地球科学|徐梓矿,张世涛等:应用随机模拟方法确定复杂裂隙含水层中泉点的捕集区域

学术   科学   2025-01-04 16:00   湖北  

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出于精度考量,研究场地尺度水文地质特征时,采用随机模拟技术建立多个满足场地有限地质信息的情景模型,可以较为有效地表征含(隔)水层结构,并描述目标泉点的捕集区域.但通常受条件限制,场地中的实际钻孔数量可能难以满足随机建模的数据密度要求.基于地面地质分析和一定量的实际钻孔资料,同时借助详实的瞬变电磁物探数据,在物探测点处构建虚拟钻孔,进而建立若干关于地层结构的随机模型(情景模型);采用PEST参数自动识别程序筛选符合水位观测值的情景模型,并复核这些模型的地层结构,以保证情景模型的合理性.基于74个钻孔数据点(包含虚拟钻孔)的转移概率马尔科夫链(T-PORGS)共生成503个情景模型,以场地范围内9个地下水位观测点的数据为基准,通过PEST最终筛选出67个可以描述场地水文地质特征的模型,最后由筛选出的模型统计得到目标泉点的概率捕集区域.该建模流程可以在钻孔数据缺乏时,完成场地尺度的随机建模,并获得有效的场地水文地质信息.经过讨论,本文得出以下结论:
(1)钻孔数据较少的场地,可以考虑充分利用物探数据,结合地质认识将其转化为虚拟钻孔,从而达到对场地地质结构进行随机建模的数据量要求. 
(2)当需要进行流场计算时,垂向层数较多的随机模型可能会产生单层网格厚度太薄的问题.此时相比于LPF模块,使用MODFLOW的HUF模块进行流场计算,既可以有效减小运算负荷,又可以减少模型的运行错误,如避免网格干涸、避免网格拓扑结构错误等问题. 
(3)随机模拟产生的若干情景模型是地质结构和水文地质条件的复合载体,在验证模型合理性时也至少需要考虑上述两方面.可以优先使用PEST自动参数识别软件筛选出满足水文地质条件的模型,再以人工的方式核对模型与地质调查结果的匹配程度. 
(4)建模过程显示,输入关于场地地质条件和水文地质条件的调查信息并完成模型校正后,可以得到多个合理解.这一方面说明,一般精度的调查资料很难完美地描绘复杂场地含(隔)水层的结构,而另一方面也提供了对该问题的解决思路,即使用概率的方式来说明场地特征. 
(5)基于随机模拟结果并通过MODPATH粒子追踪,可以方便快捷地获得泉点的概率捕集区域,这个区域视建模范围有不同的解释,当建模范围较小时,该区域是泉点影响范围的直观展示,当建模范围较大时,该区域可能近似于泉域.
图1 主要建模步骤
图2 水位拟合效果较好的5个情景模型
图3 以67个模型(a)和24个模型(b)计算所得泉点的概率捕集区


文章刊登在《地球科学》第49卷第10期

徐梓矿, 徐世光, 张世涛, 2024. 应用随机模拟方法确定复杂裂隙含水层中泉点的捕集区域. 地球科学, 49(10): 3723-3735. doi: 10.3799/dqkx.2023.148

Xu Zikuang, Xu Shiguang, Zhang Shitao, 2024. Using Stochastic Inverse Modeling Method to Obtain Probabilistic Capture Zones of a Spring in a Complex Fracture Aquifer. Earth Science, 49(10): 3723-3735. doi: 10.3799/dqkx.2023.148

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