張福然，尤傳譽(yù)，陸榕彬，王建中

（1.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110006；2.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130012；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

隨著地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于地下水資源開發(fā)利用的需求不斷增加，但由于缺乏統(tǒng)籌安排，沒有形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的地下水資源管理體制，導(dǎo)致了土地鹽漬化、地下水漏斗、地面沉降等各類環(huán)境問題頻發(fā)。因此，對(duì)于制定合理的地下水資源開采計(jì)劃，預(yù)測不同開采條件下地下水流場變化情況是至關(guān)重要的。

近年來對(duì)于地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在我國迅速發(fā)展，常用地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件有MODFLOW，GMS，MT3D 等[1-5]，邵 景 力、崔 亞 莉 等 人 利 用MODFLOW 對(duì)華北平原地下水資源建立了地下水非穩(wěn)定流三維模型，為華北平原地下水水資源可持續(xù)開采利用、科學(xué)管理提供理論性依據(jù)[6，7]；Qiu 等人利用GMS 建立了吉林城區(qū)河谷平原區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)河谷平原區(qū)的地下水水量進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]；何小亮等人對(duì)榆溪河流域建立三維地下水流數(shù)值模型，對(duì)地下水資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)計(jì)算[9]。文中以內(nèi)蒙古東部某區(qū)地下水含水層為例，采用GMS 軟件MODFLOW 模塊，對(duì)不同開采條件下地下水流場變化情況進(jìn)行預(yù)測。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部，面積約為5700 km2，研究區(qū)地下水類型主要以第四系砂礫石孔隙水為主，含水層上部覆蓋有一層0.6～1.0 m 的黑色砂質(zhì)亞粘土，砂礫石層是該類地下水的最主要含水層，地下水埋深一般在2.0～6.0 m，單井涌水量差異較大，河谷平原單井涌水量常在1000 m3/d。地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水及來自研究區(qū)北部山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給，地下水徑流交替條件強(qiáng)烈，水質(zhì)好。

2 模型建立

2.1 水文地質(zhì)模型

研究區(qū)共存在潛水含水層、承壓水含水層兩個(gè)含水層，由兩者之間的弱透水層相連接，三者之間天然水力聯(lián)系本就比較密切，再加上近幾十年來大量水井的開鑿也人為地大大加強(qiáng)了兩個(gè)含水層之間的聯(lián)系，使得潛水位與承壓水位基本趨于一致，很難區(qū)分，可以將其近似地處理為一個(gè)具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水層系統(tǒng)。該含水層系統(tǒng)的水面相對(duì)比較平緩，水流也基本上呈水平方向流動(dòng)，可以忽略滲流速度的垂向分量大小，只考慮水平方向上的滲流分速度。研究區(qū)內(nèi)松散沉積物的巖性無論是在水平方向還是在垂直方向上都有比較大的變化（非均質(zhì)），但是在同一點(diǎn)上，滲透系數(shù)的大小與方向無關(guān)（各向同性）。綜上所述，將研究區(qū)地下水含水層概化為非均質(zhì)、各向同性、二維非穩(wěn)定流系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際條件將研究區(qū)邊界劃分為水頭邊界及流量邊界，按照不同水文地質(zhì)單元將研究區(qū)劃分為20個(gè)不同的水文地質(zhì)參數(shù)單元。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)建立的研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，采用下式進(jìn)行描述：

2.3 模型求解

對(duì)于建立的地下水?dāng)?shù)值模型應(yīng)用GMS 軟件中的MODFLOW 模塊，利用有限差分法進(jìn)行求解。此次模擬選用的輔助模塊及軟件包主要有MAP，Grid，Scatter Points，River，Wells，Recharge等。

2.3.1 參數(shù)選取

利用前人工作基礎(chǔ)以及水文地質(zhì)試驗(yàn)資料，對(duì)研究區(qū)模型所需的滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值，采用水均衡法，對(duì)研究區(qū)的源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 識(shí)別及驗(yàn)證

1）識(shí)別期。此次模擬的識(shí)別期選為2015年1月1日至2015年12月31日，共計(jì)365 d。識(shí)別階段時(shí)間離散共選定12個(gè)應(yīng)力期，5 d 為一個(gè)時(shí)間步長。采用Grid 模塊對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行剖分，模擬區(qū)共剖分成15261個(gè)活動(dòng)單元格。

地下水初始流場根據(jù)不同時(shí)期的水文地質(zhì)鉆孔、人飲井鉆孔、現(xiàn)階段地下水位統(tǒng)測資料以及地表高程等數(shù)據(jù)，用綜合分析的方法繪制。對(duì)于模型識(shí)別期的初始水文地質(zhì)參數(shù)，采用前人對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)潛水含水層、弱透水層和承壓水含水層厚度所占的比例予以計(jì)算。模擬區(qū)具有9 眼地下水長期觀測孔，此次模擬采用長觀井長期觀測值與模型計(jì)算值擬合的方式，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

通過不斷調(diào)整各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，以提高長觀井觀測值與模型計(jì)算值的擬合程度，此次計(jì)算值與觀測值的誤差設(shè)定為0.2 m，衡量模型的置信度為95%，即長期觀測井的觀測值與模型計(jì)算值誤差小于0.2 m 的時(shí)間點(diǎn)位在95%以上。

2）驗(yàn)證期。此次對(duì)模型的驗(yàn)證采用2016年1月1日至2016年12月31日，共計(jì)366 d，空間和時(shí)間上的離散與模型識(shí)別期完全相同。在模型驗(yàn)證階段，保持水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和水文地質(zhì)參數(shù)值與識(shí)別期模型一致，而模型的源匯項(xiàng)等其他數(shù)據(jù)，則更新為驗(yàn)證時(shí)段數(shù)據(jù)。

通過對(duì)研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型的識(shí)別驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)地下水位長觀孔觀測值與模型的計(jì)算值擬合程度較好，說明此次建立的模型能夠基本反映出研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，分區(qū)以及參數(shù)的選取較為合理，可以用來對(duì)未來地下水流場進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3 地下水流場預(yù)測

此次模型預(yù)測主要為將未來年份的地下水預(yù)測開采量及其他源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)，輸入至所建立的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型中，通過模型的計(jì)算，反映出地下水含水層在不同地下水開采方案下的地下水水位的變化情況。

3.1 預(yù)測方案

在充分考慮研究區(qū)經(jīng)濟(jì)增長、地下水用水量、農(nóng)業(yè)灌區(qū)分布、工業(yè)用水區(qū)分布等多項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，制定了3 套預(yù)測方案：

方案一：該方案為在現(xiàn)狀開采量下進(jìn)行，開采區(qū)段在全區(qū)均勻分布，不考慮大型農(nóng)業(yè)灌區(qū)及工礦企業(yè)的集中開采情況，預(yù)測期（2018—2030年）地下水開采量采用2016年地下水開采量數(shù)據(jù)，預(yù)測地下水含水層流場的變化響應(yīng)狀況。

方案二：該方案為考慮一些大型農(nóng)田灌區(qū)以及工業(yè)園區(qū)具有地下水用水需求的基礎(chǔ)上，將預(yù)測期（2018—2030年）地下水開采量，確定在現(xiàn)狀開采量基礎(chǔ)上每年增長2%，預(yù)測地下水含水層流場的變化響應(yīng)狀況。

方案三：該方案為考慮一些大型農(nóng)田灌區(qū)以及工業(yè)園區(qū)具有地下水用水需求的基礎(chǔ)上，將預(yù)測期（2018—2030年）地下水開采量，確定在現(xiàn)狀開采量基礎(chǔ)上每年增長5%，預(yù)測地下水含水層流場的變化響應(yīng)狀況。

3.2 結(jié)果分析

1）方案一?，F(xiàn)狀開采條件下，模擬區(qū)開采強(qiáng)度為0.00001834 m/d 采用預(yù)測期全部相同的開采強(qiáng)度，其他源匯項(xiàng)采用對(duì)多年連續(xù)降水系列的方式進(jìn)行。通過模擬，得出地下水位在現(xiàn)狀開采條件下呈波動(dòng)變化，逐步上升，并趨于平穩(wěn)，地下水位上升幅度約1.6 m，說明該點(diǎn)位所在區(qū)域仍有開采潛力待開發(fā)。

2）方案二。通過模擬，得出2號(hào)點(diǎn)位地下水位隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)出地下水位在現(xiàn)狀開采條件逐年增加2%的情形下，會(huì)呈鋸齒狀波動(dòng)，沒有大幅度升高或降低的趨勢，水位變化較為平穩(wěn)。

3）方案三。通過模擬，得出2號(hào)點(diǎn)位地下水位隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)出地下水位在現(xiàn)狀開采條件逐年增加5%的情形下，會(huì)呈鋸齒狀波動(dòng)且呈下降趨勢，各點(diǎn)位地下水位在預(yù)測期內(nèi)下降幅度可達(dá)1.5 m左右。

通過方案一（現(xiàn)狀開采條件）與方案二（每年開采量增速2%的條件）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方案均具有開采潛力，相比較而言，方案二的開采量會(huì)更大一些，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供更加充足的水量。

通過方案三（每年開采量增速5%的條件）與方案二（每年開采量增速2%的條件）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在方案三開采方案下地下水含水層會(huì)形成地下水開采降落漏斗，且隨時(shí)間的延續(xù)，降落漏斗范圍會(huì)增大，地下水位會(huì)有較大幅度的下降，因此說明方案二的開采量較為合理。

4 結(jié)語

1）在對(duì)水文地質(zhì)條件等情況全面了解的基礎(chǔ)上，建立了水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，利用GMS 軟件MODFLOW 模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型的識(shí)別驗(yàn)證求解，使模型能夠較為真實(shí)地體現(xiàn)研究區(qū)地下水含水層分布情況。

2）通過內(nèi)蒙古某地地下水含水層流場在不同開采量條件的變化情況發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在現(xiàn)狀開采強(qiáng)度（0.00001834 m/d）的基礎(chǔ)上，以每年2%的增長幅度條件下，地下水位變化較為平穩(wěn)，沒有大幅度升高或降低的趨勢，為今后該地區(qū)地下水的開發(fā)利用提供了技術(shù)支持。