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        洮兒河流域扇形地下水庫調控模型構建

        2014-09-19 11:10:20范榮亮王光磊
        東北水利水電 2014年8期
        關鍵詞:補給量扇形結點

        付 鵬,范榮亮,黃 旭,王光磊

        (1.松遼水利委員會水文局,吉林 長春 130021;2.徐州市水務局,江蘇 徐州 221018)

        洮兒河流域洪水流量較大,但缺少地表水控制性工程,致使洪水資源難以利用。下游扇形地潛水含水層埋藏淺、厚度大,具有較大的地下調蓄空間,是洮兒河流域最具開發(fā)利用價值的地下水庫。為研究地下水庫的調蓄功能,實現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合配置,構建、開發(fā)了洮兒河流域扇形地下水庫調控模型。

        1 洮兒河流域概況

        洮兒河是嫩江下游右側的一大支流,流經(jīng)內蒙古興安盟的科右前旗、突泉縣和吉林省的白城、洮南、鎮(zhèn)賚、大安等市縣,流域面積約為3萬km2。干流及其主要支流歸流河和蛟流河均發(fā)源于大興安嶺東南麓,自西北向東南流入嫩江,干流總長395 km。流域形狀狹長,東西寬,南北窄。東為嫩江,西為大興安嶺,南為霍林河,北與綽爾河相鄰。流域整體上位于松嫩平原西部向大興安嶺山地的生態(tài)過渡帶,屬于典型的大陸性干旱-半干旱季風氣候區(qū)。多年平均降雨量為458.4 mm,6~9月降雨量占全年降水量的85.9%。多年平均蒸發(fā)量為1780~1910 mm。

        洮兒河扇形地位于大興安嶺東麓山前傾斜平原,處于松嫩平原西緣,占地面積約2924 km2。洮兒河與蛟流河自大興安嶺東坡進入平原,形成了沖積洪積扇,構成了山前傾斜平原。地面由扇頂向前緣傾斜,坡降0.1%~0.3%。扇頂海拔200~220 m,前緣海拔145~150 m,部分隱伏于松嫩平原之下,形成埋藏扇形地。洮兒河扇形地是一個巨大的天然地下水庫,具有良好的調蓄條件。

        2 模型簡介

        2.1 基本方程

        洮兒河扇形地主要地下水類型為第四系孔隙潛水,含水層厚10~40 m,是模擬研究的目標含水層。該層孔隙潛水在天然狀態(tài)下的運動規(guī)律基本符合達西定律。水流運動形式可概化為非均質各向同性的平面二維流,用數(shù)學方程表示為:

        式中:K——潛水含水層滲透系數(shù);μ——潛水含水層給水度;W,P——分別為單位面積、單位時間上的垂向補給量和排泄量;h,H——分別為地下水位和潛水水位;B——含水層底板高程;h0,h1——分別為初始水和一類邊界點水位;q——二類邊界單寬流量;D——模擬區(qū)范圍。

        2.2 基礎軟件

        洮兒河流域地下水庫調控模型利用了美國楊百翰大學環(huán)境模型研究實驗室的GMS地下水模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D等計算模塊。其中的MODFLOW模塊是專門用于孔隙介質地下水的三維有限差分數(shù)值模擬軟件。因其程序結構的模塊化、離散方法的簡單化和求解方法的多樣化等優(yōu)點,已被廣泛用于模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補給等對非均質和復雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。洮兒河流域地下水庫調控模型主要利用了GMS系統(tǒng)中的MODFLOW模塊及其輔助模塊。

        3 扇形地GMS模型的構建

        3.1 含水層的水力特征

        考慮到地下水庫調控的含水層應具有良好的開啟性,同時綜合考慮含水層的供水意義和水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀,將模擬目標含水層定為第四系潛水含水層。該層孔隙潛水在天然狀態(tài)下的水力坡度不大,一般小于0.1%,其運動規(guī)律基本符合達西定律,水流運動形式可概化為平面二維流。

        3.2 邊界條件

        通過研究,近20年的調查統(tǒng)計資料及地下水等水位線圖可以看出,扇形地西部邊界和北部邊界與等水位線近于垂直,可視為隔水邊界;由扇形地頂部流入的洮兒河和蛟流河河谷較寬,滲透性較好,含水層厚度為10 m左右,兩河入口可視為流量邊界;扇形地前緣地帶含水層逐漸由單層過渡為多層,為亞粘土和砂礫石夾層,地形開闊平坦,地下水的水力坡度很小,可視為弱透水邊界。

        3.3 源匯項處理

        模型的主要源項包括降水入滲補給量、河道與渠道滲漏補給量、側向徑流補給量和灌溉回歸入滲補給量;主要匯項包括潛水蒸發(fā)量、人工開采量和側向流出量。其中,降水入滲補給量、潛水蒸發(fā)量和灌溉回歸水量根據(jù)歷年的降水、徑流、蒸發(fā)等實測資料采用SWAT模型模擬計算。其它各源匯項的處理方法如下:

        1)側向徑流補給量。地下水側向徑流補給量按下式估算:

        式中:Qlr——山前側向補給量(104m3/a);K——含水層滲透系數(shù)(m/d);I——垂直于剖面方向上的水力坡度;M——含水層厚度(m);L——剖面長度(km)。

        2)河道滲漏補給量。通過模型校準,確定河床的水力傳導系數(shù)。MODFLOW可根據(jù)河道斷面數(shù)據(jù)、河道水位及河床的水力傳導系數(shù)計算河道滲漏補給量。

        3)渠道滲漏補給量。渠道滲漏補給量計算采用滲漏系數(shù)法。渠道滲漏系數(shù)根據(jù)引洮工程渠段實測流量資料分析確定。渠道在引水初期滲漏系數(shù)較大,然后快速減小,5~6日后基本趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定滲漏系數(shù)為0.15~0.20。

        4)側向流出量。計算公式同側向徑流補給量公式。

        5)人工開采量。根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水實際開采量進行統(tǒng)計,分農業(yè)用水和其它用水兩部分。

        按照上述方法,可得到近20年扇形地多年平均地下水的補給量與排泄量(見表1)。由表1可知,地下水多年平均總補給量為5.0823×108m3/a,扣除地下水灌溉回歸水量,地下水資源量為4.3182×108m3/a。降水入滲補給量與河道滲漏補給量占地下水資源量的89.6%。

        表1 扇形地多年平均地下水補給、排泄量 108m3/a

        3.4 計算區(qū)剖分及參數(shù)分區(qū)

        1)計算區(qū)剖分。扇形地地下水雖為潛水,但在扇形地前緣夾有第三系粘性土層,導致下層含水層具有一定的承壓性。因此綜合考慮水文地質及地形地貌等條件,將扇形地含水層概化為三層,每一層剖分為4640個單元,單元平均面積為0.632 km2。共有結點4871個,其中邊界結點117個。邊界結點中一類邊界結點75個,有水位觀測資料的邊界結點18個;二類邊界結點42個。共利用觀測井137個,其中邊界結點井18個,內部結點井119個。扇形地網(wǎng)格剖分情況如圖1所示。

        圖1 研究區(qū)網(wǎng)格剖分圖

        2)參數(shù)分區(qū)。對每個含水層的參數(shù)進行分區(qū)。其中第一層和第二層分為3個大區(qū)、6個小區(qū);第三層為扇形地前緣承壓含水層,劃為6個分區(qū)。在MODFLOW模型中,降水入滲補給量與潛水蒸發(fā)量可通過SWAT模擬結果確定,另外還需要確定的參數(shù)主要是滲透系數(shù)及含水層給水度。這兩個參數(shù)初始值(見表2),根據(jù)前述參數(shù)確定方法給定,再根據(jù)實測資料進行率定。

        表2 扇形地各含水層分區(qū)初始參數(shù)表

        4 模型的識別與檢驗

        在模型的識別和檢驗過程中,為了如實反映1998年洪水后洮兒河和蛟流河持續(xù)斷流的情況,將洮兒河和蛟流河的滲漏轉化為注水井的形式。沿河道設置一系列注水井,注水量與河流流量的變化一致。

        1)模型的識別。選擇2000年9月1日~2001年6月1日,作為模型的識別期,共274 d。由于模型識別期較短,且處于枯水期,源匯項較少,數(shù)據(jù)擬合相對比較容易。根據(jù)所掌握的識別期實測資料,以一個月為一個應力期,將識別期劃分為9個應力期。每個應力期平均劃分為3個時段,平均10天為一個時段。

        由于模擬區(qū)域條件比較簡單,且識別期實測資料翔實,加之輸入源匯項和參數(shù)能較真實地反映實際的水文地質條件,因而模型識別取得了較好的結果(見圖3)。地下水位的模型計算值與實測值擬合誤差小于0.5 m的結點觀測井數(shù)和結點數(shù)均達到總數(shù)的75%以上。由圖3可見,實測與計算水位的等值線在整體上達到了較好的擬合,說明所構建的數(shù)學模型真實地刻畫了扇形地的水文地質特征。

        圖2 模型識別期水位擬合圖

        圖3 模型檢驗期水位擬合圖

        2)模型的檢驗。為進一步驗證所建立的數(shù)值模型和模型參數(shù)的可靠性,利用2001年與2002年地下水位動態(tài)觀測資料對模型進行檢驗。模型檢驗期為1年,檢驗期時段的劃分同識別期一致。

        將檢驗期的源匯項輸入已識別好的數(shù)學模型,以2001年6月1日實際觀測水位作為初始水位運行模型。檢驗期末(2002年6月1日)計算結果顯示:地下水位的模型計算值與實測值擬合誤差小于0.5 m的結點觀測井數(shù)和結點數(shù)均占總數(shù)的75%以上。計算水位與實測水位等值線的整體擬合程度很好,說明模型的構建是成功的。

        5 結論

        1)洮兒河扇形地下水庫調控模型基于成熟的MODFLOW軟件,經(jīng)綜合分析當?shù)厮牡刭|條件并合理確定源匯項及分區(qū)參數(shù)后得以構建。檢驗結果說明所建立的數(shù)學模型、邊界條件、水文地質參數(shù)選取和源匯項處理是合理和可靠的,

        2)所建立的數(shù)值計算模型能夠真實反映洮兒河扇形地地下水動態(tài)變化特征,可以將該模型應用于洮兒河扇形地下水庫調控,并進一步應用于洮兒河流域地表水與地下水資源的聯(lián)合配置與利用。

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