李雪艷，梁立章，聶大鵬

（1.遼寧省江河流域管理局,遼寧 沈陽 110003；2.遼寧省防汛抗旱指揮部,遼寧 沈陽 110003；3.遼寧省水文局營口分局,遼寧 營口 115000）

1 研究區(qū)水文地質概況

研究區(qū)位于鐵嶺老城區(qū)西南方向13 km的鐵嶺縣凡河鎮(zhèn)，水源地位置在凡河下游榛子嶺水庫以下的賀家屯-南坨子-藥王廟一帶，取水位置打在凡河右岸漫灘及階地上。

該區(qū)地下水賦存于凡河河谷，一般情況下地層顆粒變化在水平方向上從上游由粗到細，但在該區(qū)到下游反而含水層顆粒漸粗，水量也較上游豐富。

2 模擬計算目的層及其水力特征

模擬計算區(qū)上部孔隙含水層介質為第四系細砂、中砂、粗砂、礫砂為主，局部地段有圓礫及卵石層，含水層厚度一般為16～32 m，上游地段富水性一般，滲透系數15~25 m/d，下游富水性較好，滲透系數較上游大，為25~50 m/d；故將計算目的層概化為非均質各向同性含水層。根據對模擬計算區(qū)內地表水體及地下水位的綜合分析，模擬目的層地下水由東南向西北沿河道運移且與地形坡度方向及河水流向一致，在河下游地區(qū)為兩側流向河谷，地下水天然水力坡度為0.086%~0.16%。模擬計算區(qū)地下水系統(tǒng)符合質量守衡定律和能量守衡定律，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律，地下水運動概化為平面二維非穩(wěn)定流。

3 研究區(qū)數值模擬

3.1 邊界條件的概化

1）垂向邊界概化。模擬計算區(qū)目的層頂部以潛水面為界，通過包氣帶與外界進行水量交換，如地下水接受大氣降水入滲、河水滲漏補給，潛水蒸發(fā)排泄及灌溉回滲補給等。底部為粘泥，透水性及滲透性差，概化為隔水邊界。

2）側向邊界概化。根據論證范圍圖及區(qū)域地表水體及地下水位情況，東南部老河灣~賀家屯一帶接受地下水的側向補給，概化為第二類流量補給邊界；西北部強家窩堡一帶地下水向河谷流動，概化為第二類流量排泄邊界，中部河道地區(qū)接受地表水體滲透補給，概化為第三類混合邊界，混合邊界以地表水滲透補給為主，以河流水位及河床底部到其地下含水層的距離為輔；其余論證區(qū)邊界部分與區(qū)域地下水流向大致相當，概化為零流量邊界。

3.2 地下水流數學模型

根據上述水文地質概念模型分析，將該區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質各向同性，二維非穩(wěn)定地下水流數學模型，可采用如下微分方程的定解問題進行描述：

3.3 數學模型的求解

這次計算采用德國WASY GMBH公司，開發(fā)的基于迦遼金有限元方法的地下水流數值模擬系統(tǒng) FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）軟件，此軟件是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。

空間離散。模擬區(qū)面積為52.96 km2，其中有效計算區(qū)面積31.06 km2，無論有效還是無效計算區(qū)均采用FEFLOW進行自動三角網格剖分，模擬計算區(qū)剖分單元445個，接點252個，剖分時將抽水井放在剖分單元的接點上，抽水井周圍加密剖分。

時間離散。模擬期為一個水文年（2009年），共365 d，以一個月為一個時間段，每個時間段包括若干個時間步長，時間步長為模型。

3.4 模型的識別及校正

選擇2009年1—6月作為模型的識別時段，該時段歷經枯水期和平水期，流場的特征能較好地反映出含水層系統(tǒng)的特性，選擇2009年7—12月進行模型的校正，選取2009年12月末的流場進行擬合。計算參數見表1。計算成果見表2。

表1 校正后模擬計算分區(qū)水文地質參數值表

表2 模擬期有效計算區(qū)地下水均衡計算成果表 104m3

從表中可以得出均衡分析結果：模擬期內水量為負均衡，是由于水源開采原因導致各個井所在的小區(qū)域產生漏斗，而消耗區(qū)內部分地下水儲存量所致，但其消耗量并不大，不影響正常開采。在補給項中降水入滲及河水入滲為該區(qū)地下水的兩大主要補給來源，分別占總補給量的40.66%及50.39%，尤其河水入滲補給占總補給量的50%以上。排泄項則主要為區(qū)內水源井的集中開采及其余零散人工開采。

根據地下水資源數值法計算技術要求，一般情況下，控制觀測井地下水水位的觀測值與模擬計算值的擬合誤差，應小于擬合計算期內水位變化值的10%，該區(qū)計算流場與實測流場基本吻合，實測水位與計算水位擬合誤差在允許范圍之內，表明所進行的含水層結構分析、邊界條件概化，以及水文地質參數和源匯項的選取都是合理的，所建立的數學模型較為真實地刻畫了研究區(qū)地下水系統(tǒng)的特征，仿真性強，可以運用該模型進行模擬計算區(qū)地下水資源的預測。

3.5 模型預測

水源地按新增開采量1.92×104m3/d，進行5年期預測。根據運行結果，第一年水位下降較快而后4年下降速度大致相當，下降幅度在4.42~7.08 m之間，運行5年后水位趨于穩(wěn)定，并隨著降水量的豐枯交替，水位相應的升降。除離其它井距較遠的井單獨形成漏斗外，其他開采井群所在區(qū)域內形成一定范圍內的降落漏斗。從流場演變趨勢看，在前5年水位持續(xù)下降期間，流場也在逐漸形成穩(wěn)定的漏斗區(qū)，中后期隨著水位穩(wěn)定后，流場逐漸趨于穩(wěn)定，區(qū)域整體的水位僅隨豐、枯水年的交替升降而流場形狀變化不大。

4 結論

1）通過模型的識別與驗證說明，FEFLOW對傍河區(qū)地下水源數值模擬，具有較高的仿真度，可以用于地下水的預測。

2）通過模型預測，新增開采量1.92×104m3/d的情況下，只是第一年地下水出現負均衡狀態(tài)，但是一年后地下水補排達到了均衡，雖然形成一定的漏斗但是漏斗基本穩(wěn)定，沒有繼續(xù)擴大的趨勢。