基于灰色关联度和数值模拟法的金沙遗址区地下水动态变化影响因素分析.pdf

第 59 卷 第 6 期2023 年 6 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.59，No.6Jun.，2023DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2023.06.007收稿日期：2023-04-20作者简介：吴娇媚（1994-），女，海南万宁人，硕士研究生，研究方向：水文地质、工程地质，E-mail：。基于灰色关联度和数值模拟法的金沙遗址区地下水动态变化影响因素分析吴娇媚，兰左宇，李傲（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，四川 成都 610059）摘要：基于金沙遗址区的水文地质条件，定性分析了影响该地区地下水动态变化的主要因素，再分别采用灰色关联度分析法和数值模拟法，定量分析了气象水文条件和地下工程活动对该地区地下水动态变化的影响，同时确定了主控影响因素。结果表明：金沙遗址区地下水动态变化主要受气象水文条件和地下工程活动的叠加作用影响。其中，主控因素为河流补给和地铁7号线防渗帷幕的修建，降雨则是区域地下水及河流补给更新的主要因素。金沙土遗址的浸水潮湿、盐碱析出等病害受地下水动态变化的影响，地下水位的变化会直接或间接破坏土遗址，致使土遗址难以完整保存。关键词：地下水动态变化；灰色关联度；数值模拟；金沙土遗址中图分类号：P641.2文献标志码：A文章编号：2095-0144（2023）06-0028-06土遗址在广义上是指人类活动遗留下的土质遗物、遗迹的组合。我国的土遗址数量多、分布广、规模大，是珍贵的历史文化遗产，具有极其重要的历史文化价值1-3。但是，受其所处的自然地理环境、地质条件、水文地质条件以及土体自身的物理、化学性质影响，土遗址的保护是最复杂困难的。目前，可以按照土体含水状态、空气相对湿度和潮湿系数来划分潮湿状态的土遗址类型，也可以按照环境干湿度划分干旱或潮湿地区4-5。在潮湿环境中，受降雨、地下水、温（湿）度、风化和岩土体自身特性等多因素的综合作用，土遗址会产生收缩开裂、盐析粉化、表面酥松脱落、浸水潮湿和霉菌等病害6-7。通过对潮湿环境下土遗址主要病害类型及成因的研究得出，潮湿环境对土遗址造成破坏的主导因素是水，它可以直接或间接引发土遗址病变，加速物理破坏、化学破坏和生物破坏。地下水对遗址的浸泡和侵蚀将导致遗址土体软化，使土中可溶成分溶解、沉淀或转移8-9。由集中降雨及地下水位波动引起的毛细水作用是诱发遗址表面浸水潮湿、盐碱、粉化、掏蚀及崩塌等病害的重要因素10-15。因此，地下水是潮湿环境下土遗址病害发育的主控因素之一。控制地下水位是保护潮湿环境下土遗址的关键，而掌握了解地下水的动态变化特征及其影响因素则是控制地下水位的基础。大气降雨、河流水势、人类活动等自然因素和人为因素是影响地下水动态变化及水质的主要因素16-17。在前人对成都平原地下水动态变化影响因素的相关性分析中，气温和地下水开采在不同流域均占据主要作用，降雨量和地下水位之间均有显著相关性，而地铁附近地下水位的变化主要受地铁工程影响18-21。目前，针对地下水动态变化特征及其影响因素的分析研究，有不同的研究方法，得到的结论也存在一定差异。为了更加准确全面地对地下水动态变化特征及影响因素进行研究，前人采用了各种方法对影响地下水动态的自然驱动因子和人为驱动因子进行分析，如趋势线法、相关分析法、灰色关联度分析法、最小二乘回归模型、GIS地统计分析法、Modflow和Feflow数值模拟以及多种水文模型耦合等。李雪等22联合运用灰色系统理论和主成分回归分析方法，定量识别了京津冀平原区地下水位持续下降的主导因素，认为地下水开采是影响其动态的主导因素，降雨是限制地下水补给更新的主要因素。高宇阳等23利用灰色关联度方法评价了耕地面28积、地下水开采量、节水灌溉面积、地表水引水量、总灌溉面积和机井数量等因素的变化对该地区地下水位演化的影响程度。成璐24以成都地铁1号线、2号线为例，将地下车站与地铁隧道视为十字形阻水建筑物，从运营期干扰流场与施工期车站降雨两个方面进行系统分析，模拟出成都地区的地下水渗流场，预测了两种情况下地铁工程建成后车站造成的地下水位壅高情况。金沙土遗址对于研究商周时期都邑遗址的布局结构和功能分区具有重要意义，是全国重点文物保护单位。近几年，遗迹馆祭祀坑土遗址受地下水影响，遗址土体表面出现了浸水潮湿、盐碱析出等病害。因此，以成都金沙遗址区为研究对象，基于区域水文地质条件，定量分析了气象水文条件和地下工程活动等对金沙遗址区地下水动态变化的影响，以期为后续合理制定地下水控制措施和类似潮湿环境土遗址保护措施提供参考。1研究区域概况金沙遗址区，即金沙遗址博物馆，位于成都市西北部青羊区及金牛区交界处（图1），地处成都平原的东南边缘、川西平原岷江水系级和级阶地，地势平坦开阔，属亚热带湿润气候亚区。该地区雨量较充沛，多年平均值为947.0 mm，年平均气温为1516，7月平均气温最高可达26以上，多年平均相对湿度为82%，多年平均蒸发量为1 020.5 mm，多年平均潮湿系数为0.93。从环境干湿度来看，研究区域属于潮湿地区或潮湿环境。研究区域勘探钻孔揭露的主要地层包括第四系全新统人工填土层（Q4ml）杂填土、素填土，第四系全新统冲积层（Q4al）粉质黏土、粉土、细中砂及卵石夹砂砾（图2）。地下水主要赋存于第四系全新统砂砾卵石层中，综合渗透系数为 10.3938.88 m/d，平均渗透系数为25.51 m/d，为强透水层；单孔涌水量2002 000 m3/d，水量中等-丰富；含水层总厚度大于 20 m，最大可达 70 m，有效厚度为1736 m，主要为孔隙潜水。区域地下水主要受大气降雨补给、上游地下水侧向补给和河流补给，总体上自北西向南东排泄。研究区域地下水位埋深市成都区青羊区金牛N图例第四系全新统-粉质黏土、粉土、砂土和卵石第四系更新统-粉质黏土、粉土、砂土和卵石监测井浸水潮湿、盐碱析出浸水潮湿、盐碱析出金博路金凤路摸底河陈列馆NZK1地下水流向ZK3摸底河遗迹馆ZK2ZK6ZK7中环路青羊大道段地铁7号线金沙遗址路图1遗址位置及土遗址病害类型第6期吴娇媚，等：基于灰色关联度和数值模拟法的金沙遗址区地下水动态变化影响因素分析第59卷29相对较浅，一般为28 m，水位为454457 m，随季节变化明显，地下水位年变化幅度为13 m。遗迹馆祭祀坑土遗址（2001年发掘出土，2007年正式开馆）位于遗址区东部、摸底河南岸，距离摸底河最近处不足50 m，遗迹馆东侧约100 m处有成都地铁7号线穿过。地铁7号线自2013年起施工，至2016年底完工。在地铁基坑降水、防渗帷幕施工期间，遗址区内地下水位受到影响。自2016年起，遗迹馆祭祀坑土遗址出现墙体表面浸水潮湿、开裂及盐碱析出等现象。其中，馆东侧的祭祀坑土遗址地面标高最低，表面发生的浸水潮湿、盐碱析出等病害最为严重。受降雨、河流水势等气象水文因素和地铁7号线防渗帷幕施工等地下工程活动影响，遗址区及其周边的地下水位波动较大。气象水文条件以及地下工程活动等因素的影响作用复杂，且各因素之间还存在相互影响。2研究数据与方法2.1研究数据2000-2022年的地下水位动态监测数据（监测井CG1CG2）来源于四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院。该数据部分有所缺失，剔除无地下水位数据记录及对应的降雨量数据后，选取土遗址发掘出土（2001年）、正式开馆（2007年）、地铁7号线建设前后（2013年、2014年、2016年、2017年和 2022 年）等典型年份的水位数据进行分析。2000-2022年的气象水文数据来源于四川省气象局气象信息中心，包括日、月、年的降雨量等。摸底河、ZK1ZK7等地表及地下水位监测数据（数据时间为2022年8月至2023年3月）来自统测统计及自动监测。2.2研究方法2.2.1 灰色关联度分析法在解决实际问题时，定量描述或比较一个系统发展变化的态势，可以用灰色关联度分析法25-26。该方法通过确定各样本数据几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密，反映了曲线间的关联程度。若样本数据反映出的两个及以上因素变化的态势基本一致，则其关联度较大；反之，则关联度较小。研究区域地下水位变化原因较复杂，在进行降雨、河流水势等气象水文因素的变量分析时，采用灰色关联度分析法，探讨影响地下水位变化的各个因素之间的紧密程度及相关性，并确定其主控因素。2.2.2 Modflow数值模拟法基于遗址区水文地质条件及试验获得的水文地质参数进行模型概化，再以水文地质概念模型及数学模型为基础，采用Visual Modflow软件平台，经过三角网格剖分、时间步长设置、初始水位和边界条件设定，以及重要水文地质参数和源汇项的数值输入等步骤后，构建研究区域的三维模型，并对其三维稳定和非稳定地下水系统进行模拟27-28。研究分析地铁7号线建设前后的地下水渗流场和水位变化情况，确定其主控因素。3结果与分析3.1地下水位动态监测2000-2022年，研究区域及其周边的地下水位年际间起伏波动较大，年平均地下水位在452.55457.09 m之间变化。2000年，两个监测井的平均地下水位在456.34456.72 m。2001-2008年，地下水位普遍下降，2009年起有所回升，水位在455.21456.24 m 之间波动。2009-2022 年期间，有 3 年（2014年、2015年和2022年）的年平均地下水位发生过骤降。其中，2022年CG1的水位下降幅度最大，下降近4 m 图3（a）。年内地下水位起伏波动明显，地下水位在7-9月呈上升趋势，平均地下水位在452.55456.34 m之间波动 图3（b）。3.2气象水文条件影响对于地下水的动态变化，最直接的自然影响因素是气象水文条件，主要体现在降雨量和河水位的0246810121416地层深度/m人工填土粉质黏土粉土砂土卵石（含水层）钻孔编号ZK1ZK2ZK3ZK6ZK7图2地层剖面2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷302023-032022-092022-102022-112022-122023-012023-02水位/m460459458457456455454河水位地下水位日期年平均地下水位年平均降雨量160140120100806040200年平均降雨量/mm460450440430420年平均地下水位/m20002005201020152020年份（a）地下水位与降雨量（b）地下水位与河水位图4地下水位与降雨量、河水位关系460459458457456455454453452地下水位/m2001200720132014201620172022123456789101112月份457456455454453452地下水位/mCG1CG2200020052010201520202025年份（a）年际变化（b）年内变化图3地下水位年际和年内变化情况变化。由图3、图4可以看出，2000-2022年该区域的地下水位动态变化受降雨影响明显，具有季节性和多年周期性等特征，水位动态变化曲线呈锯齿状，年内丰枯水期与地下水位的变化在时间上基本吻合。每年的7-9月为降雨集中的时段，地下水位随降雨补给量增加而抬升 图4（a），7月或8月达到最高，然后逐渐回落。气象条件的多年周期变化使地下水位出现与之对应的多年动态变化，与丰水年（2001年、2013年、2016年和2017年）相对应的地下水位较高，变幅为1.02.5 m；枯水年（2007年、2014年和 2022 年）降雨补给量减少，地下水位变幅为0.51.5 m。由图4（b）可以看出，区域内的地下水位随河水位变化，总体与摸底河的水位吻合程度较高，推测认为地下水与摸底河之间的联系紧密，地下水受摸底河的影响程度较大。灰色关联度分析法是分析系统中各因素之间关联程度的一种方法，适用于地下水动态过程的量化分析。以地下水位作为比较数列，并以降雨量和河水位作为参考数列进行灰色关联度分析，结果见表1。表1显示，影响遗址区地下水动态的气象水文主控因素为摸底河水位。由于遗址区面积较小，受降雨影响不明显，降雨是在较大范围上影响着当地的地下水位和河水位，它们之间的相互作用共同影响着遗址区地下水位的动态变化。数据分析显示，河水位变化是影响地下水位的直接因素，河流直接补给地下水使得地下水位上升。表1灰色关联度分析计算结果数列地下水位关联度降雨量0.641河水位0.996第6期吴娇媚，等：基于灰色关联度和数值模拟法的金沙遗址区地下水动态变化影响因素分析第59卷31图5三维水文地质模型研究区域摸底河遗迹馆460 450 440 430高程/m3.3地下工程影响3.3.1 模型建立与参数选取近年来，随着城市化进程加快，对交通运力的需求急剧增加。地铁、隧洞等地下工程使地下空间发生改变，从而影响地下水流场。对于研究区域来说，在抽取地下水及绿化灌溉等用水量基本不变的情况下，地下工程的建设是引起地下水环境变化的主要因素。建立的模型平面尺寸为875.0 m865.0 m，模拟范围为0.76 km2，垂向高程为421.0464.0 m。结合现场实际情况，沿垂向将模型剖分为6层网格。每个细化单元格的平面尺寸为17.5 m17.3 m，共计50行、50列。参考成都市的年均降雨量，再与研究区域的入渗条件进行对比，同时考虑到遗址区内设有排水沟，最终将模型场区中的降雨补给量统一设置为130 mm/年。模型的渗透系数取值见表2，三维模型见图5。3.3.2 模拟结果分析模型初始边界条件设置为河流边界及定水头边界，模型采用现场观测水位进行校准验证。工况划分为天然状态和增设地铁7号线防渗帷幕2种工况。图6所示为模型运行计算出的2种工况下的地下水渗流场。对比天然状态和增设地铁7号线防渗帷幕工况的计算结果可知，增设的防渗帷幕使研究区域地下水位产生明显变化，自西向东、自北向南的壅高值逐渐增大，遗迹馆东侧最大可达0.29 m，遗迹馆西侧最大可达0.24 m。防渗帷幕的修建对地下水位影响较明显，地下水呈现出自西向东流动的趋势。经分析，在地铁的建设及运营阶段，防渗帷幕使地下水原始径流通道阻塞，且地铁基坑降水后地下水位快速回升，在一定程度上也加剧了地下水位表2各土层渗透系数地层岩性人工填土粉质黏土粉土细中砂砂砾卵石渗透试验结果/（m/s）4.9510-71.1410-59.4310-59.5810-57.5010-3渗透系数取值/（m/s）Kx5.0010-61.1410-59.4310-59.0010-57.5010-3Ky5.0010-61.1410-59.4310-59.0010-57.5010-3Kz5.0010-71.1410-59.4310-59.0010-67.5010-3456.000地下水位/m455.913456.588457.264457.939458.614459.515460.415459.500459.000458.500458.000457.500457.000456.500地下水位/m455.611456.335457.058457.781458.505459.469460.434459.500459.000458.500457.500458.000457.000456.500456.000图6地下水渗流场（a）天然状态（b）增设地铁7号线防渗帷幕2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷32的抬升。同时，摸底河在丰水期水位抬升，能够快速补给地下水，在地下水径流受阻的情况下，进一步抬升了地下水位。由此可知，影响研究区域地下水动态变化的主控因素为地铁7号线防渗帷幕的修建，其不仅改变了原地下水流场，也造成区域内地下水位壅高。4结论与讨论4.1结论基于研究区域水文地质条件，定量分析了气象水文条件和地下工程活动等因素对地下水动态变化的影响。（1）研究区域地下水动态变化的主要影响因素为气象水文条件和地下工程活动。各因素之间的相互作用共同影响着研究区域地下水位的动态变化。（2）气象水文条件中的主控因素为河流水势，降雨则是区域地下水及河流补给更新的主要因素。（3）地下工程活动中的主控因素为地铁7号线防渗帷幕的修建，其造成区域内地下水位壅高。金沙土遗址的浸水潮湿、盐碱析出等病害受地下水动态变化的影响，地下水位的变化直接或间接破坏了土遗址，致使土遗址难以完整保存。因此，控制地下水位是保护金沙土遗址的关键。4.2讨论影响地下水动态变化的因素有很多，研究区域不同，影响因素也不同，且多数情况是各因素相互叠加作用的结果。同时，分析研究的方法也是多种多样的。由于目前研究区域内的地下水位监测数据不足，遗址区及区域地下水、河流等相关数据的时间不连续，且河流、地下水位的监测数据样本较少、时间尺度较短，限制了研究团队对地铁7号线建设前后区域地下水动态变化过程及其与河流之间动态关系的深入研究，使得定量分析得出的结果存在一定的局限性。研究仅采用灰色关联度分析法和数值模拟法分别对气象水文条件和人为因素进行了研究分析，确定出主控因素。未来，相关的地下水位等监测数据还有待进一步收集整理。参考文献：1张虎元，李敏，王旭东，等.潮湿土遗址界定及病害分类研究J.敦煌研究，2011，31（6）：70-75.2崔梦鹤.潮湿环境土遗址的病害及保护对策简述J.山西建筑，2018，44（3）：252-253.3孙满利,陈彦榕,沈云霞.土遗址病害研究新进展与展望J.敦煌研究，2022，42（2）：136-148.4张明泉，张琳，王旭东，等.考古现场土遗址保护中环境干湿度判定指标体系的建立与应用J.兰州大学学报（自然科学版），2013，49（4）：465-469.5阳承良.潮湿环境下土遗址保护研究现状J.湖南省博物馆馆刊，2019，16（1）：630-635.6冯永亨，温敬伟，傅英毅，等.土遗址博物馆展区微环境变化对土壤含水率的影响初探J.遗产与保护研究，2018，3（12）：74-76.7LI Y H，ZHANG W L，WU R B，et al.High Air RelativeHumidity and Lighting Modes Govern Mould Growths onDamp Soil Ruins Surface in High-Humidity RegionsJ.E3S Web of Conferences，2020，172（1）：1-7.8谢娜.潮湿环境下古文化遗址保护措施研究D.兰州：兰州大学，2013.9王旭东.潮湿环境土遗址保护理念探索与保护技术展望J.敦煌研究，2013，33（1）：1-6.10徐燕祎，王思嘉，张秉坚，等.遗址博物馆土遗址病害调查与成因分析以萧山跨湖桥遗址博物馆为例J.文物保护与考古科学，2018，30（1）：53-62.11任克彬，王博，李新明，等.毛细水干湿循环作用下土遗址的强度特性与孔隙分布特征J.岩土力学，2019，40（3）：962-970.12覃政教，林玉石，高明刚，等.桂林甑皮岩遗址岩溶地下水水害成因及防治对策J.地球学报，2011，32（1）：107-113.13张晓周，云智汉，袁伟，等.某遗址祭祀区包气带水分布特征及其对遗址保存的影响J/OL.人民珠江，（2023-02-08）2023-04-11.http:/ 426混凝土换填换填量/m32 034二次成孔/m467双钢护筒内护筒/m3 245外护筒/m1 447桂林理工大学学报，2021，41（3）：510-517.18蒋文武.成都平原浅层地下水水位动态变化J.价值工程，2018，37（13）：233-237.19蒋文武.成都平原地下水动态特征及预测研究D.成都：成都理工大学，2018.20范辰辰.岷-沱江联合冲洪积平原地下水动态研究D.成都：成都理工大学，2014.21张曦.城市化进程对地下水系统的影响D.成都：成都理工大学，2009.22李雪，张元，周鹏鹏，等.长时间尺度的京津冀平原区地下水动态模拟及演变特征J.干旱区资源与环境，2017，31（3）：164-170.23高宇阳，杨鹏年，阚建，等.人类活动影响下乌苏市地下水埋深演化趋势J.灌溉排水学报，2019，38（10）：90-96.24成璐.成都地铁1、2号线工程主要水文地质问题分析D.成都：成都理工大学，2008.25陈文芳，杜尚海，陈蕾，等.水源热泵影响下地下水温度主控因素关联度分析J.水资源与水工程学报，2017，28（3）：158-162.26路璐，王振龙，杜富慧，等.淮北平原基于水文气象多因子的土壤水分动态预测J.水资源与水工程学报，2019，30（4）：237-243.27吴鑫，孙伯明，陈菁，等.基于Visual MODFLOW的挠力河流域地下水数值模拟与预测分析J.水电能源科学，2020，38（12）：37-40.28马建花，曾润强，边世强，等.基于Visual Modflow的河流阶地灌溉区地下水模拟分析以黑台为例J.兰州大学学报（自然科学版），2020，56（5）：580-586.（上接第33页）2023年第6期甘肃水利水电技术第59卷60