武汉市地表水-地下水交互带识别与变化模拟.pdf
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1、地表水-地下水交互带是地表水与地下水混合交换的重要区域,该混合特性也是识别其范围的难点。为确 定地表水-地下水交互带的识别方法与变化特征,选取地表水-地下水相互作用明显的武汉市汉江-府河河间地块冲 湖积平原为研究区,构建了研究区内的地下水数值模型,得到了研究区内地下水流场轨迹,分析了研究区区域和局 部的水流系统,总结了地表水-地下水交互作用模式,并结合MODPATH模块追踪地下水流运动轨迹,识别地表 水-地下水交互带及其变化特征。结果表明:研究区地表水-地下水完全混合交互带的范围在汉江顺流方向由40 m 不断拓宽至180 m,沿长江流向地表水-地下水交互带范围整体缩小但保持在70100 m范围
2、内;粒子运动轨迹分 析结果显示,影响地表水-地下水交互带范围与交互作用强度的因素主要有地形、地表水形态、含水层水文地质条 件。该研究结果可为确认地表水-地下水交互带范围及其动态变化特征提供依据。关键词:地表水-地下水交互带;地下水流系统;汉江-长江冲积平原;数值模拟 中图分类号:X143 文章编号:1671-1556(2023)03-0222-12 收稿日期:2022-10-26DOI;10.13578/ki.issn.1671-1556.20221412 开放科学(资源服务)标识码(OSID):Identificatio n and Variatio n Simulatio n o f Su
3、rface Water and Gro undwater Hypo rh eic Zo ne in Wuh an CityLIU Yijia n1,ZHOU Ho ng1*,KUANG Ye2,CAO Wenjia3,WANG Weixia ng1,GUO Xulei4(1.Insititutio n o f Geo lo g ic al Researc h,Ch ina University o f Geo sc ienc es(Wuh an),Wuh an 430074,Ch ina2.Ke y L abo rato ry o f Geo lo g ic al Surv e y and E
4、valuatio n o f Ministry o f Ed uc atio n,Ch ina University o f Geo sc ienc es(Wuh an)9Wuh an 430074,C加血;3 SINO-ZIJIN Reso urc es(Be ijing)Co.L td.,Be ijing 1QQ024.9Ch ina;4.Sc h o o l o f Enviro nmental Stud ies?Ch ina University o f Geo sc ienc es(Wuh an)9Wuh an 430078,CAma)Abst r ac t:Th e h ypo r
5、h eic zo ne is a n impo rt a nt a rea f o r t h e mixing a nd exc h a nge o f s urf a c e wa t er a nd gro undwa t er,a nd t h e mixing c h a ra c t eris t ic s a re a ls o t h e dif f ic ult y t o ident if y it s s c o pe.In o rder t o ident if y t h e h ypo rh e ic zo ne a nd det ermine dyna mic c
6、 h a ra c t eris t ic s,a gro undwa t e r numeric a l mo del is es t a blis h ed ba s ed o n t h e a lluv ia l la c us t rine pla in o f Ha njia ng Riv er-Fuh e Riv er int erf luv ia l la nds in Wuh a n Cit y,wh ere t h ere is c lea rly int era c t io n bet we en gro undwa t er a nd s urf a c e wa t
7、 er.Th e t ra jec t o ry o f gro undwa t er f lo w f ield in t h e s t udy a rea is o bt a ined t h ro ugh t h e gro undwa t er numeric a l s imula t io n,t h e regio na l a nd t h e lo c a l wa t er f lo w s ys t em in t h e s t udy a rea is a na lyzed,t h e f o rm o f t h e int era c t io n bet we
8、en gro undwa t er a nd s urf a c e wa t er is o bt a ined,t h e gro undwa t er f lo w t ra c e in t h e h ypo rh eic zo ne is t ra c k ed by MODPATH,a nd t h e s urf a c e wa t er a nd gro undwa t er h ypo rh eic zo ne a nd it s v a ria t io n c h a ra c t eris t ic s a re ident if ied Th e res ult
9、s s h o w t h a t t h e 基金项目:武汉市多要素城市地质调査示范项目(WHDSY-2021-006)作者简介:刘怡健(1999),男,硕士研究生,主要研究方向为地下水流系统。E-ma il:20171000254c ug.edu.c n通讯作者:周 宏(1962-),男,教授,博士生导师,主要从事水文地质与岩溶流域水资源调查评价方面的教学和科研工作。E-ma il:zh o uh o ng c ug.edu.c n第3期刘怡健等:武汉市地表水-地下水交互带识别与变化模拟223ra nge o f s urf a c e wa t er a nd gro undwa t e
10、r f ully mixed h ypo rh eic zo ne in t h e s t udy a rea is c o nt inuo us ly widened f ro m 40 m t o t h e ma ximum ra nge o f 180 m in t h e do wns t rea m direc t io n o f t h e Ha njia ng Riv er,a nd it is genera lly reduc e d but k ept a t 70 100 m a lo ng t h e Ya ngt ze Riv er;t h e a na lys
11、is res ult s o t h e pa rt ic le t ra ject o ry s h o w t h a t t h e f a c t o rs a f f ec t ing t h e ra nge a nd int ens it y o t h e h ypo rh eic zo ne inc lude t o po gra ph y,s urf a c e wa t er mo rph o lo gy,a nd h ydro geo lo gic a l c o ndit io ns o f a quif ers.Th e res ea rc h res ult s
12、c a n pro v ide a ba s is f o r c o nf irming t h e ra nge a nd dyna mic c h a nge c h a ra c t eris t ic s o f t h e s urf a c e wa t er a nd gro undwa t er h ypo rh eic zo ne Key wo r ds:s urf a c e wa t er a nd gro undwa t er h ypo rh eic zo ne;gro undwa t er f lo w s ys t e m;Ha njia ng Riv er-Y
13、a ngt ze Riv er a lluv ia l pla in;numeric a l s imula t io n地表水-地下水交互带是水流相互作用、发生频 繁转化关系的混合区域E,在该区域内,水流不断发 生着多向变化,在其中发生着许多重要的生物地球 化学反应,具有净化环境的功能,对于维持生态系统 的稳定性起着重要的作用炉刃。但是,地表水-地下 水交互带造成的地下水水位波动可能会引发建筑安 全问题。目前对于地表水-地下水交互带的定义多数从 生物化学角度出发,认为地表水一地下水交互带的主 体范围处于河床下方沉积物以及河床两侧的活跃地 下水-地表水交互区域金门,并以生物生存环境、元素 富集
14、、有机质分布以及重金属等污染物的运移为依 据来识别地表水-地下水交互带,研究其中的物质组 成与变化以及对地下水的影响金刃。然而,地表水-地下水交互带是水动力因素驱动下地表水与地下水 不断交换混合形成的,是复杂水文过程的结果A如,地下水与地表水进行交互的强度决定了地表水-地 下水交互带的范围。因此,从地下水流系统的角度 建立识别地表水-地下水交互带并研究其变化特征 的方法十分重要。目前对于地表水-地下水交互带特性的认识多 数为经验性成果,主要来自于地下水流作用影响下 的溶质运移试验如。尽管通过该类试验能够确认 该试验区的地下水存在点对点的交互作用,但并不 能以此推至整个区域。数值模拟技术目前已发
15、展成 熟,该技术依据地下水流运动的微分方程,并利用计 算机通过大量数值运算可实现地下水流运动的数值 模拟,目前主要应用于模拟地下水流动、地下水水位 以及溶质运移等,已在水资源量计算、地下水污染物 迁移分析、软土地面沉降计算等方面取得了一定的 研究成果如,并且在模拟结果下还能够提取地下 水流运动信息,从而实现通过地下水流识别地表水-地下水交互带的目的。本文以武汉市境内的汉江-长江冲湖积平原为 研究区,首先利用研究区内的钻孔资料以及地下水 水位、河流湖泊水位、气象降雨、抽水试验成果等数 据,构建了研究区内的地下水数值模型,并采用灵敏 度识别、参数反演、观测孔拟合以及均衡法验证等方 法对该模型进行了
16、识别、校正与验证,通过对数值模 拟结果所展现的研究区动态地下水流系统进行分 析,结合研究区内的水文地质条件、地下水流时序变 化特征、地下水与地表水丰枯水期变化响应特征,对 研究区的地下水流场动态模式进行了总结;然后,结 合MODPATH粒子追踪模块,对地下水运移轨迹 进行提取,确认了研究区内地下水与地表水完全混 合交互带的范围,总结了地表水-地下水交互带的时 空特征,并结合粒子运动轨迹空间上的分布情况,分 析了地表水-地下水交互带范围的差异性;最后,结 合地下水流场的动态变化情况,总结了地表水-地下 水交互带上粒子运移的时空规律,并分析讨论了影 响地表水-地下水交互带范围以及交互作用强度的 因
17、素,为确认研究区地表水-地下水交互带范围及其 动态变化特征提供数值模拟方面的参考,以从地下 水流系统的角度认识地表水-地下水交互带。1研究区概况研究区位于武汉市,包括了江岸区、江汉区、斫 口区以及东西湖区范围,整体上地势平缓,位于江汉 平原东缘,为汉江-府河河间地块冲湖积平原。研究区底部基岩以志留系坟头组以及白垩-古 近系的公安寨组(K2-Elg)为主,主要覆盖在志留 系、泥盆系、石炭-二叠系、三叠系等地层经燕山造山 运动而变形移位产生的前陆褶冲带基底上,由于受 北部白垩-古近系基岩的影响,地形有北高南低的趋 势,第四系沉积物有北薄南厚的特点,其厚度为20 40 m,以早更新世的东西湖组和全新
18、世的走马岭组 为主体,部分地块出露有中更新世王家店组(Qpz词)的残破积网纹红土。第四系早更新世东 西湖组(QpM)和全新世走马岭组(Qh z)的砂砾石 层组成了研究区内主要的松散岩类孔隙含水岩组,其上普遍覆盖一层黏土,为双层结构,使该孔隙含水 224安会与規境 工程 ht t p:/kt aq c bpt.c 第30卷岩组具有承压性,成为孔隙承压含水层。受汉江与 长江切割、搬运、沉积作用的影响,汉江与长江河床 切穿该承压含水层顶板,直接与地下水交互。在长 江心滩、漫滩区上,上部黏土被大范围剥蚀,再沉积 了全新统冲积及冲洪积粉土、粉砂和砂砾石,构成了 沿岸的松散岩类孔隙潜水含水层。1140,1
19、14。30-O E O O EOEO O114。0 114。30 115。0(a)研究区地理位置图|松散岩类孔隙含水系统|碳酸盐岩类岩溶裂隙含水系统|115011401141011420L 寸。0 T 0 O I EO寸。ocnOEOOE114。0 11410 114。20(b)研究区地下水含水系统孔隙裂隙含水系统|双层含水系统(碳腸飜滎统)|双层含水系统孔隙潜水 河流湖泊 市界工_匸O寸。0E寸。0E孔隙含水系统边界|下伏基舲水系统边界D图1研究区地理位置和地下水含水系统图Fig.1 Geo gra ph ic a l lo c a t io n o f t h e s t udy a re
20、a a nd t h e gro undwa t er s ys t em in t h e s t udy a rea武汉市属于北亚热带季风性气候,年均降雨量 为1 1001 600 mm,降雨普遍集中于58月份,占全年降雨量的80%左右。长江与汉江水位丰枯 季节变化明显,水位变幅可达数十米,每年12月份 到次年1月份为枯水期,长江最低水位为1113 m,汉江最低水位为1213 m;每年78月份为丰 水期,长江最高水位可达27 m,汉江最高水位可达 28 mo根据曾圆梦口门对武汉市大气氢氧同位素组 成的研究表明,武汉市地下水具有接受地表水与降 雨混合补给的特征。研究区地下水水位随江水涨落 而
21、发生响应变化,通过分析研究区内部分孔隙承压 水监测井的地下水水位与汉江、长江水位以及降雨 量的关系,并计算地下水与地表水的水位变幅、峰值 相位时间差、空间距离,进而选用Pe a rs o n相关系数 法对研究区内孔隙承压地下水水位与汉江水位进行 了相关性分析,其相关性分析结果见表1,绘制了研 究区孔隙承压地下水水位与汉江水位和降雨量的响 应变化图,见图2。由表1和图2可知,研究区内孔隙承压地下水 水位与地表水水位和大气降雨量均有密切的联 系O表1研究区内孔隙承压地下水水位与汉江水位的相关 系数表Ta ble 1 Co rrela t io n c o ef f ic ient bet ween
22、 po re c o nf ined gro ud-wa t er lev el a nd Ha njia ng Riv er wa t er lev el in t h e s t udy a rea钻孔 编号钻孔地 理位置钻孔与汉 江距离/km地下水与 地表水峰 值相位时 间差/d地下水与 地表水(舵落口)相关系数地下水与 地表水(新沟)相关系数1-5武汉市东西0.3120.960.98湖区蔡家台汉阳区琴台1-9大道琴断口武汉市汉阳0.7920.930.941-7区黄金口 武汉市东西0.9420.960.981-3湖青松村5.72-260.500,532数值模型建立与识别2.1水文地质概念
23、模型建立研究区地层垂向结构从上至下分别从相对隔水 的黏土层过渡至孔隙承压含水层,底部为相对隔水 的基岩(图3)。吴家山地区存在部分Qp2wpa l的网第3期刘怡健等:武汉市地表水-地下水交互带识别与变化模拟2250 5 03 2 2 日、琴51L2018-11-20 2019-03-20 2019-07-02 2019-10-22日期/(年-月-日)图2研究区内孔隙承压地下水水位与汉江水位和降雨 量的响应变化图Fig.2 Respond relationship between pore confined g roundwater level and Hang jiang River wate
24、r level and rainfall in the study area纹红土作为相对隔水层隔断上覆的孔隙承压含水 层,含水层内形成镂空区域。距离/km2 4 6 8 10 12 14 16 18日。、*te迤O 2 4 6 810(b)第二层孔隙承压含水层模型边边 界排头碍 边补水障 水向知水 隔侧已隔o o o o o O4 2 2 4 6-日、矍Qh;卩K-E|-相对隔水层|總書兼层 匚Illi37 府河图3汉江-府河河间洼地水文地质剖面图Fig.3 Hydrog eolog ical cross section of Hang jiang River-Fuhe River inte
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