高 健，李 松

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 水文地質(zhì)概念模型

在準確認識研究區(qū)水文地質(zhì)條件基礎上進行地下水流場繪制，情況往往十分復雜，這就要求對問題進行分解和概化，建立水文地質(zhì)概念模型，進而建立相應數(shù)學模型并求解。

研究區(qū)為遼河源頭區(qū)梨樹縣[1]，其平原區(qū)淺層地下水流系統(tǒng)符合能量與質(zhì)量守恒定律，同時在常溫常壓下運動符合達西定律。由于研究區(qū)面積較大，高程起伏比較平緩，從整個空間上看地下水流整體以平面運動為主，垂向運動為輔，故將其概化為二維流；地下水系統(tǒng)的輸出輸入隨時間、空間變化，將其概化為非穩(wěn)定流。水文地質(zhì)參數(shù)隨區(qū)域變化而變化，系統(tǒng)的非均質(zhì)性得到充分體現(xiàn)，將其概化為非均質(zhì)各向同性介質(zhì)?；谝陨戏纸?、概化，此次研究水文地質(zhì)概念模型定義為各向同性非均質(zhì)的潛水二維非穩(wěn)定流。

2 地下水流數(shù)學模型與求解

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型[2]，建立相應數(shù)學模型：

式中：k——含水層滲透系數(shù)，m/d；H——地下水位高程，m；Hb——含水層底板高程，m；H-Hb——含水層絕對厚度；W——補給排泄項，m/d；u——含水層給水度；H0——初始水位高程，m；H1——第一類邊界在t時刻水位高程，m；——第二類邊界水頭的法向?qū)?shù)；q（x，y，t）——第二類邊界在t時刻的單寬流量，m2/d。

針對地下水流數(shù)學模型采用GMS軟件中的MODFLOW[3]概念模型法進行求解。采用GIS工具構(gòu)建MODFLOW計算模型[4]，模型的源匯項、幾何尺寸、水力學參數(shù)和邊界條件在概念模型中完成，然后分解網(wǎng)格，并把概念模型導入MODFLOW計算模型中，進而進行識別、驗證，分析地下水流場的變化規(guī)律等一系列操作程序。

由于資料短缺，此次研究選取資料完整性相對較好的2010—2011年度進行模擬，選定2010年10月6日作為模擬起始時間，2011年12月31日為模擬終止時間，期間分2個階段：第一階段作為識別期，第二階段作為驗證期。每個時段中，所有外部源匯項的強度均保持不變。此次研究采用GMS中的3D網(wǎng)格模塊進行網(wǎng)格分解，將研究區(qū)分解為74×92個單元格，其中有效單元格為3 569個，計算面積為3 142.6 km2。

2.1 模型識別

為檢驗上述水文地質(zhì)概念模型是否合理，研究區(qū)實際地下水流的特點能否真實地呈現(xiàn)，需對模型進行識別[5]，此次研究選取資料完整性相對較好的2010年10月6日作為模型模擬的起始時間，其流場作為初始流場；2010年12月31日為終止時間，其流場作為計算流場，用于識別研究區(qū)的地質(zhì)參數(shù)，識別階段分為3個時段，每個時段為一個相應自然月，計算時間步長為5 d。在每個步長中，所有外部源匯項的強度均保持不變。

通過參考各水文地質(zhì)資料文獻并精心調(diào)整參數(shù)來擬合流場，實測地下水流場與計算的地下水流場基本可以擬合，擬合圖如圖1所示。

圖1 識別階段井孔水位擬合圖

從圖1可以看出：模擬的水位和潛水含水層觀測井水位大體上是一致的，潛水觀測值與水位計算值擬合的平均絕對誤差為0.337 m，其中，在置信區(qū)間以內(nèi)且誤差小于0.5 m的觀測井占總觀測井的81.8%，擬合結(jié)果較好，說明已建立的水文地質(zhì)概念模型基本真實地呈現(xiàn)了該區(qū)實際地下水流的運動狀態(tài)。

2.2 模型驗證

各水文地質(zhì)參數(shù)在識別階段得到初步確定，但還需要進一步驗證。由于識別階段只選取了3個時段，因此，取一個完整的水文年作為驗證階段，即從2011年1月1日到2011年12月31日。主要對各水文地質(zhì)參數(shù)和源匯項進行驗證，以驗證模型的仿真性與所求參數(shù)的精確度。

選取2011年1月1日的流場圖作為初始流場，2011年12月31日的流場圖作為模擬計算流場，用于驗證研究區(qū)的地質(zhì)參數(shù)，驗證階段分12個時段，每個時段為一個相應自然月，計算的時間步長為5 d。在每個步長中，所有外部源匯項的強度均保持不變。

結(jié)果得出，潛水含水層的觀測水位與模型模擬出來的計算水位基本上擬合。由此說明，含水層結(jié)構(gòu)的分析、水文地質(zhì)參數(shù)的選取、邊界條件的概化基本上是合理的，已建立的水文地質(zhì)概念模型較為真實地展示了研究區(qū)地下水系統(tǒng)的狀態(tài)，可以用其進行地下水流系統(tǒng)的預測。

3 結(jié)語

在研究區(qū)水文地質(zhì)條件確立的基礎上，建立平原區(qū)淺層地下水流的水文地質(zhì)概念模型，采用國際通用的可視化軟件GMS對模型進行求解，并且利用實測資料對模型進行初步識別、驗證，擬合效果較好，由此證明了所建立的地下水流模型基本符合實際地下水運動特征。