基于 Visual Modflow的邯鄲縣地下水位動態研究

2012-09-04 14:22:50張大龍于虎廣

地下水 2012年6期

張大龍，閆衛，于虎廣，金喆

(1.河北工程大學，河北邯鄲 056038;2.邯鄲慧龍電力設計研究有限公司，河北邯鄲 056035;3.中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東濟南 250100)

邯鄲縣素有“糧倉、棉海”之稱，是一典型的城郊縣，城鄉交流的不斷加快，極大地促進了縣城經濟的快速發展。然而，淡水資源短缺、地下水超采［1］、水供需矛盾等問題也相繼出現，嚴重地制約了當地社會經濟的發展。邯鄲縣地區，工業、農業用水水源主要來源于淺層地下水，為盡可能地滿足用水需要，大量開采地下水，致使地下水位連年大幅度下降，淺層地下水嚴重超采區不斷加大，深層淡水上層被疏干［2－4］，若不加以控制，勢必造成深層淡水的枯竭［5］。面對嚴峻的地下水資源問題，只有積極地克服各種困難來縮小超采區面積，控制地下水降落漏斗的不斷擴張，有效地緩解地下水資源嚴重短缺的矛盾，才能維護和建立高效的供水環境。為此，本次研究利用Visual Modflow軟件進行邯鄲縣地下水流的數值模擬，并預測2015、2020年縣域淺層地下水設計開采量方案下的地下水位動態變化情況，為研究區域的地下水資源合理開發利用提供科學依據

1 區域概況

邯鄲縣地處太行山東麓，地勢是西高東低，境內分為丘陵區和山前平原區。多年平均降水量為507.9 mm，降水量的年內分布極不均勻，全年降水量的70% ～80%集中在6－9月份。天然河流有滏陽河及其支流渚河、沁河、輸元河，人工河道有支漳河分洪道［6］。邯鄲縣全部行政區域總面積為439.7 km2。其中，山丘區面積 124.0 km2，平原區面積 315.7 km2。根據縣境內水文地質特征，可以將其分為丘陵區和山前平原區兩個水文地質區，兩個水文地質區又可進一步詳分，見表1。

表1 邯鄲縣水文地質詳情

2.1 水文地質概念模型

水文地質概念模型是研究區域實際水文地質條件的概化［7］。研究區地下水主要來源于淺層地下水，也是本次模擬研究的目的層。區域含水層在垂向上沒有明顯的、穩定的隔水層;地下水流以水平運動為主，地下水流系統的輸入、輸出隨時間、空間變化;因巖性的不同水文地質參數有所區別，但在方向上差異不明顯。綜上，本次將區域含水層概化為非均質各向同性二維非穩定流模型。

東部邊界有地下水位觀測井，概化為一類已知邊界;南部邊界、西部邊界可概化為隔水邊界;北部邊界與永年交界，有大量地下水流入模擬區，概化為二類流量邊界。邯鄲縣與市區邊界中西部和北部邊界因有輸元河的補給，概化為二類流量邊界;東部邊界為排泄邊界，概化為二類流量邊界。研究區上部邊界定為有水量交換的邊界，下部存在泥巖組成，其滲透性極差，定為隔水邊界。

2.2 地下水流數學模型及求解方法

依據滲流連續性方程、達西定律，上述地下水流系統可用以下偏微分方程及其定界條件進行描述，如式 (1)所示:

式中:H為地下水水頭，m;T為含水層導水系數，m∕d;μ*為含水層給水度(無量綱);W為垂向水量交換項，m/d;Q為為地下水開采量抽水率，m3/s;D為計算區域;Γ1為已知水頭的第一類邊界;Γ2為已知流量的第二類邊界;H0(x，y)為初始時刻水頭分布函數，m;φ1(x，y，t)為第一類邊界上的已知水位函數，m;q(x，y，t)為第二類邊界上的已知流量函數，m3/s;t為時間。

圖1 模擬區參數分區圖

運用Visual Modflow的前承條件共軛斜量程序包PCG2進行求解。將區域剖分為3 484個矩形網格，大小為500×500 m，有效單元格為1 740個，如圖1所示，圖中藍色矩形網格為無效單元格，境內分為丘陵區和山前平原區，其中，根據平原區淺層含水層巖性的差異，又將其細劃分為3個水文地質分區，參數分區圖如1所示。

2.3 模型識別與驗證

選擇2010年4月27日至5月27日作為識別模型參數K和μ*的時段。利用各觀測孔的水位資料，繪制出地下水的等水位線圖，得到模型計算的初始流程(圖2)。

圖2 地下水初始流場圖

在識別過程中，采用手動和自動相結合的方法，通過實際水位和計算水位的擬合分析［8］，如果計算水位與實測水位相差很大，則根據參數變化范圍和實際水位差值，重審研究區域水文地質分區的劃分情況，重新給定一組參數，直至二者擬合較好為止。選取觀測點4個(S52，J73，S69，S83)，經過反復的調整，繪制觀測孔水位擬合曲線，如圖3所示。可以看出擬合效果較好，可以滿足解決實際問題的需要，參數識別結果如表2所示。

表2 水文地質參數識別結果

為了全面驗證模型，通過其他時段的實測資料，對模型的可靠性進行進一步的驗證。選取2010年10月10日至2010年11月10日作為模型的驗證時段。同樣，選取上述的4個觀測井，進行水位擬合，驗證結果如圖4。

觀測孔水位擬合曲線表明，模型的建立符合研究區的實際水文地質情況，地下水動態過程一致，水位擬合達到了精度要求，可以運用該模型對研究區域地下水流系統進行預測。

3 地下水未來動態預測

為有效控制邯鄲縣地下水位逐年下降的趨勢，緩解部分地區地下水供需失衡，并根據邯鄲縣地下水限采目標和南水北調完成情況，以調節均衡型開采動態為原則，控制水位降落過程，給定開采初值，通過模型計算不斷調整開采量，直到開采動態達到采補平衡［10－12］，由此計算并制定 2015、2020年縣域淺層地下水設計開采方案，如表3所示。按照地下水的限采量，運用上述建立的地下水流數值模型，預測2015、2020年(可供水量和需水量均考慮為75%保證率情況下)的地下水位情況。按設計開采量進行開采(可供水量和需水量均考慮為75%保證率情況下)，應用上述建立的模型進行計算，得到2015、2020年研究區地下水位情況，如圖5、6所示。