濟南巖溶區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬及保泉供水管理模型研究.pdf

1、濟南市位于魯西北沖積平原和魯中南丘陵低山交接地帶，南靠泰山，北臨黃河，南高北低，夏天炎熱多雨，冬季寒冷干燥，具有典型的暖溫帶大陸性季風氣候特征。濟南號稱“泉城”，僅城區(qū)內(nèi)就有趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)丁⒄渲槿拇竺?，整個轄區(qū)還有大大小小700多個天然泉眼，有“七十二名泉”美稱，被譽為舉世無雙的天然巖溶泉水博物館。2010年，以趵突泉為代表的濟南諸泉被列入《中國國家自然與文化雙遺產(chǎn)預備名錄》。
　　隨著濟南城市建設與發(fā)展步伐的加快，對

2、水資源的需求量逐漸增多，長期超采及不合理的開發(fā)利用造成了濟南地下水位下降，泉水斷流:趵突泉從1972年首次斷流，之后經(jīng)常在枯水期間出現(xiàn)斷流，1999-2001年甚至連續(xù)斷流932天，一定程度上影響了城市形象，制約了社會經(jīng)濟發(fā)展。泉水斷流引起了濟南市委市政府的高度重視，自1983年起，保泉工作年年成為政府工作重點。為再現(xiàn)濟南泉水噴涌，恢復和改善生態(tài)環(huán)境，濟南市從2001年9月開始大量引用黃河水，關閉了市區(qū)及西郊水廠的部分供水井及二環(huán)路以內(nèi)

3、的工業(yè)自備井，近兩年，更是實施了回灌補源、海綿城市試點建設等項工程。保持泉水持續(xù)噴涌，合理、有效、持續(xù)地開發(fā)與利用地下水資源，控制城市因地下水資源的過度開發(fā)而導致的環(huán)境問題，建設生態(tài)宜居、可持續(xù)發(fā)展城市環(huán)境已經(jīng)成為濟南社會各界的共識。
　　濟南南部山區(qū)廣泛分布著寒武—奧陶系石灰?guī)r，有著發(fā)育良好的石灰?guī)r溶洞、溶孔、溶隙、溶蝕管道，為地下水的儲存運移提供了巨大的空間和通道;而市區(qū)的趵突泉泉域含水層有較大儲水空間和較強的調(diào)蓄能力，這種巨

4、大調(diào)蓄能力和得天獨厚的水文地質(zhì)條件，有利于利用地表水源進行人工調(diào)蓄補源。從水位埋深條件看，山前地帶水位埋深大，有利于自然入滲，市區(qū)附近地下水具有承壓性，不利于自然入滲;從含水層結構來看，地層產(chǎn)狀平緩，而且為北傾單斜構造，含水層厚度在30～60m之間為最佳。這也是濟南市可實施回灌補源、海綿城市建設的有利水文地質(zhì)條件之一。作為一名學生，我有幸參加了工程的查勘和論證，并以濟南巖溶區(qū)地下水作為研究對象，進行了深入地研究和探索。
　　自80

5、年代以來，特別是隨著計算機技術的應用與普及，地下水系統(tǒng)數(shù)值模型技術得到了快速發(fā)展，成為研究地下水運動規(guī)律和定量評價地下水資源的主要手段之一，逐漸取代了傳統(tǒng)的數(shù)學模擬技術。數(shù)值模型可以體現(xiàn)地下水系統(tǒng)的本質(zhì)特征，根據(jù)現(xiàn)有的地下水資源狀況和可以用于開發(fā)利用的地下水資源量，在確保不破壞自然生態(tài)環(huán)境及不發(fā)生無法治愈的水患條件下，在達到既能滿足泉水持續(xù)噴涌又能滿足城市經(jīng)濟建設和市民生活的需求目標下，可以最大化地開采及利用地下水資源，基本實現(xiàn)科學管理

6、地下水資源的既定目標。
　　本文所研究的濟南巖溶區(qū)地下水數(shù)值模型是結合濟南市城市總體發(fā)展規(guī)劃，針對目前城市地下水資源開發(fā)利用不當?shù)纫幌盗袉栴}，運用數(shù)值模原理建立科學靈活的地下水資源管理模型，從而獲得一個合理的、能夠反映研究區(qū)地下含水層系統(tǒng)特性的數(shù)值模型并通過運行該模型，應用信號與系統(tǒng)分析、響應矩陣法等，提出了地下水資源綜合開發(fā)利用總體優(yōu)化方案。該模型通過對工作區(qū)以往的基礎地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、保泉供水等資料進行收集、整理和綜合

7、研究，結合近年長測資料，通過野外調(diào)查，實地驗證，充分考慮到長孝巖溶系統(tǒng)、趵突泉泉域、白泉泉域的形成和發(fā)育均處在一個比較完整的地下水系統(tǒng)內(nèi)，在較長時期內(nèi)，有相對固定的補給項和排泄項，故將其作為一個有機系統(tǒng)，從整體出發(fā)，優(yōu)化組合，采用計算機技術、數(shù)學模型和優(yōu)化技術等手段，建立的一個科學合理的、反映研究區(qū)地下含水層系統(tǒng)特性的數(shù)值模型。模型采用GMS地下水模擬軟件包，確定了高程、模擬期以及水文地質(zhì)參數(shù)等，建立了三維可視化模型以及研究區(qū)潛水含水層

8、滲透系數(shù)分區(qū)圖、研究區(qū)潛水含水層給水度分區(qū)圖、研究區(qū)巖溶水含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖和研究區(qū)巖溶水含水層貯水率分區(qū)圖，并運用試估—校正法進行了模型的識別和驗證。地下水數(shù)值模型通過計算機技術模擬水位觀測期地下水水位變化過程，并通過計算出來的結果分析，得出:所建立的模擬水位和實測水位較為接近，符合研究區(qū)域的水文地質(zhì)條件，基本可以反映研究區(qū)實際水位的變化過程和地下水系統(tǒng)的水力特征。
　　地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬管理模型可以更系統(tǒng)地研究濟南地下水系統(tǒng)

9、的運動規(guī)律和含水系各方面關系，更精確地論證趵突泉泉域的水文地質(zhì)特征及其與相鄰水文地質(zhì)單元的關系，全面掌握研究區(qū)地下水流的運動規(guī)律，準確認識研究區(qū)域內(nèi)的水文和地質(zhì)條件，取得地下水規(guī)劃管理問題的最佳方案。同時，本文結合濟南地區(qū)的水文地質(zhì)條件，根據(jù)含水層的可利用容積、地下水位埋藏深度、含水層的導水性能和儲存性能等條件選擇了回灌補源地段進行地表水轉換地下水試驗研究，并提出了具體的補源方案。
　　地下水管理資源模型是目前探求濟南市科學開采利

10、用地下水的一項新的嘗試，它高度遵守地下水運動規(guī)律，為科學管理濟南市地下水資源這一目標服務。本文所研究的地下水資源管理模型是解決新階段城市發(fā)展過程中產(chǎn)生的水資源短缺問題和社會經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展問題、實現(xiàn)地下水資源系統(tǒng)的良性循環(huán)的一種新的探索和嘗試。本次研究主要取得了以下成果:
　　1.建立濟南巖溶區(qū)地下水數(shù)值模型。綜合考慮第四系孔隙含水層和裂隙巖溶含水層之間的水力聯(lián)系，結合研究區(qū)沖洪積扇的范圍、厚度等水文地質(zhì)要素，將長孝巖溶系統(tǒng)、

11、趵突泉泉域、白泉泉域作為一個整體進行建模。應用計算機技術重現(xiàn)水位觀測期地下水水位變動過程，并通過對計算結果的分析，進一步了解區(qū)域的水文地質(zhì)條件，建立可視化的濟南泉域及其鄰區(qū)的地下水數(shù)值模型。
　　2.建立濟南巖溶區(qū)地下水管理模型。在新建地下水數(shù)值模型的基礎上，應用信號與系統(tǒng)分析、響應矩陣法等方法，計算出濟西、西郊、市區(qū)、東郊開采地下水以及補源、城區(qū)建設等對泉水位的影響，生成濟南巖溶區(qū)地下水資源優(yōu)化管理模型，通過該模型得出更合理的地