丁國輝

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南京 210031)

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基于GMS的邯鄲市受水區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬

丁國輝

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 南京 210031)

南水北調(diào)工程是緩解我國北方部分地區(qū)水資源短缺的特大型水資源配置戰(zhàn)略工程。其實(shí)施將顯著改善我國北方地區(qū)的水資源條件及其配置格局，并為受水區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)創(chuàng)造有利條件。以邯鄲市受水區(qū)為研究對(duì)象，利用GMS軟件對(duì)研究區(qū)地下水進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別與驗(yàn)證，進(jìn)而開展整個(gè)研究區(qū)的水均衡分析工作。結(jié)果表明：所建模型較好地模擬了該區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件，所模擬的地下水位與實(shí)測水位較為接近，可用于預(yù)測不同水源配置方案下未來該區(qū)的地下水位變化情況，以此為該區(qū)的地下水壓采工作提供決策依據(jù)。

南水北調(diào)工程； 數(shù)值模擬； GMS； 水均衡； 地下水壓采

邯鄲市南水北調(diào)工程受水區(qū)以地下水為主要水源。20世紀(jì)70年代以來，區(qū)域地下水超采嚴(yán)重，地下水位呈逐年下降趨勢。地下水位的下降一方面造成機(jī)井報(bào)廢、出水量銳減，另一方面導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化、地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。

南水北調(diào)中線一期工程分配給邯鄲市的水量為3.53億m3。供水目標(biāo)以解決城市生活和工業(yè)缺水問題為主。同時(shí)對(duì)于緩解水資源緊缺矛盾、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境、提高水資源承載能力都將發(fā)揮重要的作用。在全面查清本研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、水資源現(xiàn)狀和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等基礎(chǔ)上，建立地下水動(dòng)態(tài)模擬模型，為開展水資源調(diào)配技術(shù)研究、確定合理的水資源調(diào)配方案、合理開發(fā)和有效保護(hù)地下水提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)為邯鄲市南水北調(diào)工程中線總干渠以東區(qū)域，包括城區(qū)和市區(qū)東部13個(gè)縣(見圖1)，總面積約7384km2，占邯鄲市面積的61.3%。邯鄲市屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)水系可分為子牙河水系、漳衛(wèi)河水系、黑龍港水系和徒駭馬頰河水系四部分。

圖1 研究區(qū)范圍

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)在水平方向上可劃分為三個(gè)水文地質(zhì)大區(qū)和六個(gè)水文地質(zhì)亞區(qū)(見圖2)。研究區(qū)包氣帶巖性主要為亞砂土和亞黏土夾黏土或砂層，山前傾斜平原區(qū)巖性的顆粒略粗，中部沖湖積平原和東部沖積平原及扇間地帶巖性顆粒較細(xì)。東部平原區(qū)含水層主要為第四系松散巖類孔隙含水巖組。

研究區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲補(bǔ)給、河流渠系滲漏補(bǔ)給、灌溉入滲及山前側(cè)向徑流補(bǔ)給。本區(qū)域總的徑流方向是由西向東，在中部平原區(qū)轉(zhuǎn)向東北，水力坡度逐漸變小，并且徑流越來越緩慢。在區(qū)域內(nèi)部，由于受地下水降落漏斗的影響，地下水徑流方向?yàn)樽月┒吠鈬飨蚵┒分行?。在常年性流水的河流兩岸，形成與河流位置相當(dāng)?shù)牡叵滤炙畮X，由分水嶺向兩側(cè)徑流。該區(qū)域地下水的排泄主要是人工開采。隨著地下水位的下降，地下水側(cè)向流出和潛水蒸發(fā)已逐漸減少，現(xiàn)僅少量分布于咸水區(qū)且地下水埋深較淺的地段。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)I1—沙洺河沖洪積扇亞區(qū)；I2—沙洺河、漳河沖洪積扇扇間亞區(qū)；I3—漳河沖洪積扇亞區(qū)；II1—沙洺河、漳河交互沉積亞區(qū)；II2—漳河沖洪、湖積亞區(qū)；III—黃衛(wèi)河沖積平原亞區(qū)

2 研究區(qū)地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)的西部為太行山山前傾斜平原，巖性主要以粗砂、中砂為主；北部和大名縣東南部、魏縣西南部及臨漳縣的南部邊界，巖性主要為中砂和細(xì)砂。其邊界地下水與外部邊界水流交換頻繁，可概化為流量邊界。館陶縣東部和魏縣東南部分別以常年有水的衛(wèi)運(yùn)河、衛(wèi)河為界，可概化為已知水頭的第一類邊界。區(qū)域含水層主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給、河渠滲漏補(bǔ)給、農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)給及地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給。

綜上所述，研究區(qū)可概化為非均質(zhì)各向同性準(zhǔn)三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，可用如下定解條件描述地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律[1]：

式中K——滲透系數(shù)張量，m/d；

Kxx、Kyy、Kzz——主軸方向滲透系數(shù)分量，m/d；

Ss——貯水率，m-1；

W*——源匯項(xiàng)，m3/d；

h——地下水頭，m；

H——第一類邊界水頭，m；

q——第二類邊界上單寬流量，m3/d。

2.3 數(shù)值模型的求解方法

利用GMS中的MODFLOW模塊和MAP模塊進(jìn)行研究區(qū)地下水流數(shù)值模擬[2- 6]。將研究區(qū)劃分為150行及159列，網(wǎng)格大小為1000m×1000m。本次對(duì)位于開采井附近的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行了加密，加密后的網(wǎng)格大小為500m×500m。含水層剖面方向上分為兩層，剖分后全區(qū)共劃分為47700個(gè)網(wǎng)格。

本次以該區(qū)2001年1月1日的地下水流場作為模型的初始流場，各剖分單元的初始水位由模型自動(dòng)插值獲取。模型模擬時(shí)段為2001年1月—2003年12月，驗(yàn)證時(shí)段為2004年1月—2006年12月，總計(jì)72個(gè)應(yīng)力期。

此外，在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的48口觀測井，其位置大致均勻分布于全區(qū)，以達(dá)到能較好地控制該區(qū)域地下水流場的目的。各觀測井的具體位置見圖3。

圖3 研究區(qū)觀測井分布

2.4 模型識(shí)別與驗(yàn)證

模型識(shí)別階段，在研究區(qū)各行政分區(qū)內(nèi)分散選擇8個(gè)觀測點(diǎn)(Q010119、Q010310、Q010502、Q010708、Q010920、Q011022、Q011101、Q011204)，將模擬地下水位與實(shí)測地下水位進(jìn)行擬合，其擬合曲線見圖4。

從圖4中可以看出，兩者的擬合程度較高，所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型基本合理，不同水文地質(zhì)分區(qū)識(shí)別的參數(shù)結(jié)果見下表。

水文地質(zhì)參數(shù)識(shí)別結(jié)果表

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的可靠性，保持各分區(qū)參數(shù)不變，選取驗(yàn)證期內(nèi)每年1月和7月的模擬水位和實(shí)測水位進(jìn)行對(duì)比，圖5為兩者關(guān)系散點(diǎn)圖。

模型的識(shí)別與驗(yàn)證結(jié)果表明：該模型能較好地模擬研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化過程。

圖4 模型識(shí)別期地下水位擬合曲線

圖5 驗(yàn)證期模擬水位與實(shí)測水位散點(diǎn)

2.5 研究區(qū)水均衡分析

將研究區(qū)作為一個(gè)均衡區(qū)，該區(qū)水均衡的要素包括降水入滲、灌溉回滲、河渠滲漏、側(cè)向流入、側(cè)向流出及人工開采。利用如下公式進(jìn)行均衡計(jì)算：

(2)

式中 ΔQ——地下水變化量，m3/a；

μ——含水層給水度；

F——計(jì)算區(qū)面積，km2；

Δh——水位變幅,m;

Δt——均衡時(shí)間，a-1；

Bin、Bout——邊界進(jìn)出水量，m3/a；

Rp——降水入滲補(bǔ)給量，m3/a；

Ip——灌溉回滲補(bǔ)給量，m3/a；

Rriv——河渠滲漏補(bǔ)給量，m3/a；

Dw——地下水開采量，m3/a。

由分析結(jié)果可知：降水入滲補(bǔ)給是研究區(qū)含水層的主要補(bǔ)給來源，灌溉回滲補(bǔ)給次之；區(qū)域地下水排泄方式以人工開采為主。2001年和2002年為枯水年份，年降水量分別為390.7mm和336.8mm，研究區(qū)超量開采地下水，含水層總補(bǔ)給量遠(yuǎn)小于總排泄量，導(dǎo)致區(qū)域地下水位下降。2003年降水量為744mm，降水入滲補(bǔ)給量較大，含水層總補(bǔ)給量大于總排泄量，區(qū)域地下水位有所回升?？傮w來說，在計(jì)算期內(nèi)，研究區(qū)含水層總補(bǔ)給量小于總排泄量。為防止由于地下水位下降而引發(fā)的一系列環(huán)境地質(zhì)問題，采取壓采政策刻不容緩。

3 結(jié) 論

a.數(shù)值模擬結(jié)果表明：本文所建立的水文地質(zhì)概念模型基本正確，選取的水文地質(zhì)參數(shù)基本合理，可用于預(yù)測不同水資源配置方案下的地下水位變化情況。

b.邯鄲市受水區(qū)地下水開采布局不盡合理，地下水總體上處于超采狀態(tài)，當(dāng)務(wù)之急是必須合理配置水資源，以達(dá)到壓采的目的。

[1] 陳崇希，唐仲華.地下水流動(dòng)問題的數(shù)值方法[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1990.

[2] 郭曉東，田輝，張梅桂,等.我國地下水?dāng)?shù)值模擬軟件應(yīng)用進(jìn)展[J].地下水，2010，32(4)：5-7.

[3] 黃丹，肖偉，李勇.地下水三維數(shù)值模擬及其優(yōu)化開采[J].資源調(diào)查與環(huán)境，2006(2)：137-145.

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[5] 王曉明，代革聯(lián)，巨天乙,等.可視化的地下水?dāng)?shù)值模擬[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(24)：184-186.

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Numerical simulation of intake area groundwater in Handan based on GMS

DING Guohui

(China Coal Technology and Engineering Group Nanjing Design and Research Institute Co., Ltd.,Nanjing210031,China)

South-to-North Water Diversion Project is a superlarge water resources allocation strategy project to alleviate water resources shortages in Northern China. Its implementation will prominently improve water resources condition and configuration layout in Northern China. Beneficial conditions are created for protecting and repairing intake area ecological environment. Intake area in Handan is adopted as a research object. GMS software is utilized for numerical simulation on underground water in the research area. Model parameters are identified and validated, thereby implementing water balance analysis work in the whole research area. Results show that the built model is used for better simulating aquifer structure and the boundary conditions in the region. The simulated underground water level is closer to measured water level, which can be used for forecasting the underground water level change condition in the region in the future under different water source configuration plans and provide decision-making basis for underground water pressure production in the region.

South-to-North Water Diversion Project; numerical simulation; GMS; water balance; underground water pressure production

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.07.018

P345

B

2096- 0131(2016)07- 0060- 06