淺談基于GMS的水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化

■賈建江 賀根義 李續(xù)續(xù)

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆昌吉820000）

淺談基于GMS的水文地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化

■賈建江 賀根義 李續(xù)續(xù)

（新疆地礦局第二水文工程地質(zhì)大隊(duì)新疆昌吉820000）

近年來(lái)，水文地質(zhì)觀測(cè)得到水文地質(zhì)工作者的關(guān)注。該文運(yùn)用GMS的Mod flow模塊建立研究區(qū)域的水文地質(zhì)模型，并運(yùn)用PEST模塊根據(jù)現(xiàn)有觀測(cè)孔數(shù)據(jù)優(yōu)化水文地質(zhì)參數(shù)。根據(jù)研究區(qū)域三口抽水井?dāng)?shù)據(jù)，利用Aquifer test軟件計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)。通過(guò)GMS優(yōu)化后的參數(shù)與計(jì)算所得參數(shù)的對(duì)比，表明優(yōu)化后的參數(shù)符合模擬區(qū)域的實(shí)際情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分把握區(qū)域的整體性，自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)。

GMS Aquifer TEST 概念模型 參數(shù)優(yōu)化

1 引言

水文地質(zhì)參數(shù)是反映含水層性能的指標(biāo)，是進(jìn)行各種水文地質(zhì)計(jì)算不可缺少的數(shù)據(jù)。水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確與否直接影響到對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)情況的認(rèn)識(shí)。目前求水文地質(zhì)參數(shù)的方法主要有:經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法、經(jīng)驗(yàn)公式法、室內(nèi)試驗(yàn)法和野外試驗(yàn)法。抽水試驗(yàn)是求水文地質(zhì)參數(shù)比較有效的一種方法，相比其他方法有較高的精確性，但這種方法只能求得有限范圍的參數(shù)，并且未反映出滲透性大小的區(qū)域性特點(diǎn)。而數(shù)值法求得的參數(shù)就有效地避免了這個(gè)缺陷，并且能對(duì)參數(shù)做更合理的優(yōu)化。地下水系統(tǒng)概念提出后，使得人們?cè)诮鉀Q大型的、復(fù)雜的地下水問(wèn)題時(shí)，越來(lái)越多的運(yùn)用概念模型成為可能。用概念模型描述地下水流時(shí)，必須有一個(gè)能描述這類地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程、各種參數(shù)及相應(yīng)的定解條件。GMS軟件在模擬地下水流中漸漸突顯其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，GMS軟件幾乎可以用來(lái)模擬與地下水相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運(yùn)移問(wèn)題。

2 Aquifer TEST求解參數(shù)

Aquifer Test是由Waterloo Hydrogeologic公司研發(fā)的專門處理抽水試驗(yàn)與微水試驗(yàn)的軟件。這款軟件整合了最新的抽水試驗(yàn)與微水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在應(yīng)用Theis、Jacob、Neuman等方法處理野外數(shù)據(jù)時(shí)，尤其表現(xiàn)出其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。傳統(tǒng)的配線法、直線圖解法由于人為誤差而會(huì)得到不同的結(jié)果，Aquifer Test的自動(dòng)擬合功能彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷，它集成的微分分析、趨勢(shì)校正等功能使抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析更加快捷、準(zhǔn)確。研究區(qū)域?yàn)闈撍畬樱膊荚O(shè)了三口抽水井，進(jìn)行3個(gè)落程的抽水，之后進(jìn)入水位恢復(fù)階段，抽水試驗(yàn)為定流量抽水，抽水量60m3/h，用Neuman法求取水文地質(zhì)參數(shù)。

圖1 研究區(qū)示意

3 建立模型

根據(jù)研究區(qū)域23個(gè)觀測(cè)孔和3個(gè)抽水孔資料建立水文地質(zhì)概念模型。鉆孔資料顯示，上覆第四系地層厚約30m，其下部為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r。由鉆孔數(shù)據(jù)插值建立區(qū)域模型。邊界BC、AD為天然隔水邊界，河流與地下水有較好的水力聯(lián)系，邊界AB、CD概化為第一類邊界。因此，根據(jù)給出的條件描述這一潛水流的數(shù)學(xué)模型

為:

式中:K為滲透系數(shù);h為水頭;W為單位時(shí)間、單位面積上的垂向補(bǔ)給量;P為單位面積上的抽水流量;t為時(shí)間。

4 模型運(yùn)算結(jié)果

4.1 初始運(yùn)行結(jié)果

劃分好各系數(shù)區(qū)域，并將水頭值、滲透系數(shù)、補(bǔ)給系數(shù)等導(dǎo)入到概念模型后，就可以運(yùn)行模型進(jìn)行模擬運(yùn)算了。在初步給定滲透系數(shù)、補(bǔ)給系數(shù)、水頭等參數(shù)的情況下運(yùn)算，得到未進(jìn)行識(shí)別校正的等水頭線圖，此時(shí)，我們建立的模型是否能真正代表所研究的地質(zhì)體還不確定，模型中出現(xiàn)的參數(shù)還不一定能確切表述模型的狀態(tài)。為此，必須對(duì)建立的概念模型進(jìn)行識(shí)別校正，以確保通過(guò)校正后模型能夠最大化代表實(shí)際的地質(zhì)體。

4.2 識(shí)別校正后的結(jié)果

水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)過(guò)識(shí)別校正后，水頭觀測(cè)值與模型計(jì)算值之間的差值明顯減少了很多，所列出的部分觀測(cè)孔的對(duì)照值，可以看出差值最大不超過(guò)0.38m。計(jì)算值更加趨近于實(shí)測(cè)值。由圖可以看出，識(shí)別校正前各觀測(cè)點(diǎn)偏離中線較遠(yuǎn)，計(jì)算值與觀測(cè)值差別較大，較正后各點(diǎn)集中在中間線兩側(cè)，分布更加均勻，且距離較近，因?yàn)橛?jì)算值與觀測(cè)值相差更小，識(shí)別后的水頭值較較正前更加接近觀測(cè)值的真實(shí)水頭值，較正后的模型能較為準(zhǔn)確的代表真實(shí)情況。較正后各個(gè)滲透系數(shù)分區(qū)與降雨補(bǔ)給分區(qū)的優(yōu)化參數(shù)值，其中1#抽水井位于滲透系數(shù)分區(qū)Ⅴ，2#抽水井位于滲透系數(shù)分區(qū)Ⅱ，3#抽水井位于滲透系數(shù)分區(qū)Ⅵ。取出各分區(qū)的優(yōu)化滲透系數(shù)值作為各抽水井的滲透系數(shù)。可以看出，由抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出的滲透系數(shù)與GMS優(yōu)化后的滲透系數(shù)相交較小。

5 小結(jié)

（1）根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，建立了區(qū)域概念模型，并初步利用GMS繪制了等水頭線圖。

（2）AquiferTest在求取水文地質(zhì)參數(shù)方面表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有較高的要求，所求得的參數(shù)基本與研究區(qū)的巖性特點(diǎn)相符合。

（3）運(yùn)用PEST優(yōu)化已有的水文地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化后的參數(shù)導(dǎo)入模型后已能夠代表實(shí)際的地質(zhì)體。

［1］ 曹劍峰，遲寶明，王文科，等.專門水文地質(zhì)學(xué).北京:科學(xué)出版社，2006

［2］ 吳吉春，薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué).北京:中國(guó)水利水電出版社，2009

［3］ 李培超.地面沉降變形非線性完全耦合數(shù)學(xué)模型.河海大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版). 2011，39(6):665～670

［4］ 杜守營(yíng)，鹿 帥，杜尚海.基于GMS的地下水流數(shù)值模擬及參數(shù)敏感性分析.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013， (08):77～80

P641.4+3[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-5-192-2

賈建江（1988～），男，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面。