GMS在地下水流場預測中的應用研究

張福然，尤傳譽，陸榕彬，王建中

（1.遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧沈陽110006；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130012；3.中國水利水電科學研究院，北京100038）

隨著地區社會經濟的不斷發展，對于地下水資源開發利用的需求不斷增加，但由于缺乏統籌安排，沒有形成協調統一的地下水資源管理體制，導致了土地鹽漬化、地下水漏斗、地面沉降等各類環境問題頻發。因此，對于制定合理的地下水資源開采計劃，預測不同開采條件下地下水流場變化情況是至關重要的。

近年來對于地下水數值模擬技術在我國迅速發展，常用地下水數值模擬的軟件有MODFLOW，GMS，MT3D 等[1-5]，邵 景 力、崔 亞 莉 等 人 利 用MODFLOW 對華北平原地下水資源建立了地下水非穩定流三維模型，為華北平原地下水水資源可持續開采利用、科學管理提供理論性依據[6，7]；Qiu 等人利用GMS 建立了吉林城區河谷平原區的地下水數值模型，對河谷平原區的地下水水量進行了評價[8]；何小亮等人對榆溪河流域建立三維地下水流數值模型，對地下水資源量進行了評價計算[9]。文中以內蒙古東部某區地下水含水層為例，采用GMS 軟件MODFLOW 模塊，對不同開采條件下地下水流場變化情況進行預測。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古東部，面積約為5700 km2，研究區地下水類型主要以第四系砂礫石孔隙水為主，含水層上部覆蓋有一層0.6～1.0 m 的黑色砂質亞粘土，砂礫石層是該類地下水的最主要含水層，地下水埋深一般在2.0～6.0 m，單井涌水量差異較大，河谷平原單井涌水量常在1000 m3/d。地下水補給來源主要為大氣降水及來自研究區北部山區的側向補給，地下水徑流交替條件強烈，水質好。

2 模型建立

2.1 水文地質模型

研究區共存在潛水含水層、承壓水含水層兩個含水層，由兩者之間的弱透水層相連接，三者之間天然水力聯系本就比較密切，再加上近幾十年來大量水井的開鑿也人為地大大加強了兩個含水層之間的聯系，使得潛水位與承壓水位基本趨于一致，很難區分，可以將其近似地處理為一個具有統一水力聯系的含水層系統。該含水層系統的水面相對比較平緩，水流也基本上呈水平方向流動，可以忽略滲流速度的垂向分量大小，只考慮水平方向上的滲流分速度。研究區內松散沉積物的巖性無論是在水平方向還是在垂直方向上都有比較大的變化（非均質），但是在同一點上，滲透系數的大小與方向無關（各向同性）。綜上所述，將研究區地下水含水層概化為非均質、各向同性、二維非穩定流系統，根據實際條件將研究區邊界劃分為水頭邊界及流量邊界，按照不同水文地質單元將研究區劃分為20個不同的水文地質參數單元。

2.2 數學模型

根據建立的研究區水文地質概念模型，采用下式進行描述：

2.3 模型求解

對于建立的地下水數值模型應用GMS 軟件中的MODFLOW 模塊，利用有限差分法進行求解。此次模擬選用的輔助模塊及軟件包主要有MAP，Grid，Scatter Points，River，Wells，Recharge等。

2.3.1 參數選取

利用前人工作基礎以及水文地質試驗資料，對研究區模型所需的滲透系數、給水度、降雨入滲系數等水文地質參數進行賦值，采用水均衡法，對研究區的源匯項數據進行計算。

2.3.2 識別及驗證

1）識別期。此次模擬的識別期選為2015年1月1日至2015年12月31日，共計365 d。識別階段時間離散共選定12個應力期，5 d 為一個時間步長。采用Grid 模塊對模擬區進行剖分，模擬區共剖分成15261個活動單元格。

地下水初始流場根據不同時期的水文地質鉆孔、人飲井鉆孔、現階段地下水位統測資料以及地表高程等數據，用綜合分析的方法繪制。對于模型識別期的初始水文地質參數，采用前人對模擬區進行的抽水試驗以及經驗參數，根據潛水含水層、弱透水層和承壓水含水層厚度所占的比例予以計算。模擬區具有9 眼地下水長期觀測孔，此次模擬采用長觀井長期觀測值與模型計算值擬合的方式，對模型進行檢驗。

通過不斷調整各分區水文地質參數，以提高長觀井觀測值與模型計算值的擬合程度，此次計算值與觀測值的誤差設定為0.2 m，衡量模型的置信度為95%，即長期觀測井的觀測值與模型計算值誤差小于0.2 m 的時間點位在95%以上。

2）驗證期。此次對模型的驗證采用2016年1月1日至2016年12月31日，共計366 d，空間和時間上的離散與模型識別期完全相同。在模型驗證階段，保持水文地質參數分區和水文地質參數值與識別期模型一致，而模型的源匯項等其他數據，則更新為驗證時段數據。

通過對研究區地下水數值模型的識別驗證，發現地下水位長觀孔觀測值與模型的計算值擬合程度較好，說明此次建立的模型能夠基本反映出研究區實際的水文地質條件，分區以及參數的選取較為合理，可以用來對未來地下水流場進行預報。

3 地下水流場預測

此次模型預測主要為將未來年份的地下水預測開采量及其他源匯項數據，輸入至所建立的地下水數學模型中，通過模型的計算，反映出地下水含水層在不同地下水開采方案下的地下水水位的變化情況。

3.1 預測方案

在充分考慮研究區經濟增長、地下水用水量、農業灌區分布、工業用水區分布等多項指標的基礎上，制定了3 套預測方案：

方案一：該方案為在現狀開采量下進行，開采區段在全區均勻分布，不考慮大型農業灌區及工礦企業的集中開采情況，預測期（2018—2030年）地下水開采量采用2016年地下水開采量數據，預測地下水含水層流場的變化響應狀況。

方案二：該方案為考慮一些大型農田灌區以及工業園區具有地下水用水需求的基礎上，將預測期（2018—2030年）地下水開采量，確定在現狀開采量基礎上每年增長2%，預測地下水含水層流場的變化響應狀況。

方案三：該方案為考慮一些大型農田灌區以及工業園區具有地下水用水需求的基礎上，將預測期（2018—2030年）地下水開采量，確定在現狀開采量基礎上每年增長5%，預測地下水含水層流場的變化響應狀況。

3.2 結果分析

1）方案一。現狀開采條件下，模擬區開采強度為0.00001834 m/d 采用預測期全部相同的開采強度，其他源匯項采用對多年連續降水系列的方式進行。通過模擬，得出地下水位在現狀開采條件下呈波動變化，逐步上升，并趨于平穩，地下水位上升幅度約1.6 m，說明該點位所在區域仍有開采潛力待開發。

2）方案二。通過模擬，得出2號點位地下水位隨時間變化，呈現出地下水位在現狀開采條件逐年增加2%的情形下，會呈鋸齒狀波動，沒有大幅度升高或降低的趨勢，水位變化較為平穩。

3）方案三。通過模擬，得出2號點位地下水位隨時間變化，呈現出地下水位在現狀開采條件逐年增加5%的情形下，會呈鋸齒狀波動且呈下降趨勢，各點位地下水位在預測期內下降幅度可達1.5 m左右。

通過方案一（現狀開采條件）與方案二（每年開采量增速2%的條件）進行對比，發現兩個方案均具有開采潛力，相比較而言，方案二的開采量會更大一些，為經濟社會的發展提供更加充足的水量。

通過方案三（每年開采量增速5%的條件）與方案二（每年開采量增速2%的條件）進行對比，發現在方案三開采方案下地下水含水層會形成地下水開采降落漏斗，且隨時間的延續，降落漏斗范圍會增大，地下水位會有較大幅度的下降，因此說明方案二的開采量較為合理。

4 結語

1）在對水文地質條件等情況全面了解的基礎上，建立了水文地質概念模型和數學模型，利用GMS 軟件MODFLOW 模塊對數學模型的識別驗證求解，使模型能夠較為真實地體現研究區地下水含水層分布情況。

2）通過內蒙古某地地下水含水層流場在不同開采量條件的變化情況發現，該區域在現狀開采強度（0.00001834 m/d）的基礎上，以每年2%的增長幅度條件下，地下水位變化較為平穩，沒有大幅度升高或降低的趨勢，為今后該地區地下水的開發利用提供了技術支持。