Modflow在平原區深層地下水資源評價中的應用

李華，顏坤，侍建國

(天津市水文水資源勘測管理中心，天津 300061)

0 引言

近年來，隨著計算機技術的日益發展，國內的地下水模擬技術取得了較大的進步，但缺乏大區域長時間序列的高精度地下水數值模型評價地下水資源的相關研究。該文以天津市為例，全面介紹了利用Modflow建立大區域長時間序列數值模型的過程，為相關技術研究提供技術支撐，為深層地下水資源評價提供科學依據。

在一次海洋基座式起重機回轉平臺物資質量監造中，勝利油田的設備監造人員發現龍骨之間和封板角焊縫焊腳高度與圖紙要求存在1毫米偏差后，立即要求廠家對其焊縫打磨后重新焊接，否則不允許進行下道工序。

天津市淺層地下水研究程度較高，而深層地下水研究程度相對較低，曾開展過2次區域水資源綜合評價，第一次為1956—1984年，評價內容包括淺層地下水資源量、可開采量和深層地下水可開采量；第二次為1980—2000年，評價內容包括淺層地下水資源量和可開采量。兩次評價的重點集中在淺層地下水資源，均未涉及深層地下水資源的構成評價，影響了深層地下水資源的合理開發利用。

最后，必須要定期的對學生進行階段性考核，準確有效地了解學生的學習進展情況，然后依照學生的學習進展對教學目標不斷的進行調整，以此來保證教學目標的適用性，進而保證高中化學分層教學模式能夠有效地發揮出應有的作用。

傳統地下水資源的評價一般只評價地下水的資源量和可開采量，難以進行不同地下水開發利用方案下的地下水不同要素的預測和分析。采用新技術和手段進行水資源調查評價，全面分析深層地下水資源構成，揭示其戰略資源屬性特征，評價可開采資源量，提高地下水資源管理效率，提高地下水資源管理水平成為亟待解決的問題。

歷史模型初始水位采用1980年3月底水位值，深層地下水水位監測井較少，水位監測成果難以滿足模擬需求，同時此時間段內深層地下水開采量比較穩定，水位變幅相對較小，因此在1980年3月底深層地下水長觀孔監測水位成果的基礎上，加入地下水統測孔水位數值。利用克里金插值法[1]，得到平原區第Ⅱ～Ⅵ承壓含水組的初始水位值，針對東南部區域第Ⅳ和第Ⅴ承壓含水組水位觀測孔更少的情況，利用已有的鉆孔標高進行修正，結合水位外推，確定Ⅳ和第Ⅴ承壓含水組初始水位。第Ⅵ承壓含水組及以下地下水無開采量，水位動態變化趨勢很小，采用1997年12月水位值作為初始水位，采用1997年12月31日水位值作為現狀模型初始水位。

1 深層地下水流—地面沉降耦合模型的建立

1.1 時空離散

1.1.1 空間剖分

原始洞窟壁畫中就有對動物油脂、礦物質粉末、巖石、木炭等材料的使用，而文藝復興時期藝術家所使用的蛋清、石灰、亞麻仁油等，在其所處的時代也無疑是一種“新鮮的材料”。材料使用的變化一直在促使藝術概念的變化，因為每種材料因其與生俱來的物性不同，運用的創作方法不同，必然導致其背后所蘊含的信息也就不同。

紅色文化在高校校園文化中占比不足，紅色教育活動開展較少，教育形式也局限于征文比賽、演講比賽、合唱比賽、觀影活動等。受時間、經費等因素的限制，去烈士陵園掃墓、參觀紅色教育基地等活動機會更是少之又少，導致學生接受紅色教育途徑少，校園紅色教育實效性差。除了線下活動，據調查，各大高校少有建立專門的紅色教育網站或在官網上有紅色專題宣傳板塊，即便已建立的紅色教育網站也存在內容陳舊、更新慢、吸引力不強等問題，點擊量少，不能充分發揮網絡紅色教育作用，教育體系不夠完善[4]。

研究區域為天津市整個平原區，面積約1.07×104km2。空間剖分采用有限差分法，使用GMS軟件中的Modflow模塊進行矩形剖分，單元格500m×500m，共剖分7層346行248列，活動單元格總數276111個，其中II層活動單元格42628個，Ⅲ～Ⅵ層每層活動單元格38171個(Ⅵ層以下概化為Ⅶ層，作為越流邊界層)。

1.1.2 時間離散

模擬期為1980—2013年，考慮到模擬期長達34年，模擬初始時間段和截止時間段內資料的詳細程度有較大差異，為了便于調整驗證模型，將1980—2013年分為2個模擬期。1980年3月—1998年3月，由于歷史資料相對缺乏，以每3個月為一個應力期，共72個應力期，稱為歷史模型；1998年1月—2013年12月，資料較為豐富，以1個月為應力期，共192個應力期，稱為現狀模型。

1.2 數據處理

1.2.1 定解條件處理

(1)初始水位處理

秧床整地作畦要求上細下粗、上實下松。在播種前施肥并耕翻 1～2次，耕翻應耕深15cm以上，做成畦寬1.2～1.4m、溝寬50cm、溝深20～30cm的畦，苗床四周開好圍溝，以保證排水通暢。畦整平后用2.0kg壯秧劑加干細土20kg充分混拌可撒施25m2苗床，再反復耙勻于0～5cm深的土層內，用木板壓平，澆透水即可播種。

(2)邊界條件處理

這種理論在比較法上的支持是德國的實踐。早在1902年，德國帝國法院即在“Duotal Lagend”案中確認了對于根據專利方法(一種生產制造專利方法)直接獲得的產品，在權利人投入市場后，在其上的專利保護的效力就用盡了[注]Entscheidungen des Reichsgerichts in Zivilsachen, Erster Band, Der ganzen Reihe einundfünfzigster Band., Verlag von Beit und Comp. 1903, 139.。

1.2.5 地下水開采量數據的處理

系統上邊界確定為潛水含水層自由水面，潛水通過系統上邊界與周邊環境產生垂向上的越流交換，各含水組之間也存在垂向上的越流交換。底界與Ⅵ含水組有水量交換，定義為水位邊界。

粘性土層概化的合理性直接關系地面沉降計算結果。將天津市平原區粘性土層厚度小于或者等于1.5m的定義為非滯后粘性土層，力學參數包括非彈性骨架儲水系數和彈性骨架儲水系數。粘性土層厚度大于1.5m的定義為滯后性粘性土層，力學參數包括垂向滲透系數、非彈性骨架儲水系數、彈性骨架儲水系數、粘土土層的有效厚度及比例因子。將非滯后性粘性土層和不同承壓含水層組的砂層均概化為非滯后壓縮層，在同一承壓含水層組中的滯后性粘性土層處理為滯后性壓縮層。

將初始沉降量設為0來滿足模型的擬合需要。考慮到粘性土的彈性以及塑性變形，引入前期固結壓力概念。當前期最低水位高于當前地下水水位時，粘性土體將產生塑性變形變化，當前期最低水位低于當前地下水水位時，粘性土體將產生彈性變形變化，通過地下水水位觀測孔監測到的水位值得到各承壓含水組的最低水位。

針對偏遠、交通不便的村民辦證和投訴不方便等情況，依托在鄉鎮、村委設立“便民服務點”，發放《便民服務聯系卡》，實行上門服務。

1.2.2 源匯項處理

利用GIS軟件的空間分析，利用程序寫入到相對應的Modflow格式文件中，詳細情況見表1。

雜志里講的正是一個中年男人的情感故事，他邊看邊和自己做著比較，正看得入神，門忽然開了，走進幾個身穿制服的人，夾著公文包，面色冷峻，其中一個說道：我們是專案組的，現在決定對你實行刑事拘留。兩個年輕力壯的人遂上前把他一夾，兩只手腕間多了一副錚亮的手銬，閃著耀眼的白光。他在白光中睜開眼，天色大亮，原來是一場夢。他渾身濕漉漉的，用手胡亂抹著汗水。妻子那邊的被子掀開，衣服和挎包都不見了，枕頭下也沒有手機。回想夢中的情節，尹愛群的脊背又是陣陣寒氣。

表1 源匯項處理對照

1980—2013年平均排泄量為6.90×108m3/a，開采量為6.28×108m3/a，占排泄量的90%～93%；側向流出量為0.31×108m3/a，占排泄量的4.44%；越流量為0.13×108m3/a，占排泄量的1.90%；壓縮釋水量為0.19×108m3/a，占排泄量的2.72%(表2)。

依據平原區各項水文地質參數的不同分區，將降水入滲系數、各承壓含水組滲透系數、田間灌溉入滲補給系數、潛水含水層給水度和承壓含水組儲水率等不同水文地質參數的分區初始值輸入到建立的模型中，通過擬合地下水不同承壓含水層組典型水位觀測孔和流場動態變化過程線，識別不同承壓含水組的水文地質參數，確定各水文地質參數的分區數值。

1.2.4 粘性土層概化及壓縮參數處理

(3)沉降的定解條件處理

寶坻斷裂南部潛水含水層多含咸水，基本處于不開采狀態，地下水水位年內變化幅度較小；斷裂北部潛水含水層處于地下水系統的補給區，水位恢復較快且變幅較小，故不考慮潛水層的壓縮釋水。上層含水層的越流補給是各含水組的主要補給來源，如地下水開采量較大，則水位年內變幅也較大，且呈現多年持續下降趨勢，因此將Ⅱ～Ⅵ含水組作為壓縮釋水層。

根據不同含水層的砂層及厚度、粘性土層的層數及厚度，計算出每一個地下水水位觀測孔的滯后壓縮層和非滯后壓縮層對應的參數，利用克里金插值法，得到每一個模型網格的參數數據，應用VBA生成Modflow2005中SUB模塊所需要的.sub文件。

北部山區和平原區分界線、環渤海海岸帶和寶坻斷裂為自然邊界，其余均為人為邊界。流量邊界確定為山區和平原區分界線，渤海灣海岸帶以水頭值為0的水頭邊界處理，平原區北部的寶坻斷裂上下部有水量交換關系，并非嚴格意義上的不透水邊界，和其他人為邊界統一處理為三類邊界。

建模采用的核心模塊為Modflow-2005，但在處理大區域模型時，存在運行時間長、開采量只能處理成點狀等缺點。通過改進RCH子程序包，開發出新的子程序包RAW(rechargeand well，RAW)，實現了垂向上對多層單元格補排量的表達，有效壓縮了源匯項文件，減少了大區域數值模型所需要讀取的數據量，提高了模型模擬的工作效率。

1.3 模型識別驗證

模型模擬的地面沉降[10-19]與實測的地面沉降增長趨勢基本一致，其中塘沽分層標、西青分層標和軍糧城分層標監測點地面沉降模擬值與實測值相差較小，大直沽天津堿廠分層標模擬值與實測值相差較大，總體均表現為地面沉降值為增長的趨勢(圖5)。

1.3.1 地下水流場

模型擬合校正過程要考慮2個重要過程，一是校正不同水文地質參數，二是推算壓縮釋水量和反演地下水開采量。通過不斷調整水文地質參數，進行地下水流場[7-9]、觀測孔過程線與實測數據的擬合對比。識別后的流場擬合整體效果較好，各含水組實測水位和模擬水位總體變化趨勢一致，單觀測井實測水位和模擬水位變化趨勢也基本一致(圖1—圖4)。

圖1 1997年12月Ⅳ含水組流場擬合

圖2 1997年12月Ⅴ含水組流場擬合

圖3 1980-1998年寶坻區BD18觀測井(Ⅱ含水組)水位過程線擬合

圖4 1998-2013年靜海區JH36觀測井(Ⅲ含水組)水位過程線擬合

1.3.2 沉降量的擬合

對建立的大區域、多層結構、長時間序列地下水流-地面沉降數值模型，應用試估-校正法進行識別和檢驗[2-6]，總體原則如下：①模型識別的水文地質參數均要符合實際的水文地質條件；②模擬的地下水流場與實際的地下水流場要保持基本一致；③模擬的地下水均衡變化情況要基本符合研究區域實際的水均衡變化情況；④模擬的地下水水位動態變化趨勢與實測的水位動態變化趨勢基本相似。

圖5 2011—2012年地面沉降量擬合

2 深層地下水資源評價

2.1 地下水均衡項

補給項[20]包括通用水頭邊界流入量、給定水頭邊界流入量、山前側向補給量、越流補給量及壓縮釋水量，排泄項包括通用水頭邊界流出量、給定水頭邊界流出量、人工開采量、越流排泄量及壓縮釋水量。

2.2 地下水均衡分析

1980—2013年平均補給量為6.46×108m3/a，其中Ⅱ和Ⅶ含水組越流補給量為2.72×108m3/a，占補給量的33.82%；粘性土壓縮釋水量為1.48×108m3/a，占補給量的18.36%；彈性釋水量為0.09×108m3/a，占補給量的1.09%；北部邊界及邊界的側向補給量為2.17×108m3/a，占補給量的26.97%。層間越流、側向流入、壓縮釋水已經成為深層地下水的主要補給來源。

1.2.3 水文地質參數處理

總之，運用多媒體輔助語文教學，可以說是有利有弊，關鍵在于教師的把握，在于教師的思想態度。用好多媒體可以促進教學，提高教學效果，既有利于師，也有利于生；如果使用不當多媒體，可能會導致教學效果差，學生反感，教師尷尬，先進的設備變成害生的毒藥。

深層地下水均衡差為-0.44×108m3/a，深層地下水系統處于負均衡狀態。

表2 1980—2013年平均深層地下水資源組成(104m3/a)

2.3 可開采資源量評價

(1)評價原則

南水北調通水之前，天津深層地下水開采量遠超過其獲得的補給量，從水均衡的角度將外界補給量作為深層地下水的可開采資源量，結果相對偏小，也不符合實際情況。因此，深層地下水可開采資源量的評價原則是：一方面要不產生嚴重環境地質問題，另一方面要結合天津深層地下水開發利用現狀及歷史，人為給定環境約束條件。

(2)評價方法

主要考慮不同區域深層地下水的不同開發利用程度[21]。開發利用程度相對較高的區域，產生地質災害的可能性就越大，禁止利用深層地下水釋水量，可開采資源量為側向徑流補給量和越流補給量兩項之和。相反，開發利用程度相對較低的區域，產生地質災害的可能性就越小，可開采資源量在考慮側向徑流補給量和越流補給量的基礎上，結合現狀開采條件，要考慮可動用的釋水量。

深層地下水可利用總量為3.08×108m3/a，其中Ⅱ含水組為2.20×108m3/a，Ⅲ含水組為0.52×108m3/a，Ⅳ含水組為0.26×108m3/a，Ⅴ含水組為0.10×108m3/a。

3 南水北調通水后地下水流場和地面沉降變化趨勢研究

3.1 地下水關鍵控制水位

利用數值模擬進行地下水資源評價，通常分2個階段進行，一是解逆問題(也稱反演)，二是解正問題(也稱正演)。解逆問題是根據水位、開采量等資料進行數值計算，求出水文地質參數，驗證數值模型。解正問題是利用解逆問題的參數，計算不同開采方案時的水位值，進行方案對比和水位預報。

通過建立研究區地下水流-地面沉降耦合數值模型，將地下水開采量作為約束條件代入模型，確定地下水關鍵性控制水位。以天津市為例，根據天津市地下水中長期規劃，在壓采條件下求解出不同目標年下的關鍵控制水位，計算出2020年和2030年平均紅線水位分別為-42.44m和-37.86m，用數值模擬法確定關鍵控制水位，是一種全面考慮水文地質因素，計算精度較高的方法。

3.2 地下水流場變化趨勢

截至2017年12月27日，天津市累計受水23.7億m3。隨著最嚴格水資源管理制度的實施，地下水壓采進程加快，2016年，深層地下水開采量1.76億m3，比深層地下水可開采資源量少1.32億m3。由于大幅度壓采深層地下水，深層地下水各承壓含水組水位將呈現整體上升趨勢。深層地下水系統將處于正均衡狀態，不同含水組儲存變化量為正值，彈性水在含水組中儲存了起來；壓縮釋水凈補給量為負值，多余的地下水儲存到土骨架中，儲存量處于逐漸恢復過程中。

ZHANG Ming-ming, ZHAO Pei, YU Yue-qing, ZHANG Cui-gai, GAO Wei, LI Fang

東麗區和津南區地下水水位有先下降后上升的變化趨勢，由于深層地下水開采量仍稍大于各區可開采量，在初始時間段內，地下水水位有小幅下降，隨著周邊地區水位的持續上升，各區之間的內部地下水交換量逐漸增大，水位也將逐漸上升。由于下層含水組水量主要由上層含水組越流補給，因此與上層相比，下層含水組得到的越流補給量相對越小，下層含水組水位的恢復速率比上層含水組也要小。

6.聘請張掖市螢火蟲公益的成員為代理家長。此公益組織主要是包含著個體老板和記者等多個主體，經過合理的協調組合而成，他們一般是運用周末或者是空閑時間，給村里的孩子們輔導課程，為其開設講座等，讓孩子們擁有一個愉快的周末時光。對一些特別貧困的留守兒童進行一對一資助，目前已經有140多位留守兒童受到資助。

研究發現抑郁與服藥依從性密切相關[12]。腫瘤病人經常出現情緒低落、悲觀、失望，特別是病情變化會加重病人恐懼、絕望心理，嚴重者甚至拒絕治療[13]。病人1：“我不看病了，看也白看，又治不好。”病人3：“我怎么會得這個病，治療這么長時間，現在還是渾身沒勁。”病人8：“有這個病1年多了，這一年不是吃這藥就是吃那藥，都成藥罐子了，一說吃藥就郁悶，就想發火”。

模型預測2018年各承壓含水組水位恢復較快，最大處水位上升4m左右，其余大部分地區水位上升2～3m。大部分區域地下水水位前期恢復較快，導致后期越流量減少，水位恢復呈現前快后慢，然后逐漸穩定的趨勢。

第二，機械故障，導致這一故障出現的原因有很多，其中車輛的車門的相關部件由于擠壓等出現了變形，或者是在生產的過程中，尺寸的誤差比較大而使得硬件條件不符合相關要求是最重要的因素，同時在軌道車輛運行的過程中，由于車輛車門的開關頻率比較高，從而使得車門硬件條件發生變化也是導致這一類型故障出現的主要原因。在客流量比較大的時候，乘客在上下車的時候都會擠擠攘攘，很多乘客會被擠在車門的位置，長此以往就會導致車門發生變形，這樣一來就會使得車門出現開關遲鈍等常見故障，不利于軌道車輛的正常運行。

3.3 地面沉降變化趨勢

當大量開發利用地下水時，孔隙水壓力降低，直接導致各含水組砂層壓密，當孔隙水壓力恢復時，各含水組砂層基本能恢復原狀，砂礫類巖土呈現彈性變形的狀態。當地下水大規模超采，粘性土壓密后，其結構將發生不可逆的變化，即使孔隙水壓力恢復，粘性土層也基本上繼續保持壓密狀態，以塑性變形為主。故而當地下水壓采時，各含水組砂層有回彈趨勢，粘性土層仍然處于壓密狀態。

在現有的壓采方案下模型預測平原區地面沉降沒有繼續加大的趨勢，但也沒有出現全面回彈的現象，截至2018年，除薊州和寧河區地面沉降速率在2mm/a之外，其余各區地面沉降處于涵養回彈態勢，地面沉降整體開始回彈，回彈平均速率為3.42mm/a。

4 結論

(1)在建立平原區長時間序列地下水流-地面沉降數值模型時，可根據數據精度不同，建立不同的連貫模型，數據精度低的時間段內，模擬期可適當延長，數據精度高的時間段內，模擬期適當縮短，前后模型的模擬期可重復，但不可缺失。

(2)用試估-校正法進行識別和檢驗地下水數值模型時，水文地質參數、地下水流場、地下水均衡變化和地下水水位動態變化的擬合情況要符合研究區實際的水文地質條件。模型的擬合校正過程要考慮2個重要過程，一是校正不同水文地質參數，二是推算壓縮釋水量和反演地下水開采量。

(3)用地下水數值模型進行平原區深層地下水可開采資源量評價時，基本原則是既要不產生嚴重環境地質問題，又要結合研究區深層地下水開發利用現狀及歷史，人為給定環境約束條件，評價方法要考慮研究區不同區域深層地下水不同開發利用程度，開發利用程度低的區域要考慮可動用的深層地下水釋水量。

(4)模型預測2018年平原區地下水水位恢復較快，后期呈現前快后慢，然后逐漸穩定的趨勢。在現有的壓采方案下模型預測平原區地面沉降沒有繼續加大的趨勢，但也沒有出現全面回彈的現象。