Visual Modflow在松嫩平原地下水動態調查評價中的應用

郭曉東 ，田 輝 ，方 樟

（1.沈陽地質礦產研究所/中國地質調查局沈陽地質調查中心，遼寧沈陽110032；2.吉林大學環境與資源學院，吉林長春130021）

0 前言

松嫩平原位于東北地區中部，縱跨黑龍江、吉林兩省，是我國重要的商品糧生產基地、能源基地和重工業基地，地下水的用水量巨大.由于不合理開采，松嫩平原形成了多個大型地下水漏斗，帶來了嚴重的環境地質問題.因此，中國地質調查局自2008年起部署了松嫩平原地下水動態調查評價項目，要求在以往調查研究成果的基礎上進一步開展松嫩平原地下水數值模擬，進行地下水的預測預報，為科學合理規劃開采地下水提供理論依據.為此，我們采用VisualModflow軟件根據最新的調查成果，進行了模型的驗證及簡單預測，嘗試了該軟件在大型平原盆地地下水模擬中的應用.

1 研究區概況

松嫩平原屬溫帶大陸性季風氣候區，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在-4.0～+5.5℃之間，年平均降水量為350～600mm，年平均蒸發量為1200～1900mm.研究區主要河流有嫩江、松花江、第二松花江及其支流，嫩江、第二松花江在三岔河附近匯流形成松花江干流，之后又有拉林河和呼蘭河注入.在低平原閉流區，烏裕爾河、雙陽河自東向西流入平原北部，霍林河自西向東流入平原南部，形成星羅棋布的湖泡洼地，著名的有連環湖、查干泡和最大咸水湖大布蘇泡［1-2］.

松嫩平原被大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺及長白山所環繞，南部松遼分水嶺與西遼河相隔，四周高中間低.根據地形成因及形態特征，可以分為東部高平原、中部低平原、西部山前傾斜平原和河谷平原.

松嫩平原是一個大型匯水盆地，第四系潛水、承壓水含水層廣泛分布.在西部傾斜平原區形成了單層含水層系統；在中部低平原除第四系含水層外，還分布有新近系泰康組含水層、古近系大安組含水層，形成了多層含水層系統；在東部高平原區，第四系含水層下伏白堊系含水層，形成了雙層含水層系統［3］.

2 水文地質概念模型

研究區主要開采目的層概化為潛水含水層、第四系承壓水含水層、泰康組含水層和大安組含水層4層含水層，相互間通過弱透水層存在不同程度的越流水力聯系.各含水層巖性及厚度有不同程度的變化，概化為非均質各向同性含水層.在自然狀態下，滲流基本符合達西定律，水流形式概化為準三維流，在目前和水位預報期內均為非穩定流.

由于研究區周圍被山脈和松遼分水嶺包圍，主要為隔水邊界，只在河流出入部分為已知流量邊界.上部邊界有降水入滲、河流湖泊滲漏、灌溉回滲，以及蒸發、人工開采等.各含水層通過弱透水層實現越流聯系，弱透水層為越流邊界.底部邊界為基巖隔水邊界.

3 模型建立與求解

3.1 軟件介紹

VisualModflow（簡稱VM）軟件是一款國際上通用的標準化三維地下水數值模擬軟件，具有強大的三維可視化功能，簡便易操作，輕松實現人機對話.其包含了Modflow、Modpath和MT3D三大模塊，能夠實現水流評價、平面和剖面流線示蹤分析以及溶質運移評價等功能.

3.2 空間離散與時間離散

計算區面積為18.3×104km2，采用Modflow進行自動矩形剖分，剖分單元26 542個，每個單元格大小為2.84 km×2.37 km，垂向上剖分為7層，4個含水層，3個弱透水層.根據實測資料，模型驗證期為2008年7～12月，共計184天.在驗證期內，VM軟件根據地下水動態變化周期自動確定應力期.

3.3 數據處理

參數及其分區主要參考前人研究成果，并根據實際情況確定.開采量資料采用自《松遼流域水資源公報》，氣象資料源自中國氣象局氣象資料共享中心.各承壓含水層開采量、河流排泄量、側向徑流量、河流補給量等采用平均布井法，處理為單井，在井（Well）模塊輸入，降水滲入補給量、蒸發量、灌溉回滲量、湖泡滲漏量以及潛水含水層開采量等在補給（Recharge）模塊輸入.

3.4 模型驗證

在前人進行的模型識別的基礎上，利用2008年7～12月地下水位動態監測資料對模型進行檢驗.該時期地下水水量均衡要素較多，地下水位變化較大.進行運算后，經過反復的參數調整，各含水層流場的擬合情況見圖1～4.典型觀測井擬合曲線見圖5～8.本次模型檢驗擬合誤差平均絕對值在0.5m左右.模擬檢驗結果表明，模型能夠較好地模擬實際地下水流場.這說明含水層結構、邊界條件的概化、水文地質參數的選取是合理的，所建立的數學模型能較真實地刻畫研究區地下水系統特征，可以利用該模型對水位的變化進行預測預報.

圖1 第四系潛水流場擬合圖Fig.1 The fittingmap ofQuaternaryunconfinedwater flow field 1—實際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖2 第四系承壓水流場擬合圖Fig.2 The fittingmap ofQuaternary confinedwater flow field1—實際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖3 新近系泰康組承壓水流場擬合圖Fig.3 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofNeogeneTaikang formation1—實際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖4 古近系大安組承壓水流場擬合圖Fig.4 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofPaleogeneDa'an formation1—實際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

4 模型預報

4.1 開采方案

在目前地下水開采的情況下，考慮未來社會經濟發展的需求，預測地下水開采量持續增加情況下的地下水動態變化趨勢，并分析由此引發的地質環境問題.因此，筆者根據搜集到的2003～2008年以來的地下水開采量，計算得到年平均增長率為4.7%，以此為基礎計算得出2009年7月至2024年地下水開采量.

4.2 預報時段及初始條件

預報時段為2009～2024年，初始流場采用2009年6月統測數據.

4.3 其他源匯項的處理

預報時段內其他源匯項按照多年平均值計算.

4.4 預測結果及分析

預測結果表明，在目前的地下水開采持續增長的情況下，未來15年，個別地區地下水含水層特別是潛水含水層將出現明顯的含水層疏干，深層含水層在一些重要開采區、重要城市出現明顯的降落漏斗.這樣的開采方案必然會對地下水資源的可持續開發利用、對地質環境產生負效應.因此，應該設計合理的地下水開采方案，合理控制過量開采區，有序利用地下水資源.

圖5 H559點孔隙潛水水位曲線Fig.5 Thephreaticwater levelcurveatH559

5 結論與建議

本次研究采用VM軟件作為松嫩平原地下水模擬的平臺，從檢驗結果來看，模型能夠較好地模擬地下水流場，VM軟件簡潔易用，獨立靈活的功能模塊能夠滿足地下水動態評價的需要，適合于大型盆地的地下水數值模擬.

圖7 D080點第四系承壓水水位曲線Fig.7 TheQuaternaryconfinedwater levelcurveatD080

圖8 H005點泰康組承壓水水位曲線Fig.8 Theconfinedwater levelcurveofTaikang formation atH005

在本次研究模擬預測中，未來開采量按照年均增長量設計.預測結果表明，這一方案并非最佳設計開采量，建議以后設計多種開采方案，找到最佳開采量，更好地服務地下水資源保護與管理.

［1］林學鈺.松嫩盆地地下水資源與可持續發展研究［M］.北京：地震出版社,2000:10—11.

［2］楊湘奎.基于同位素技術的松嫩平原地下水補給及更新性研究［D］.北京：中國地質大學,2008:5—6.

［3］趙海卿.松嫩平原地下水資源及其環境問題調查評價［M］.北京：地質出版社,2009:25—26.