i e l d a t t h e o u t l e t o f t h e s u b t e r r a n e a n r i v e r o f t h e t w o s c h e m e s图8 2种方案地下水排泄模式图F i g.8 P a t t e r n o f g r o u n d w a t e r d i s c h a r g e o f t h e t w o s c h e m e sF H方案与D r方案地下水排泄模式的不同导致了地下水流场、非稳定流中暗河流量对降雨的响应、暗河的排泄能力等方面的不同。而根据排泄模式可知2种方案的根本差异在于,管道模型排水还是等效多孔介质模型排水。因此如果暗河出口采用了非F H方案的概化模式,如改用第一类定水头边界或第二类定流量边界等来概化,只要是多孔介质模型中排水,模拟效果也将如D r方案。水均衡分析可进一步佐证2种地下水排泄模式,稳定流情况下的水均衡如图9所示,使用F H方图9 稳定流条件下等效多孔介质模型水均衡柱状图F i g.9 W a t e r b a l a n c e o f t h e m o d e l u n d e r s t e a d y f l o w s i m u l a t i o n552h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 案时管道汇集并排泄地下水,没有地下水从管道进入多孔 介 质,代 表 暗 河 出 口 的 管 道 定 水 头(F i x H e a d)排泄的地下水量为1 1 1.6 3 L/s,占到总流出量的9 0%以上。而使用D r方案时,地下水流入、流出管道的量一致,均为9 6.5 3 L/s,说明管道实质上并未排泄地下水,而仅仅起到了将地下水从上游运移至下游,再进入多孔介质含水层的作用,代表暗河出口的排水沟单元排泄地下水流量为7 4.7 2 L/s。非稳定流情况的水均衡如图1 0所示,分别选取了与图7对应的4个时刻,每个时刻的水均衡情况与稳定流类似,不再累述。在非饱和带补给最大的第2时刻,大量的水进入含水层(见图1 0的第1,2列),对于2种方案均是如此,含水层此时起到了贮存地下水的作用。值得注意的是,在考虑含水层调蓄地下水的非稳定流条件下,F H方案的暗河出口流量变化较大(见图1 0-a第4列),而D r方案则相对平稳(见图1 0-b第4列)。这反映出F H方案更适合模拟受降雨影响明显,暗河出口流量激增骤减的情况;而D r方案则更适合模拟暗河补给周边含水层,暗河出口流量相对稳定的情况。图1 0 2种方案非稳定流水均衡柱状图F i g.1 0 W a t e r b a l a n c e o f t h e m o d e l u n d e r n o n-s t e a d y f l o w s i m u l a t i o n5 结 论(1)2种方案都能模拟实现地下水在暗河出口排泄,但暗河管道中水流的模拟差异显著:在D r方案中,上游段地下水由含水层汇集入管道,而在下游靠近出口的管道中水将流入含水层;在F H方案中,暗河管道全段都起到了汇集地下水的作用。(2)根据MO D F L OW边界条件概化原理,结合水均衡分析认为,造成模拟差异的水动力原理在于:D r方案将暗河出口概化排水沟,此边界只能排泄含水层中的地下水,而不能直接排泄暗河管道中的水流,因此上游进入管道的水,仍需在靠近出口处流出管道流入含水层,再从出口排泄。而F H方案则可以通过定水头(F i x H e a d)直接排泄管道中水流。(3)模拟岩溶区暗河管道汇集区域地下水的水文过程时,使用C F P子程序中定水头(F i x H e a d)概化暗河出口的方案更适合模拟受降雨影响明显,暗河出口流量激增骤减的情况;而D r方案则更适合模拟暗河补给周边含水层,暗河出口流量相对稳定652 第4期张子琦等:MO D F L OW岩溶暗河及出口的概化与模拟效果的情况。(所有作者声明不存在利益冲突)参考文献:1 X u Z Y,H u B X,X u Z X,e t a l.S i m u l a t i n g s e a w a t e r i n t r u s i o n i n a c o m p l e x c o a s t a l k a r s t a q u i f e r u s i n g a n i m p r o v e d v a r i a b l e-d e n s i t y f l o w a n d s o l u t e t r a n s p o r t-c o n d u i t f l o w p r o c e s s m o d e lJ.H y d r o g e o l o g y J o u r n a l,2 0 1 9,2 7(4):1 2 7 7-1 2 8 9.2 陈喜,刘传杰,胡忠明,等.泉域地下水数值模拟及泉流量动态变化预测J.水文地质工程地质,2 0 0 6,4 3(2):3 6-4 0.C h e n X,L i u C J,H u Z M,e t a l.N u m e r i c a l m o d e l i n g o f g r o u n d-w a t e r i n a s p r i n g c a t c h m e n t a n d p r e d i c t i o n o f v a r i a t i o n s i n t h e s p r i n g d i s c h a r g eJ.H y d r o g e o l o g y&E n g i n e e r i n g G e o l o g y,2 0 0 6,4 3(2):3 6-4 0(i n C h i n e s e w i t h E n g l i s h a b s t r a c t).3 束龙仓,许杨,吴佩鹏.基于MO D F L OW参数不确定性的地下水水流数值模拟方法J.吉林大学学报:地球科学版,2 0 1 7,4 7(6):1 8 0 3-1 8 0 9.S h u L C,X u Y,W u P P.G r o u n d w a t e r f l o w n u m e r i c s