郭曉東 ，田 輝 ，方 樟

（1.沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所/中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110032；2.吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春130021）

0 前言

松嫩平原位于東北地區(qū)中部，縱跨黑龍江、吉林兩省，是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地、能源基地和重工業(yè)基地，地下水的用水量巨大.由于不合理開采，松嫩平原形成了多個(gè)大型地下水漏斗，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題.因此，中國地質(zhì)調(diào)查局自2008年起部署了松嫩平原地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目，要求在以往調(diào)查研究成果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展松嫩平原地下水?dāng)?shù)值模擬，進(jìn)行地下水的預(yù)測預(yù)報(bào)，為科學(xué)合理規(guī)劃開采地下水提供理論依據(jù).為此，我們采用VisualModflow軟件根據(jù)最新的調(diào)查成果，進(jìn)行了模型的驗(yàn)證及簡單預(yù)測，嘗試了該軟件在大型平原盆地地下水模擬中的應(yīng)用.

1 研究區(qū)概況

松嫩平原屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季溫?zé)岫嘤?，冬季寒冷干燥，年平均氣溫?4.0～+5.5℃之間，年平均降水量為350～600mm，年平均蒸發(fā)量為1200～1900mm.研究區(qū)主要河流有嫩江、松花江、第二松花江及其支流，嫩江、第二松花江在三岔河附近匯流形成松花江干流，之后又有拉林河和呼蘭河注入.在低平原閉流區(qū)，烏裕爾河、雙陽河自東向西流入平原北部，霍林河自西向東流入平原南部，形成星羅棋布的湖泡洼地，著名的有連環(huán)湖、查干泡和最大咸水湖大布蘇泡［1-2］.

松嫩平原被大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺及長白山所環(huán)繞，南部松遼分水嶺與西遼河相隔，四周高中間低.根據(jù)地形成因及形態(tài)特征，可以分為東部高平原、中部低平原、西部山前傾斜平原和河谷平原.

松嫩平原是一個(gè)大型匯水盆地，第四系潛水、承壓水含水層廣泛分布.在西部傾斜平原區(qū)形成了單層含水層系統(tǒng)；在中部低平原除第四系含水層外，還分布有新近系泰康組含水層、古近系大安組含水層，形成了多層含水層系統(tǒng)；在東部高平原區(qū)，第四系含水層下伏白堊系含水層，形成了雙層含水層系統(tǒng)［3］.

2 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)主要開采目的層概化為潛水含水層、第四系承壓水含水層、泰康組含水層和大安組含水層4層含水層，相互間通過弱透水層存在不同程度的越流水力聯(lián)系.各含水層巖性及厚度有不同程度的變化，概化為非均質(zhì)各向同性含水層.在自然狀態(tài)下，滲流基本符合達(dá)西定律，水流形式概化為準(zhǔn)三維流，在目前和水位預(yù)報(bào)期內(nèi)均為非穩(wěn)定流.

由于研究區(qū)周圍被山脈和松遼分水嶺包圍，主要為隔水邊界，只在河流出入部分為已知流量邊界.上部邊界有降水入滲、河流湖泊滲漏、灌溉回滲，以及蒸發(fā)、人工開采等.各含水層通過弱透水層實(shí)現(xiàn)越流聯(lián)系，弱透水層為越流邊界.底部邊界為基巖隔水邊界.

3 模型建立與求解

3.1 軟件介紹

VisualModflow（簡稱VM）軟件是一款國際上通用的標(biāo)準(zhǔn)化三維地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，具有強(qiáng)大的三維可視化功能，簡便易操作，輕松實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話.其包含了Modflow、Modpath和MT3D三大模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)水流評價(jià)、平面和剖面流線示蹤分析以及溶質(zhì)運(yùn)移評價(jià)等功能.

3.2 空間離散與時(shí)間離散

計(jì)算區(qū)面積為18.3×104km2，采用Modflow進(jìn)行自動(dòng)矩形剖分，剖分單元26 542個(gè)，每個(gè)單元格大小為2.84 km×2.37 km，垂向上剖分為7層，4個(gè)含水層，3個(gè)弱透水層.根據(jù)實(shí)測資料，模型驗(yàn)證期為2008年7～12月，共計(jì)184天.在驗(yàn)證期內(nèi)，VM軟件根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)變化周期自動(dòng)確定應(yīng)力期.

3.3 數(shù)據(jù)處理

參數(shù)及其分區(qū)主要參考前人研究成果，并根據(jù)實(shí)際情況確定.開采量資料采用自《松遼流域水資源公報(bào)》，氣象資料源自中國氣象局氣象資料共享中心.各承壓含水層開采量、河流排泄量、側(cè)向徑流量、河流補(bǔ)給量等采用平均布井法，處理為單井，在井（Well）模塊輸入，降水滲入補(bǔ)給量、蒸發(fā)量、灌溉回滲量、湖泡滲漏量以及潛水含水層開采量等在補(bǔ)給（Recharge）模塊輸入.

3.4 模型驗(yàn)證

在前人進(jìn)行的模型識別的基礎(chǔ)上，利用2008年7～12月地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料對模型進(jìn)行檢驗(yàn).該時(shí)期地下水水量均衡要素較多，地下水位變化較大.進(jìn)行運(yùn)算后，經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整，各含水層流場的擬合情況見圖1～4.典型觀測井?dāng)M合曲線見圖5～8.本次模型檢驗(yàn)擬合誤差平均絕對值在0.5m左右.模擬檢驗(yàn)結(jié)果表明，模型能夠較好地模擬實(shí)際地下水流場.這說明含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件的概化、水文地質(zhì)參數(shù)的選取是合理的，所建立的數(shù)學(xué)模型能較真實(shí)地刻畫研究區(qū)地下水系統(tǒng)特征，可以利用該模型對水位的變化進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào).

圖1 第四系潛水流場擬合圖Fig.1 The fittingmap ofQuaternaryunconfinedwater flow field 1—實(shí)際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖2 第四系承壓水流場擬合圖Fig.2 The fittingmap ofQuaternary confinedwater flow field1—實(shí)際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖3 新近系泰康組承壓水流場擬合圖Fig.3 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofNeogeneTaikang formation1—實(shí)際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

圖4 古近系大安組承壓水流場擬合圖Fig.4 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofPaleogeneDa'an formation1—實(shí)際流場（actual flow field）；2—模擬流場（simulated flow field）

4 模型預(yù)報(bào)

4.1 開采方案

在目前地下水開采的情況下，考慮未來社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，預(yù)測地下水開采量持續(xù)增加情況下的地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢，并分析由此引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題.因此，筆者根據(jù)搜集到的2003～2008年以來的地下水開采量，計(jì)算得到年平均增長率為4.7%，以此為基礎(chǔ)計(jì)算得出2009年7月至2024年地下水開采量.

4.2 預(yù)報(bào)時(shí)段及初始條件

預(yù)報(bào)時(shí)段為2009～2024年，初始流場采用2009年6月統(tǒng)測數(shù)據(jù).

4.3 其他源匯項(xiàng)的處理

預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)其他源匯項(xiàng)按照多年平均值計(jì)算.

4.4 預(yù)測結(jié)果及分析

預(yù)測結(jié)果表明，在目前的地下水開采持續(xù)增長的情況下，未來15年，個(gè)別地區(qū)地下水含水層特別是潛水含水層將出現(xiàn)明顯的含水層疏干，深層含水層在一些重要開采區(qū)、重要城市出現(xiàn)明顯的降落漏斗.這樣的開采方案必然會對地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用、對地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)效應(yīng).因此，應(yīng)該設(shè)計(jì)合理的地下水開采方案，合理控制過量開采區(qū)，有序利用地下水資源.

圖5 H559點(diǎn)孔隙潛水水位曲線Fig.5 Thephreaticwater levelcurveatH559

5 結(jié)論與建議

本次研究采用VM軟件作為松嫩平原地下水模擬的平臺，從檢驗(yàn)結(jié)果來看，模型能夠較好地模擬地下水流場，VM軟件簡潔易用，獨(dú)立靈活的功能模塊能夠滿足地下水動(dòng)態(tài)評價(jià)的需要，適合于大型盆地的地下水?dāng)?shù)值模擬.

圖7 D080點(diǎn)第四系承壓水水位曲線Fig.7 TheQuaternaryconfinedwater levelcurveatD080

圖8 H005點(diǎn)泰康組承壓水水位曲線Fig.8 Theconfinedwater levelcurveofTaikang formation atH005

在本次研究模擬預(yù)測中，未來開采量按照年均增長量設(shè)計(jì).預(yù)測結(jié)果表明，這一方案并非最佳設(shè)計(jì)開采量，建議以后設(shè)計(jì)多種開采方案，找到最佳開采量，更好地服務(wù)地下水資源保護(hù)與管理.

［1］林學(xué)鈺.松嫩盆地地下水資源與可持續(xù)發(fā)展研究［M］.北京：地震出版社,2000:10—11.

［2］楊湘奎.基于同位素技術(shù)的松嫩平原地下水補(bǔ)給及更新性研究［D］.北京：中國地質(zhì)大學(xué),2008:5—6.

［3］趙海卿.松嫩平原地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價(jià)［M］.北京：地質(zhì)出版社,2009:25—26.