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        洮兒河流域扇形地下水庫調(diào)控模型構(gòu)建

        2014-09-19 11:10:20范榮亮王光磊
        東北水利水電 2014年8期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)給量扇形結(jié)點(diǎn)

        付 鵬,范榮亮,黃 旭,王光磊

        (1.松遼水利委員會(huì)水文局,吉林 長春 130021;2.徐州市水務(wù)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(diào)蓄空間,是洮兒河流域最具開發(fā)利用價(jià)值的地下水庫。為研究地下水庫的調(diào)蓄功能,實(shí)現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合配置,構(gòu)建、開發(fā)了洮兒河流域扇形地下水庫調(diào)控模型。

        1 洮兒河流域概況

        洮兒河是嫩江下游右側(cè)的一大支流,流經(jīng)內(nèi)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(fēng)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(jìn)入平原,形成了沖積洪積扇,構(gòu)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(gè)巨大的天然地下水庫,具有良好的調(diào)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(biāo)含水層。該層孔隙潛水在天然狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本符合達(dá)西定律。水流運(yùn)動(dòng)形式可概化為非均質(zhì)各向同性的平面二維流,用數(shù)學(xué)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(shí)間上的垂向補(bǔ)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(diǎn)水位;q——二類邊界單寬流量;D——模擬區(qū)范圍。

        2.2 基礎(chǔ)軟件

        洮兒河流域地下水庫調(diào)控模型利用了美國楊百翰大學(xué)環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室的GMS地下水模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D等計(jì)算模塊。其中的MODFLOW模塊是專門用于孔隙介質(zhì)地下水的三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件。因其程序結(jié)構(gòu)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(diǎn),已被廣泛用于模擬井流、河流、排泄、蒸發(fā)和補(bǔ)給等對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。洮兒河流域地下水庫調(diào)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(gòu)建

        3.1 含水層的水力特征

        考慮到地下水庫調(diào)控的含水層應(yīng)具有良好的開啟性,同時(shí)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(biāo)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(yùn)動(dòng)規(guī)律基本符合達(dá)西定律,水流運(yùn)動(dòng)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(diào)查統(tǒng)計(jì)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(xiàng)處理

        模型的主要源項(xiàng)包括降水入滲補(bǔ)給量、河道與渠道滲漏補(bǔ)給量、側(cè)向徑流補(bǔ)給量和灌溉回歸入滲補(bǔ)給量;主要匯項(xiàng)包括潛水蒸發(fā)量、人工開采量和側(cè)向流出量。其中,降水入滲補(bǔ)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(shí)測資料采用SWAT模型模擬計(jì)算。其它各源匯項(xiàng)的處理方法如下:

        1)側(cè)向徑流補(bǔ)給量。地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量按下式估算:

        式中:Qlr——山前側(cè)向補(bǔ)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(bǔ)給量。通過模型校準(zhǔn),確定河床的水力傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)計(jì)算河道滲漏補(bǔ)給量。

        3)渠道滲漏補(bǔ)給量。渠道滲漏補(bǔ)給量計(jì)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(shí)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(cè)向流出量。計(jì)算公式同側(cè)向徑流補(bǔ)給量公式。

        5)人工開采量。根據(jù)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水實(shí)際開采量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分農(nóng)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(bǔ)給量與排泄量(見表1)。由表1可知,地下水多年平均總補(bǔ)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(bǔ)給量與河道滲漏補(bǔ)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(bǔ)給、排泄量 108m3/a

        3.4 計(jì)算區(qū)剖分及參數(shù)分區(qū)

        1)計(jì)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(dǎo)致下層含水層具有一定的承壓性。因此綜合考慮水文地質(zhì)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(gè)單元,單元平均面積為0.632 km2。共有結(jié)點(diǎn)4871個(gè),其中邊界結(jié)點(diǎn)117個(gè)。邊界結(jié)點(diǎn)中一類邊界結(jié)點(diǎn)75個(gè),有水位觀測資料的邊界結(jié)點(diǎn)18個(gè);二類邊界結(jié)點(diǎn)42個(gè)。共利用觀測井137個(gè),其中邊界結(jié)點(diǎn)井18個(gè),內(nèi)部結(jié)點(diǎn)井119個(gè)。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(gè)含水層的參數(shù)進(jìn)行分區(qū)。其中第一層和第二層分為3個(gè)大區(qū)、6個(gè)小區(qū);第三層為扇形地前緣承壓含水層,劃為6個(gè)分區(qū)。在MODFLOW模型中,降水入滲補(bǔ)給量與潛水蒸發(fā)量可通過SWAT模擬結(jié)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(gè)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(shí)測資料進(jìn)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(shí)別與檢驗(yàn)

        在模型的識(shí)別和檢驗(yàn)過程中,為了如實(shí)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(zhuǎn)化為注水井的形式。沿河道設(shè)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(shí)別。選擇2000年9月1日~2001年6月1日,作為模型的識(shí)別期,共274 d。由于模型識(shí)別期較短,且處于枯水期,源匯項(xiàng)較少,數(shù)據(jù)擬合相對比較容易。根據(jù)所掌握的識(shí)別期實(shí)測資料,以一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期,將識(shí)別期劃分為9個(gè)應(yīng)力期。每個(gè)應(yīng)力期平均劃分為3個(gè)時(shí)段,平均10天為一個(gè)時(shí)段。

        由于模擬區(qū)域條件比較簡單,且識(shí)別期實(shí)測資料翔實(shí),加之輸入源匯項(xiàng)和參數(shù)能較真實(shí)地反映實(shí)際的水文地質(zhì)條件,因而模型識(shí)別取得了較好的結(jié)果(見圖3)。地下水位的模型計(jì)算值與實(shí)測值擬合誤差小于0.5 m的結(jié)點(diǎn)觀測井?dāng)?shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)均達(dá)到總數(shù)的75%以上。由圖3可見,實(shí)測與計(jì)算水位的等值線在整體上達(dá)到了較好的擬合,說明所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型真實(shí)地刻畫了扇形地的水文地質(zhì)特征。

        圖2 模型識(shí)別期水位擬合圖

        圖3 模型檢驗(yàn)期水位擬合圖

        2)模型的檢驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)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(dòng)態(tài)觀測資料對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。模型檢驗(yàn)期為1年,檢驗(yàn)期時(shí)段的劃分同識(shí)別期一致。

        將檢驗(yàn)期的源匯項(xiàng)輸入已識(shí)別好的數(shù)學(xué)模型,以2001年6月1日實(shí)際觀測水位作為初始水位運(yùn)行模型。檢驗(yàn)期末(2002年6月1日)計(jì)算結(jié)果顯示:地下水位的模型計(jì)算值與實(shí)測值擬合誤差小于0.5 m的結(jié)點(diǎn)觀測井?dāng)?shù)和結(jié)點(diǎn)數(shù)均占總數(shù)的75%以上。計(jì)算水位與實(shí)測水位等值線的整體擬合程度很好,說明模型的構(gòu)建是成功的。

        5 結(jié)論

        1)洮兒河扇形地下水庫調(diào)控模型基于成熟的MODFLOW軟件,經(jīng)綜合分析當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件并合理確定源匯項(xiàng)及分區(qū)參數(shù)后得以構(gòu)建。檢驗(yàn)結(jié)果說明所建立的數(shù)學(xué)模型、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)選取和源匯項(xiàng)處理是合理和可靠的,

        2)所建立的數(shù)值計(jì)算模型能夠真實(shí)反映洮兒河扇形地地下水動(dòng)態(tài)變化特征,可以將該模型應(yīng)用于洮兒河扇形地下水庫調(diào)控,并進(jìn)一步應(yīng)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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