濟(jì)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(jì)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(fēng)氣候特征。濟(jì)南號(hào)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(gè)轄區(qū)還有大大小小700多個(gè)天然泉眼，有“七十二名泉”美稱，被譽(yù)為舉世無(wú)雙的天然巖溶泉水博物館。2010年，以趵突泉為代表的濟(jì)南諸泉被列入《中國(guó)國(guó)家自然與文化雙遺產(chǎn)預(yù)備名錄》。
　　隨著濟(jì)南城市建設(shè)與發(fā)展步伐的加快，對(duì)

2、水資源的需求量逐漸增多，長(zhǎng)期超采及不合理的開(kāi)發(fā)利用造成了濟(jì)南地下水位下降，泉水?dāng)嗔?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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。泉水?dāng)嗔饕鹆藵?jì)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(diǎn)。為再現(xiàn)濟(jì)南泉水噴涌，恢復(fù)和改善生態(tài)環(huán)境，濟(jì)南市從2001年9月開(kāi)始大量引用黃河水，關(guān)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(shí)施了回灌補(bǔ)源、海綿城市試點(diǎn)建設(shè)等項(xiàng)工程。保持泉水持續(xù)噴涌，合理、有效、持續(xù)地開(kāi)發(fā)與利用地下水資源，控制城市因地下水資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)而導(dǎo)致的環(huán)境問(wèn)題，建設(shè)生態(tài)宜居、可持續(xù)發(fā)展城市環(huán)境已經(jīng)成為濟(jì)南社會(huì)各界的共識(shí)。
　　濟(jì)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(chǔ)存運(yùn)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(chǔ)水空間和較強(qiáng)的調(diào)蓄能力，這種巨

4、大調(diào)蓄能力和得天獨(dú)厚的水文地質(zhì)條件，有利于利用地表水源進(jìn)行人工調(diào)蓄補(bǔ)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(jié)構(gòu)來(lái)看，地層產(chǎn)狀平緩，而且為北傾單斜構(gòu)造，含水層厚度在30～60m之間為最佳。這也是濟(jì)南市可實(shí)施回灌補(bǔ)源、海綿城市建設(shè)的有利水文地質(zhì)條件之一。作為一名學(xué)生，我有幸參加了工程的查勘和論證，并以濟(jì)南巖溶區(qū)地下水作為研究對(duì)象，進(jìn)行了深入地研究和探索。
　　自80

5、年代以來(lái)，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與普及，地下水系統(tǒng)數(shù)值模型技術(shù)得到了快速發(fā)展，成為研究地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和定量評(píng)價(jià)地下水資源的主要手段之一，逐漸取代了傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)。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(kāi)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(wú)法治愈的水患條件下，在達(dá)到既能滿足泉水持續(xù)噴涌又能滿足城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和市民生活的需求目標(biāo)下，可以最大化地開(kāi)采及利用地下水資源，基本實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理

6、地下水資源的既定目標(biāo)。
　　本文所研究的濟(jì)南巖溶區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型是結(jié)合濟(jì)南市城市總體發(fā)展規(guī)劃，針對(duì)目前城市地下水資源開(kāi)發(fā)利用不當(dāng)?shù)纫幌盗袉?wèn)題，運(yùn)用數(shù)值模原理建立科學(xué)靈活的地下水資源管理模型，從而獲得一個(gè)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(guò)運(yùn)行該模型，應(yīng)用信號(hào)與系統(tǒng)分析、響應(yīng)矩陣法等，提出了地下水資源綜合開(kāi)發(fā)利用總體優(yōu)化方案。該模型通過(guò)對(duì)工作區(qū)以往的基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、保泉供水等資料進(jìn)行收集、整理和綜合

7、研究，結(jié)合近年長(zhǎng)測(cè)資料，通過(guò)野外調(diào)查，實(shí)地驗(yàn)證，充分考慮到長(zhǎng)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(gè)比較完整的地下水系統(tǒng)內(nèi)，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，有相對(duì)固定的補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)，故將其作為一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，從整體出發(fā)，優(yōu)化組合，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化技術(shù)等手段，建立的一個(gè)科學(xué)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(yùn)用試估—校正法進(jìn)行了模型的識(shí)別和驗(yàn)證。地下水?dāng)?shù)值模型通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬水位觀測(cè)期地下水水位變化過(guò)程，并通過(guò)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果分析，得出:所建立的模擬水位和實(shí)測(cè)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(shí)際水位的變化過(guò)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(jì)南地下水系統(tǒng)

9、的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和含水系各方面關(guān)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(guān)系，全面掌握研究區(qū)地下水流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)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(wèn)題的最佳方案。同時(shí)，本文結(jié)合濟(jì)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(dǎo)水性能和儲(chǔ)存性能等條件選擇了回灌補(bǔ)源地段進(jìn)行地表水轉(zhuǎn)換地下水試驗(yàn)研究，并提出了具體的補(bǔ)源方案。
　　地下水管理資源模型是目前探求濟(jì)南市科學(xué)開(kāi)采利

10、用地下水的一項(xiàng)新的嘗試，它高度遵守地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為科學(xué)管理濟(jì)南市地下水資源這一目標(biāo)服務(wù)。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(guò)程中產(chǎn)生的水資源短缺問(wèn)題和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題、實(shí)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(jì)南巖溶區(qū)地下水?dāng)?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(jié)合研究區(qū)沖洪積扇的范圍、厚度等水文地質(zhì)要素，將長(zhǎng)孝巖溶系統(tǒng)、

11、趵突泉泉域、白泉泉域作為一個(gè)整體進(jìn)行建模。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)重現(xiàn)水位觀測(cè)期地下水水位變動(dòng)過(guò)程，并通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，進(jìn)一步了解區(qū)域的水文地質(zhì)條件，建立可視化的濟(jì)南泉域及其鄰區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型。
　　2.建立濟(jì)南巖溶區(qū)地下水管理模型。在新建地下水?dāng)?shù)值模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用信號(hào)與系統(tǒng)分析、響應(yīng)矩陣法等方法，計(jì)算出濟(jì)西、西郊、市區(qū)、東郊開(kāi)采地下水以及補(bǔ)源、城區(qū)建設(shè)等對(duì)泉水位的影響，生成濟(jì)南巖溶區(qū)地下水資源優(yōu)化管理模型，通過(guò)該模型得出更合理的地