Visual Modflow 在曲周縣地下水數值模擬中的應用

張大龍 閆衛 金喆

(1.河北工程大學資源學院，河北邯鄲 056038;2.邯鄲慧龍電力設計研究有限公司，河北邯鄲 056035)

0 引言

水資源是人類生產、生活不可缺少的自然資源，也是生物賴以生存的首要因素。地下水資源作為水資源的一個重要組成部分，在我國城鎮生活和工農業用水方面起著舉足輕重的作用，然而淡水資源短缺、地下水超采、水體污染日趨嚴重，已成為當今社會面臨的最嚴重問題之一［1，2］。合理地開發、利用和保護地下水資源，已成為當務之急［3-5］。

本文以河北曲周縣為例，在分析了曲周縣的地質、水文地質條件的基礎上，采用Visual Modflow軟件開展對曲周縣地下水的數值模擬研究。

1 區域概況

曲周縣位于河北省南端，邯鄲市城區的東北部。區域可分為南、北兩個單元，南部以漳河沖積、湖積物為主，北部則以沙河、洺河沖積物為主。全新統Q4底界埋深為40 m～60 m，上更新統Q3底界埋深為170 m～220 m，中更新統 Q2底界埋深為280 m～320 m，下更新統Q1底界埋深為370 m～420 m。第四系含水巖層中，儲存有淺層淡水、咸水和深層淡水三種類型的地下水。

2 地下水流數值模擬

采用從國外引進的水資源計算評價軟件Visual Modflow，這是一套用于孔隙介質中地下水流動數值模擬的軟件。

2.1 研究區水文地質概念模型

模擬范圍為曲周縣全部行政區域，包括曲周鎮、槐橋鄉、白寨鄉等10個鄉鎮。模擬面積共計667 km2，其中滏西平原區25 km2，黑龍港平原區642 km2。

地下水流從空間上看以水平運動為主，地下水流動符合達西定律，因此將地下水流概化為平面二維流。地下水流系統的補給、排泄在不同的時間、空間上存在明顯差異，因此地下水流系統為非穩定流。綜上所述，在本次模擬中，水文地質概念模型概化為非均質各向同性二維非穩定流模型。

2.2 地下水流數學模型

依據滲流連續性方程、達西定律，上述地下水流系統可用以下偏微分方程及其定界條件進行描述，如式(1)所示:

式中:H——地下水水頭，m;

T——含水層導水系數，m/d;

μ*——含水層給水度(無量綱);

W——垂向水量交換項，m/d;

Q——地下水開采量抽水率，m3/s;

D——計算區域;

Γ1——已知水頭的第一類邊界;

Γ2——已知流量的第二類邊界;

H0(x，y)——初始時刻水頭分布函數，m;

φ1(x，y，t)——第一類邊界上的已知水位函數，m;

q(x，y，t)——第二類邊界上的已知流量函數，m3/s;

t——時間。

2.3 地下水數值模擬模型求解方法

圖1 模擬區域剖分圖

采用Visual Modflow對模擬區域進行矩形網格剖分，網格的長寬均為500 m，共剖分為96行，73列，剖分出網格總數量為7008個，其中有效單元格為2668個，區域剖分圖如圖1所示。區域Ⅱ為無效單元格不納入計算范圍，其他均為有效單元格，如圖1所示。

模型中需要用到的參數包括滲透系數K，給水度μ*。每個水文地質參數分區中，各參數的初值依據各個勘察和研究階段所進行的抽水試驗成果確定，表1列出了各參數初值。

表1 水文地質參數初值表

2.4 參數識別與模型驗證

模型識別階段，在研究區域內，分散選擇4個觀測點(曲52，曲56，曲63，曲78)，模擬水位與實測水位擬合曲線見圖2。從圖中可以看出，所建立的水文地質概念模型以及數學模型是基本合理的，滲透系數(K)、給水度(μ*)識別結果如表2所示。

圖2 模型識別期觀測孔水位過程擬合曲線

表2 水文地質參數識別結果

圖3 模型驗證期觀測孔水位過程擬合曲線

通過模型識別工作，給出了各水文地質分區的滲透系數、給水度等參數值，為了全面驗證模型，還需要通過其他時段的實測資料，對模型的可靠性進行進一步的驗證。

選取2011年作為模型的驗證時段。同樣選取上述4個監測井，進行水位擬合，擬合曲線見圖3。

通過對模型進行的識別和驗證，表明模型的建立符合研究區的實際水文地質條件，地下水動態過程一致，水位擬合結果符合規定，誤差滿足要求。

3 結語

1)依據水文地質條件、水資源開發利用等情況將模擬區域進行參數分區，在參考各個勘察和研究階段所進行的抽水試驗成果的基礎上，確定各分區的水文地質參數初值。

2)對模型進行識別時，應通過自動與手動相結合的方式，多次地調整水文地質參數，得到了能夠較真實反映實際水文地質條件的參數。

3)通過模型驗證期觀測孔水位過程擬合曲線表明，模型的建立符合研究區的實際水文地質條件，地下水動態過程一致，水位擬合結果符合規定。

［1］方 茜，任曉力.河北省地下水開發狀況研究［J］.河北建筑科技學院學報，2005，22(1)：4-5.

［2］郭秀娟.Visual Modflow在長春市地下水數值模擬中的應用［J］.吉林建筑工程學院學報，2012，29(1)：75-78.

［3］石少洲，沈智慧.地下水資源計算評價應用軟件開發與實踐［J］.河北建筑科技學院學報，2000，17(4)：66-69.

［4］李文躍，張 博，洪 梅，等.Visual MODFLOW在大慶龍西地區地下水數值模擬中的應用［J］.世界地質，2003，22(2)：161-165.

［5］丁繼紅，周德亮，馬生忠.國外地下水模擬軟件的發展現狀與趨勢［J］.勘察科學技術，2002(1)：37-42.