基于Winpest反演分析的降雨入渗补给量分区

摘要：在水文地质条件复杂地区进行地下水数值模拟时，需要对降雨入渗补给量进行主观确定，参数识别过程比较复杂。利用Modflow软件，建立了Winpest反演模型对渗透系数进行优化，并通过分析反演过程中观测孔模拟水位和实测水位的拟合情况，进行降雨入渗补给量分区优化。将该模型运用于壁板坡隧道隧址区，结果表明：研究区需先按表层出露的不同层位进行降雨入渗补给量初次分区，再对已有分区按不同高程范围进行二次分区和降雨入渗补给量优化方能实现地下水初始渗流场的高精度拟合。利用Winpest反演分析方法，降低了人为设定降雨入渗补给量的盲目性，为水文地质条件复杂地区的地下水初始渗流场数值模拟提供了一种更加快捷高效的途径。

关键词：地下水数值模拟；Winpest反演分析；降雨入渗补给；分区优化；壁板坡隧道

中图分类号：P641文献标识码：A

文章编号：16721683（2013）05010305

近年来，地下水数值模拟被广泛运用于复杂水文地质背景下的地下水问题研究中，而在建立地下水数值模型过程中，模型调参工作十分关键。在水文地质条件较为复杂时，模拟范围内不同区域降雨入渗量不同，人工调试降雨入渗量参数带有很大的盲目性，不但参数识别过程漫长、工作量大，而且很难实现初始渗流场的精确拟合。因此本文以水文地质条件复杂的壁板坡隧道隧址区为研究区，基于Modflow软件平台，建立相应的Winpest 反演模型，通过对反演后各观测孔水位拟合差的分析进行降雨入渗补给量分区优化。

1Winpest反演模型的建立

Winpest 反演模型是对通过Modflow建立的水文地质模型进行输入、输出数据的读取和改写来实现模型参数优化的[2]。因此基于Modflow 软件平台建立反演模型包括两大步骤，一是水文地质概念模型的建立，二是反演条件的设定。

1.1水文地质模型建立

1.1.1研究区水文地质概况

壁板坡隧道隧址区位于云南与贵州接壤部位，属亚热带季风气候区，气候温和，冬干夏湿，多年平均降水量1 200 mm，降雨多集中在5月-10月，占年降雨量的88%。西部地形相对平缓，高原面貌保存完好，东部河流切割强烈、地形陡峻，形成山峦起伏的中山地貌。隧址区内为北北东向新华夏系构造与莲花状构造接壤地带，由一系列北北东向平行排列的开阔短轴褶曲和高角度压性逆冲断层组成，构造线大致呈南北向展布。区内强富水含水层组为碳酸盐岩裂隙岩溶含水层组，包括二叠系栖霞组至茅口组（P1）和石炭系摆佐组至马坪群（C1b～C3mp）；中等富水含水层组为碳酸岩盐夹碎屑岩裂隙岩溶水，包括三叠系下统永宁镇组（T1yn）和石炭系下统大塘组（C1d）；弱富水含水层组为碎屑岩裂隙含水层组和玄武岩孔洞裂隙含水层组，前者包括三叠系下统飞仙关组（T1f）、二叠系上统宣威组（P2xn）和二叠系下统梁山组（P1l），后者为二叠系上统峨眉山玄武岩组（P2β），如图1所示。区内地下水主要补给来源为大气降雨。

1.1.2水文地质概念模型

模型范围为一矩形，东西长13 000 m，南北宽15 000 m， 按照50 m网格将其剖分为260行、300列，按富水性及岩溶类型将模型分为4层，其中第一层（K1）代表富水性弱的碎屑岩裂隙含水层组和玄武岩孔洞裂隙含水层组，模型中概化为隔水层；第二层（K2）和第四层（K4）都代表富水性强的碳酸盐岩裂隙岩溶含水层组，其中第二层（K2）代表以垂直入渗补给为主的型岩溶含水层组，岩溶洞隙十分发育，模型中概化为强透水层，而第四层（K4）代表上覆玄武岩孔洞裂隙含水层组（K1），以水平径流为主的埋藏型岩溶含水层组，岩溶发育程度偏低，模型中概化为中强度透水层；第三层（K3）代表富水性中-弱的碳酸盐岩夹碎屑岩裂隙岩溶含水层组，模型中概化为弱透水层。

隧址区处于南盘江和北盘江的分水岭地带，可溶岩区（模型中的透水层部分）的地下水以分水岭为界，南西侧地下水自北向南径流，而北东侧地下水则自南向北径流，它们分别在模型的南北边界流出模拟区，因此将南北边界概化为第二类水头边界。模型左右边界为富水性贫乏的非可溶岩，在模型中概化为隔水边界。非可溶岩分布区（模型中的弱透水层和隔水层部分）的地下水主要以泉的方式排泄，由于泉流量较小，在模型中忽略不计。降雨入渗补给为地下水主要补给来源。两条南北走向的高角度压性逆冲断层（F1、F2）贯穿模拟区，起着横向阻水作用，将整个模型分割成了三个独立的一级岩溶水系统，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，在模型中用隔水墙模拟记为F1、F2。而在表层出露K1、K2和K3三个模型层，见图2、图3。

1.2反演初始条件设置

1.2.1初始降雨入渗量

研究区的年平均将雨量为1 200 mm，其中约88%集中在雨季，降雨入渗系数经验取值范围为5%～20%。因此在整个研究区内降雨入渗量的变动范围为：雨季53～211 mm/a，旱季7～29 mm/a。本次取初始降雨入渗补给量为：雨季150 mm/a，旱季20 mm/a，以面状补给的形式统一赋给最顶层，对应的初始降雨量入渗系数为014。

1.2.2初始渗透系数

进行参数反演之前需根据含水层实际水文地质特征为反演模型提供一组合理的初始参数。一方面模型各层的初始渗透系数要在经验取值范围内，另一方面，代表碳酸盐岩裂隙溶洞含水层组的K2、K4层的渗透系数要能反应其岩溶发育的各向异性特征。

根据前文水文地质模型概化中各模型层的性质，K1模型层水平渗透系数经验取值范围一般在864×10 3～864×10 5m/d之间，K3层水平渗透系数取值范围一般在0864～864×10 3m/d之间，K2、K4层的水平渗透系数取值范围在864～0864 m/d之间。但是，K2垂向渗透系数比水平方向渗透系数要大，而K4的取值较K2要小。

2反演结果及分析

在完成初始条件设置后，运行Winpest反演模型，拟合初始渗透系数和初始观测孔水位，结果见表1、表2，其中水位拟合差=观测水位-模拟水位。

由表2 可知：

（1）位于模型表层K2出露区域的DK 991+315孔和DK 980+330孔的水位拟合差为正，而处于K1出露区域的观测孔均为负值，说明由于透水、富水性的差异，模型表层出露的不同层位应分别赋予不同的降雨入渗补给量。

（2）位于K2出露区的观测孔水位拟合差为正，说明其观测水位高于模拟计算水位，降雨入渗补给量偏低。这是由于K2层代表以垂向补给为主的型岩溶含水层组，垂向岩溶发育，降雨入渗能力强，因此应增加降雨入渗补给量。位于K1出露区的观测孔水位拟合差都为负值，说明观测水位低于模拟计算水位。这是由于K1代表为碎屑岩裂隙含水层和玄武岩孔洞裂隙含水层，降雨入渗能力弱，因此应适当减小其降雨入渗补给量。

3降雨入渗补给量分区优化

3.1初次分区优化

（2）对于K1出露区内有四个观测孔，当降雨入渗补给减小相同数量时，孔DK 982+820和孔DK 983+415水位拟合差增幅相近，孔DK 987+925和孔DK 989+305水位拟合差增幅相近，但前者小于后者。说明也不能给K1出露区赋予同一个降雨入渗补给量。

经分析可知，孔 DK 989+305和DK 987+925处于2 200～2 450 m的高程范围，地势较高；而与之相邻的孔DK 982+820和DK 983+415处于2 000～2 200 m的高程范围，地势较低，属于地下水接受区。因此在降雨入渗补给量减小相同值的情况下，低地势区模拟计算的地下水位降幅比高地势区的小。

3.2二次分区优化

由表4可知，通过两次降雨入渗补给量分区后，地下水模拟水位与实际观测水位差距较小，此时仅需再次运行Winpest模型对渗透系数进行微调即可到达理想的模拟效果。

4渗透系数优化

在完成了降雨入渗补给量分区优化后，还需要运行Winpest 模块进行含水层渗透系数的微调，以达到观测孔水位的精确拟合。观测孔水位最终拟合情况，微调后模型各层的渗透系数优化结果分别见表5、表6。

由表5可知，各钻孔拟合差的最大绝对值为081 m，最小为028 m。模型地下水位和实际地下水位拟合程度较高。

5结论

（1）按模型表层出露的不同层位将模型分为3个不同的降雨入渗补给区，分别记为R1、R2、R3，其中R1的降雨入渗补给量为雨季127 mm/a，旱季17 mm/a；R2为雨季169 mm/a，枯季23 mm/a；R3为雨季150 mm/a，旱季20 mm/a。

（2）降雨入渗补给量初次分区后能到达的模拟精度较低，需进行二次分区。本文分别以2 200 m、2 250 m等高线为界将R1再分为R11和R12 两区域，R2亦分为R21和R22两区域。优化后的R11区雨季降雨入渗补给量为100 mm/a，旱季为13 mm/a；R12的雨季为115 mm/a，旱季为15 mm/a；R21的雨季为160 mm/a，旱季22 mm/a；R22的雨季为180 mm/a，旱季25 mm/a。

（3）完成降雨入渗分区后，再次利用Winpest 模型对初始渗透系数进行微调，模拟水位和实际水位能达到较高程度的拟合，各钻孔拟合差的最大绝对值为081 m，最小为028 m。

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