韓正元

(新疆烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

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新疆烏蘇市地下水資源可利用量計(jì)算中數(shù)值法的應(yīng)用分析

韓正元

(新疆烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

隨著計(jì)算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，利用模擬計(jì)算軟件，可以完成地下水資源量計(jì)算中復(fù)雜、不規(guī)則、模糊的計(jì)算問(wèn)題。使用不同的計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和計(jì)算需求情況構(gòu)建合理的模型，對(duì)地下水資源概況進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合烏蘇市地下水?dāng)?shù)值分析計(jì)算實(shí)例，對(duì)數(shù)值法的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

地下水；數(shù)值法；資源評(píng)價(jià)；應(yīng)用分析

目前，我們?cè)谒Y源評(píng)估的數(shù)值分析方法有有限差分法、有限單元法、邊界元法和特征線法[1]，數(shù)值法能夠描述不規(guī)則區(qū)域內(nèi)非均質(zhì)含水層及復(fù)雜的邊界條件，能夠處理河流滲入、大氣降水、抽排水、溶質(zhì)交換和蒸發(fā)在時(shí)間和空間上的變化，能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，數(shù)值法已成為地下水資源評(píng)價(jià)的重要方法。其中較為常用的是有限差分法和有限單元法，兩者都采用線性數(shù)學(xué)推導(dǎo)，其中有限差分法物理意義明確、簡(jiǎn)單易懂，而有限單元法涉及的數(shù)學(xué)計(jì)算較為復(fù)雜。但是兩者在計(jì)算時(shí)都是將計(jì)算對(duì)象分割成一個(gè)個(gè)小的網(wǎng)格單元，將偏微分方程離散稱為線性方程組，用計(jì)算機(jī)聯(lián)立求解。只是在網(wǎng)格劃分和方程線性化方法上有區(qū)別。

地下水水量的數(shù)值模擬適用于工程控制程度較高的大、中型供水水源地。計(jì)算所依據(jù)的資料、對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)情況的概化、建立數(shù)值分析模型以及進(jìn)行模擬都需要嚴(yán)格遵從供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范中的技術(shù)要求[2]。

1　研究區(qū)域概況

1.1地表水情況

烏蘇境內(nèi)包括奎屯河、四棵樹河和古爾圖河三條較大的河流。根據(jù)新疆水文水資源局41年水文資料統(tǒng)計(jì)，三河多年來(lái)平均徑流量為13.18億 m3，其中奎屯河6.62億 m3，四棵樹河2.97億 m3，古爾圖河3.61億 m3。

烏蘇市地表水資源開發(fā)利用的重點(diǎn)在這三大河流上,其中奎屯河、古爾圖河是烏蘇市與兵團(tuán)農(nóng)七師駐境內(nèi)7個(gè)團(tuán)場(chǎng)共同開發(fā)利用的河流，四棵樹河是烏蘇市自建自管的河流，不與農(nóng)七師團(tuán)場(chǎng)分水，但夏、秋、冬三季的余水注入農(nóng)七師的柳溝水庫(kù)。近5年，烏蘇市平均引地表水3.0億 m3。

1.2地下水情況

烏蘇市平原區(qū)(不包括兵團(tuán))地下水總補(bǔ)給量為5.88億 m3，其中天然補(bǔ)給量0.93億 m3，轉(zhuǎn)化補(bǔ)給量4.95億 m3，地下水可開采資源量為3.53億 m3，現(xiàn)有正常使用取水井2 776眼，年開采地下水資源超過(guò)5.5億 m3。

2　地下水?dāng)?shù)值模擬模型

2.1建立水文地質(zhì)概念模型

建立計(jì)算模型前，需要對(duì)計(jì)算區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行充分的了解和研究，對(duì)實(shí)際的水文地質(zhì)條件進(jìn)行較為準(zhǔn)確的概化，并用清楚的語(yǔ)言文字，圖像，表格數(shù)據(jù)等形式準(zhǔn)確描述當(dāng)?shù)氐叵滤x存和運(yùn)移規(guī)律特征[3]。

烏蘇市計(jì)算區(qū)地下含水層可概化為兩層越流含水層，分別是第四系潛水非穩(wěn)定流和承壓含水層基巖，兩者互相聯(lián)系。地下水邊界由地形高點(diǎn)圈定，由流量邊界作為模型的邊界，邊界流量為零，高點(diǎn)之間的低洼處的流量相對(duì)較大[4]。

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，需建立起計(jì)算對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。它是描述地下水?dāng)?shù)量、時(shí)間和空間關(guān)系，以及地下水流動(dòng)狀態(tài)的一組數(shù)學(xué)關(guān)系式。地下水流的數(shù)學(xué)模型實(shí)際上就是概念模型的數(shù)學(xué)化表達(dá)。它主要包括偏微分方程，初始條件和邊界條件。有限差分法和有限單元法都是將建立的數(shù)學(xué)模型離散成簡(jiǎn)單的代數(shù)方程組。

其中第四系地下水?dāng)?shù)學(xué)模型如下：

H2(X，Y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

承壓基巖地下水?dāng)?shù)學(xué)模型如下：

H2(x，y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

式中：H1、H2為各層地下水位(m)；k1為第四系含水層滲透性系數(shù)(m/d)；D1為第四系含水層的底板標(biāo)高(米)；E0為地表蒸發(fā)強(qiáng)度(m)；Ha為地表的標(biāo)高 (m)；Smax為最大蒸發(fā)深度 (m)；k'為弱透水層的滲透系數(shù) (m/d)；M'為弱透水層的厚度 (m)；ω為外界降水滲入補(bǔ)給量(m/d)；T2為巖層的導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)，承壓含水層導(dǎo)水系數(shù)由T2= K2M計(jì)算，其中K2為基巖承壓含水層滲透系數(shù)，M為基巖含水層的厚度，潛水或無(wú)壓含水層導(dǎo)水系數(shù)T2=K2(H2-D2)，D2為基巖含水層的底板標(biāo)高；Qi為地下水的開采量(m3/d)；H0為初始水位(m)；Ω為計(jì)算區(qū)域；μ為潛水或無(wú)壓含水層給水度，承壓含水層貯水系數(shù)；qe( x，y，t) 為二類邊界單寬補(bǔ)給量(m2/d)。

表1　水文地質(zhì)分區(qū)表

圖1　滲流區(qū)域節(jié)點(diǎn)劃分圖

2.3建立數(shù)值模型

1)模型的空間和時(shí)間離散計(jì)算

建立數(shù)值模型需要對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分割，離散成一個(gè)個(gè)小單元，做出網(wǎng)格剖分圖。分割圖需要選擇好分割節(jié)點(diǎn)，盡量將節(jié)點(diǎn)分布在觀測(cè)孔，以便使勘測(cè)資料更準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)建立的數(shù)值模型[5]。但是由于觀測(cè)孔的數(shù)量有限，不足以對(duì)應(yīng)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這就需要設(shè)置插值點(diǎn)來(lái)補(bǔ)充節(jié)點(diǎn)參數(shù)。插值點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在水位明顯變化、水文地質(zhì)參數(shù)變異及觀測(cè)孔分布稀疏的地方。布置好節(jié)點(diǎn)后，將節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)格單元。模型關(guān)于時(shí)間的離散分為模擬期和預(yù)測(cè)期。模擬期主要是用于確定水文地質(zhì)條件演化以及計(jì)算地下水補(bǔ)給量。預(yù)測(cè)期可以估算地下水可開采利用量和預(yù)測(cè)地下水水位。模擬期一般會(huì)取一個(gè)或若干個(gè)水文年水文年，在一個(gè)較為完整的周期內(nèi)識(shí)別數(shù)學(xué)模型，這樣準(zhǔn)確度和可信度更高。預(yù)測(cè)期則根據(jù)地下水資源數(shù)值模擬的實(shí)際目的和要求來(lái)確定。在模擬期確定之后，為計(jì)算區(qū)節(jié)點(diǎn)賦初始條件和水文參數(shù)。將模擬期人為劃分成多個(gè)時(shí)間段，來(lái)反映期間地下水位的變化稱為時(shí)間離散。模擬期時(shí)間離散，可以根據(jù)實(shí)際地下水頭變化規(guī)律，確定相應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)。例如進(jìn)行模擬抽水試驗(yàn)時(shí)，開始以分鐘為單位，以后時(shí)段拉長(zhǎng)，以小時(shí)或天為單位，再如模擬地下水大量開采時(shí)，則可以月、季(豐水期、枯水期)以及年為單位。

本實(shí)例采用三角網(wǎng)格分割滲流區(qū)域，對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域適度加密，觀測(cè)孔與部分節(jié)點(diǎn)基本全部重合。最后對(duì)結(jié)點(diǎn)和三角形網(wǎng)格單元進(jìn)行編號(hào)，共計(jì)節(jié)點(diǎn)635個(gè)，三角形單元13 243個(gè)，分割結(jié)果如下圖1所示：

2)水文地質(zhì)參數(shù)選取

水文地質(zhì)參數(shù)的選取是依據(jù)地層巖性和觀測(cè)孔抽水實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步確定分區(qū)的，在進(jìn)行模擬時(shí)應(yīng)根據(jù)情況調(diào)整。數(shù)值模型的識(shí)別在數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程中被稱為解逆[5]。在識(shí)別過(guò)程中，不僅需要對(duì)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，而且在必要時(shí)候還要對(duì)地下水的補(bǔ)給量、排出量，含水層概化結(jié)構(gòu)和邊界條件等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。具體參數(shù)識(shí)別結(jié)果見表1。

3　地下水資源量的計(jì)算

根據(jù)模型識(shí)別的結(jié)果，繪制地下水資源量均衡表如下表2。

表2　地下水資源量均衡表

本次數(shù)值法計(jì)算中，水文地質(zhì)概化模型正確。對(duì)觀測(cè)孔進(jìn)行的抽水試驗(yàn)充分揭示了地下水系統(tǒng)中存在的矛盾。利用數(shù)值法對(duì)抽水試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)擬合，來(lái)識(shí)別模型。模擬的時(shí)間段包括抽水前、抽水時(shí)以及抽水后水位的恢復(fù)階段[6]。利用2011年6月5日—2012年6月4日一整個(gè)水文年的地下水動(dòng)態(tài)資料進(jìn)行了模型驗(yàn)證。因此，地下水資源模擬數(shù)學(xué)模型的連續(xù)函數(shù)在時(shí)間和空間上離散程度的足夠小，符合計(jì)算精度的要求，水文地質(zhì)參數(shù)、降雨入滲系數(shù)、邊界流入流出量等符合實(shí)際。通過(guò)計(jì)算，勘探區(qū)地下水可利用量為18 091．59 m3/d。

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了數(shù)值法在我國(guó)地下水資源評(píng)估中的重要作用，詳細(xì)數(shù)值法的應(yīng)用方法。對(duì)烏蘇市地下水水文地質(zhì)情況進(jìn)行概化，布置計(jì)算節(jié)點(diǎn)，建立了數(shù)值模擬模型。通過(guò)對(duì)地下水資源量均衡計(jì)算，得到了所求地下水資源量數(shù)值。模型構(gòu)建合理，符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，計(jì)算結(jié)果比較滿意。

[1]任洪雨，馮斌，郭新體.數(shù)值法在地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].西部探礦工程.2003，(03)：81-84.

[2]董玉興，折書群.數(shù)值法在計(jì)算地下水補(bǔ)給資源量中的應(yīng)用[J].地下水.2013，(02)：67-69.

[3]韓再生. 地下水資源數(shù)值法計(jì)算技術(shù)要求—行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)介紹[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì).2009，(04)：49-52.

[4]劉平生，楊新梅，劉順卿. 數(shù)值法在豫東平原淺層地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 勘察科學(xué)技術(shù).2006，(05)：7-12.

[5]郭瑞. 興平市地下水動(dòng)態(tài)特征及數(shù)值模擬研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué).2008，(06).

[6]邵忠瑞，趙目軍.灘小關(guān)水源地地下水計(jì)算與評(píng)價(jià)[J].地下水.2012，(04)：75-79.

2016-03-08

韓正元(1975-)，男，江蘇贛榆人，工程師，主要從事農(nóng)田水利灌溉管理方面的研究。

P641.8

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1004-1184(2016)04-0066-02