基于 Visual Modflow的邯鄲縣地下水位動(dòng)態(tài)研究

張大龍，閆 衛(wèi)，于虎廣，金 喆

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038;2.邯鄲慧龍電力設(shè)計(jì)研究有限公司，河北 邯鄲 056035;3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東 濟(jì)南 250100)

邯鄲縣素有“糧倉、棉海”之稱，是一典型的城郊縣，城鄉(xiāng)交流的不斷加快，極大地促進(jìn)了縣城經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。然而，淡水資源短缺、地下水超采［1］、水供需矛盾等問題也相繼出現(xiàn)，嚴(yán)重地制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。邯鄲縣地區(qū)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水水源主要來源于淺層地下水，為盡可能地滿足用水需要，大量開采地下水，致使地下水位連年大幅度下降，淺層地下水嚴(yán)重超采區(qū)不斷加大，深層淡水上層被疏干［2－4］，若不加以控制，勢(shì)必造成深層淡水的枯竭［5］。面對(duì)嚴(yán)峻的地下水資源問題，只有積極地克服各種困難來縮小超采區(qū)面積，控制地下水降落漏斗的不斷擴(kuò)張，有效地緩解地下水資源嚴(yán)重短缺的矛盾，才能維護(hù)和建立高效的供水環(huán)境。為此，本次研究利用Visual Modflow軟件進(jìn)行邯鄲縣地下水流的數(shù)值模擬，并預(yù)測2015、2020年縣域淺層地下水設(shè)計(jì)開采量方案下的地下水位動(dòng)態(tài)變化情況，為研究區(qū)域的地下水資源合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)

1 區(qū)域概況

邯鄲縣地處太行山東麓，地勢(shì)是西高東低，境內(nèi)分為丘陵區(qū)和山前平原區(qū)。多年平均降水量為507.9 mm，降水量的年內(nèi)分布極不均勻，全年降水量的70% ～80%集中在6－9月份。天然河流有滏陽河及其支流渚河、沁河、輸元河，人工河道有支漳河分洪道［6］。邯鄲縣全部行政區(qū)域總面積為439.7 km2。其中，山丘區(qū)面積 124.0 km2，平原區(qū)面積 315.7 km2。根據(jù)縣境內(nèi)水文地質(zhì)特征，可以將其分為丘陵區(qū)和山前平原區(qū)兩個(gè)水文地質(zhì)區(qū)，兩個(gè)水文地質(zhì)區(qū)又可進(jìn)一步詳 分，見表1。

表1 邯鄲縣水文地質(zhì)詳情

2.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型是研究區(qū)域?qū)嶋H水文地質(zhì)條件的概化［7］。研究區(qū)地下水主要來源于淺層地下水，也是本次模擬研究的目的層。區(qū)域含水層在垂向上沒有明顯的、穩(wěn)定的隔水層;地下水流以水平運(yùn)動(dòng)為主，地下水流系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化;因巖性的不同水文地質(zhì)參數(shù)有所區(qū)別，但在方向上差異不明顯。綜上，本次將區(qū)域含水層概化為非均質(zhì)各向同性二維非穩(wěn)定流模型。

東部邊界有地下水位觀測井，概化為一類已知邊界;南部邊界、西部邊界可概化為隔水邊界;北部邊界與永年交界，有大量地下水流入模擬區(qū)，概化為二類流量邊界。邯鄲縣與市區(qū)邊界中西部和北部邊界因有輸元河的補(bǔ)給，概化為二類流量邊界;東部邊界為排泄邊界，概化為二類流量邊界。研究區(qū)上部邊界定為有水量交換的邊界，下部存在泥巖組成，其滲透性極差，定為隔水邊界。

2.2 地下水流數(shù)學(xué)模型及求解方法

依據(jù)滲流連續(xù)性方程、達(dá)西定律，上述地下水流系統(tǒng)可用以下偏微分方程及其定界條件進(jìn)行描述，如式 (1)所示:

式中:H為地下水水頭，m;T為含水層導(dǎo)水系數(shù)，m∕d;μ*為含水層給水度(無量綱);W為垂向水量交換項(xiàng)，m/d;Q為為地下水開采量抽水率，m3/s;D為計(jì)算區(qū)域;Γ1為已知水頭的第一類邊界;Γ2為已知流量的第二類邊界;H0(x，y)為初始時(shí)刻水頭分布函數(shù)，m;φ1(x，y，t)為第一類邊界上的已知水位函數(shù)，m;q(x，y，t)為第二類邊界上的已知流量函數(shù)，m3/s;t為時(shí)間。

圖1 模擬區(qū)參數(shù)分區(qū)圖

運(yùn)用Visual Modflow的前承條件共軛斜量程序包PCG2進(jìn)行求解。將區(qū)域剖分為3 484個(gè)矩形網(wǎng)格，大小為500×500 m，有效單元格為1 740個(gè)，如圖1所示，圖中藍(lán)色矩形網(wǎng)格為無效單元格，境內(nèi)分為丘陵區(qū)和山前平原區(qū)，其中，根據(jù)平原區(qū)淺層含水層巖性的差異，又將其細(xì)劃分為3個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)，參數(shù)分區(qū)圖如1所示。

2.3 模型識(shí)別與驗(yàn)證

選擇2010年4月27日至5月27日作為識(shí)別模型參數(shù)K和μ*的時(shí)段。利用各觀測孔的水位資料，繪制出地下水的等水位線圖，得到模型計(jì)算的初始流程(圖2)。

圖2 地下水初始流場圖

在識(shí)別過程中，采用手動(dòng)和自動(dòng)相結(jié)合的方法，通過實(shí)際水位和計(jì)算水位的擬合分析［8］，如果計(jì)算水位與實(shí)測水位相差很大，則根據(jù)參數(shù)變化范圍和實(shí)際水位差值，重審研究區(qū)域水文地質(zhì)分區(qū)的劃分情況，重新給定一組參數(shù)，直至二者擬合較好為止。選取觀測點(diǎn)4個(gè)(S52，J73，S69，S83)，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整，繪制觀測孔水位擬合曲線，如圖3所示。可以看出擬合效果較好，可以滿足解決實(shí)際問題的需要，參數(shù)識(shí)別結(jié)果如表2所示。

表2 水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果

為了全面驗(yàn)證模型，通過其他時(shí)段的實(shí)測資料，對(duì)模型的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。選取2010年10月10日至2010年11月10日作為模型的驗(yàn)證時(shí)段。同樣，選取上述的4個(gè)觀測井，進(jìn)行水位擬合，驗(yàn)證結(jié)果如圖4。

觀測孔水位擬合曲線表明，模型的建立符合研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)情況，地下水動(dòng)態(tài)過程一致，水位擬合達(dá)到了精度要求，可以運(yùn)用該模型對(duì)研究區(qū)域地下水流系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測。

3 地下水未來動(dòng)態(tài)預(yù)測

為有效控制邯鄲縣地下水位逐年下降的趨勢(shì)，緩解部分地區(qū)地下水供需失衡，并根據(jù)邯鄲縣地下水限采目標(biāo)和南水北調(diào)完成情況，以調(diào)節(jié)均衡型開采動(dòng)態(tài)為原則，控制水位降落過程，給定開采初值，通過模型計(jì)算不斷調(diào)整開采量，直到開采動(dòng)態(tài)達(dá)到采補(bǔ)平衡［10－12］，由此計(jì)算并制定 2015、2020年縣域淺層地下水設(shè)計(jì)開采方案，如表3所示。按照地下水的限采量，運(yùn)用上述建立的地下水流數(shù)值模型，預(yù)測2015、2020年(可供水量和需水量均考慮為75%保證率情況下)的地下水位情況。按設(shè)計(jì)開采量進(jìn)行開采(可供水量和需水量均考慮為75%保證率情況下)，應(yīng)用上述建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到2015、2020年研究區(qū)地下水位情況，如圖5、6所示。

圖3 觀測孔水位擬合曲線

表3 邯鄲縣未來水平年淺層地下水設(shè)計(jì)開采量成果表104m3

從預(yù)測結(jié)果的水位等值線圖可以看出，2011年至2015年地下水位有明顯下降趨勢(shì)，水位相比下降了3 m;2015年以后淺層地下水位平均降深一直穩(wěn)定在3.5 m左右，流場趨于穩(wěn)定。

圖4 觀測孔水位擬合曲線

圖5 2015年地下水位等值線圖

4 結(jié)語

(1)依據(jù)水文地質(zhì)條件、水資源開發(fā)利用等情況，將模擬區(qū)域進(jìn)行參數(shù)分區(qū)，在參考各個(gè)勘察和研究階段所進(jìn)行的抽水試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，確定各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)初值，模型識(shí)別時(shí)，應(yīng)通過自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合的方式，多次地調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，得到了能夠較真實(shí)反映實(shí)際水文地質(zhì)條件的參數(shù)。

(2)通過模型的識(shí)別與驗(yàn)證，可知建立的水文地質(zhì)概念模型和地下水流數(shù)學(xué)模型符合邯鄲縣實(shí)際情況，可用于該研究區(qū)域地下水開采的預(yù)測及評(píng)價(jià)。

(3)對(duì)邯鄲縣境內(nèi)設(shè)定了未來水平年淺層地下水設(shè)計(jì)開采量，可較好地控制地下水位的持續(xù)下降問題。2011年至2015年地下水位有明顯下降趨勢(shì)，2015年以后，地下水位平均降深穩(wěn)定。

圖6 2020年地下水位等值線圖

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