基于GMS軟件的柳條溝水源地地下水?dāng)?shù)值模擬

陸文慶，孫玉芳，陳晶晶

(1.寧夏水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

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基于GMS軟件的柳條溝水源地地下水?dāng)?shù)值模擬

陸文慶1，孫玉芳1，陳晶晶2

(1.寧夏水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750011；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

在水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，概化含水層水力特征、垂向、側(cè)向邊界后，依據(jù)水文地質(zhì)概念模型建立了地下水?dāng)?shù)學(xué)模型,比照采用地下水均衡分析法計算結(jié)果，地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果可靠。說明含水層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)的確定、邊界條件的概化等處理較為合理，所建立的模型可以用來評價該區(qū)地下水資源量。

地下水?dāng)?shù)值模擬；GMS；柳條溝

近年來，隨著計算機的快速發(fā)展，對地下水資源評價的研究逐漸轉(zhuǎn)向了模型階段，應(yīng)用數(shù)值法進(jìn)行地下水資源評價得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的引入，國際上己經(jīng)形成了一批非常有影響的地下水模擬模型，GMS軟件的MODFLOW模塊是目前使用最廣泛的三維地下水水流模型之一，它采用有限差分原理，可以模擬水井、河流、溪流、排泄、隔水墻、蒸散和補給對非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響。筆者在分析水文地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，建立柳條溝水源地的水文地質(zhì)概念模型，采用GMS建立地下水流數(shù)值模型，比照采用地下水均衡分析法計算結(jié)果，分析地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果可靠性。

1　研究區(qū)概況

1.1自然地理

研究區(qū)位于賀蘭山東麓山前洪積扇上，行政區(qū)劃屬石嘴山市惠農(nóng)區(qū)所轄，其地理坐標(biāo)為：北緯39°18′55″-北緯39°22′30″，東經(jīng)106°41′26″-東經(jīng)106°44′03″，面積21.58 km2(圖1)。該地多年平均降水量179.21 mm，多年平均蒸發(fā)量2 084.5 mm。地形由南西向北東方向傾斜，坡度1°～3°，海拔高程1 120～1 210 m，相對高差30～60 m。研究區(qū)在構(gòu)造上屬于石嘴山斷陷盆地的一部分。該盆地西靠賀蘭山，東依桌子山，黃河穿越其間。

1.2水文地質(zhì)條件

研究區(qū)自第四紀(jì)以來堆積了大厚度洪積相粗粒松散堆積物，為地下水提供了良好的儲水構(gòu)造。由西向東，顆粒由粗變細(xì)，含水層巖性主要以第四系洪積相砂礫石和含塊石、漂礫的卵石碎石層為主。地下水富水性除研究區(qū)東南角小部分地區(qū)和東北角的單井出水量小于2 000 m3/d(按井徑305 mm、降深8 m換算)外，其余大部分地區(qū)地下水富水性強，單井出水量均大于3 000 m3/d，尤其柳條溝盆地軸部單井出水量大于5 000 m3/d。地下水水質(zhì)優(yōu)良，溶解性總固體均小于1.0 g/L。地下水水位埋深自山前向東逐漸變淺。其補給來源主要為賀蘭山區(qū)基巖裂隙水的側(cè)向徑流補給，次為山洪的散失補給和大氣降水垂直入滲補給。由于地下水位埋45～55 m，地下水的排泄方式主要是人工開采和側(cè)向徑流排泄。

圖1　研究區(qū)位置圖

2　水文地質(zhì)概念模型

2.1邊界條件的設(shè)定

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件特征，設(shè)定研究區(qū)北邊界為流出邊界，南邊界為流入邊界，西邊界為賀蘭山，對模型區(qū)為側(cè)向流入，東邊界是排泄邊界，結(jié)合地下水流場劃分邊界，根據(jù)初始水位劃定，確定為水頭邊界(圖2)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡叵滤_采情況，地下水開采可能會影響東邊界的流出，所以模型中把東邊界處理成GHB(通用水頭邊界)。

2.2模型的剖分

柳條溝水源地模型剖分時，模型計算單元采用100 100 m矩形網(wǎng)格，計算區(qū)分為76行、65列，1層共計4 940個計算單元。其中淺色為非活動單元格，深色為活動單元格(圖2)。

2.3垂向結(jié)構(gòu)概化

含水層主要以第四系洪積相砂礫石和含塊石、漂礫的卵石碎石層為主，因此模型在垂向上概化為一層，由第四系沖洪積層構(gòu)成。通過已有鉆孔和物探資料確定主要含水層的頂?shù)装鍢?biāo)高，繪制含水層頂?shù)装鍢?biāo)高等值線，在頂?shù)装逯g均質(zhì)充填，確定水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖3、圖4、圖5)

圖2　邊界條件概化與模型剖分

圖3　含水層頂、底板標(biāo)高模擬網(wǎng)格示意圖

圖4　含水層頂、底板標(biāo)高等值線示意圖

圖5　模型三維地質(zhì)實體示意圖(垂向放大10倍)

3　滲透參數(shù)及源匯項概化

3.1滲透參數(shù)

滲透參數(shù)、給水度和貯水率以各水源地建設(shè)時勘察所得滲透系數(shù)分區(qū)為依據(jù)，本次選用的水文地質(zhì)參數(shù)是通過對研究區(qū)16個井孔的穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水試驗獲取，獲得的滲透系數(shù)結(jié)果分布情況見圖6，結(jié)果表明，因水源地位于賀蘭山柳條溝洪積扇上，扇軸部位第四系含水層厚度大，計算的水文地質(zhì)參數(shù)呈現(xiàn)出軸心部位較大，向兩側(cè)減小的規(guī)律。

圖6　水文地質(zhì)參數(shù)分布及分區(qū)圖

圖7　模型擬合水位

3.2源匯項概化

模擬區(qū)地下水的主要補給來源有側(cè)向徑流補給、大氣降水入滲及灌溉入滲補給，主要排泄途徑有人工開采和北邊界的側(cè)向流出。

(1)側(cè)向徑流補給。側(cè)向徑流補給是本區(qū)地下水的主要補給源。數(shù)值模擬中，首先采用斷面法分段計算其初始值，以線狀流量方式導(dǎo)入然后在模擬中進(jìn)行調(diào)試、擬合。

(2)大氣降水入滲量。大氣降水入滲屬面狀入滲補給，在GMS中用Recharge模

塊處理。本次模擬中，按各入滲系數(shù)分區(qū)、根據(jù)月的降雨資料和灌溉量，分別計算降水入滲強度和灌溉回滲強度，合并后導(dǎo)入。

(3)洪水散失入滲量。洪水散失量入滲量來自西部賀蘭山山區(qū)雨季洪水在山前洪積斜平原區(qū)的散失量。

(4)人工開采量。人工開采量是根據(jù)調(diào)查得到。模擬中采用點井(Well模塊)進(jìn)行處理。

(5)側(cè)向徑流排泄量。東部邊界的側(cè)向徑流排泄量使用斷面法計算初始值，模擬中采用通用水頭邊界(GHB)模塊處理，利用斷面法計算值進(jìn)行校驗。

3.3地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)柳條溝水文地質(zhì)條件及資料，本次計算采用穩(wěn)定流地下水流數(shù)值模型。本次計算，用混合邊界處理西邊補給水量，用水位邊界處理東邊的排泄水量，用流量邊界處理工作區(qū)南部的流入量和向北部的流出量。

(1)偏微分方程

式中：H為水頭(L)； Kxx、Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量，量綱為(LT-1)，本次計算水平滲透系數(shù)Kxx=Kyy；W為單位體積流量(T-1)，用以代表流進(jìn)匯或來自源的水量。

(2)邊界條件

第1類邊界(水頭邊界)：

h|Γ1=h1(x，y，z)(x，y，z)∈Γ1

第2類邊界(流量邊界)：

第3類邊界(混合邊界)：

式中：Γ1、Γ2、Γ3分別表示1、2、3類邊界。

4　模型校正與檢驗

模型校正與檢驗是建立水文地質(zhì)數(shù)值模型的關(guān)鍵步驟之一，主要遵循以下原則：模擬的地下水流場要與實際地下水流場基本一致，即要求地下水模擬等值線與實測地下水位等值線吻合，模擬流場可以客觀反映地下水流動的趨勢；從均衡的角度出發(fā)，模擬的地下水均衡變化與實際要基本相符；識別的水文地質(zhì)參數(shù)要符合實際水文地質(zhì)條件。

4.1水位擬合檢驗

本次利用的計算區(qū)的16個水位統(tǒng)測點主要分布在東部，西部區(qū)域水位觀測點少。該16個水位觀測數(shù)據(jù)在宏觀上控制了區(qū)域地下水位流場。

模型擬合流場及水位擬合程度如圖7所示。圖中紅點是水位觀測孔的位置，點左側(cè)是水位擬合誤差箱形圖，箱柱位于點上方表示計算水位高于實測水位，反之則低于實測水位。計算水位誤差小于1m用綠色充填，誤差1～2 m之間用黃色充填，誤差大于2 m用紅色充填。

從GMS中導(dǎo)出計算誤差，分組統(tǒng)計得表。計算水位誤差在1m范圍內(nèi)的點占81.25%。滿足模型擬合要求(表1)。

表1　擬合水位誤差統(tǒng)計表

4.2水均衡檢驗

MODFLOW提供了記錄計算過程的輸出文件，本次模擬的總補給量為7.319萬 m3/d，總排泄量7.554萬 m3/d，均衡差為-0.235萬 m3/d，這與該地區(qū)地下水位逐年下降趨勢吻合，滿足水量均衡計算要求(表2)。

表2　地下水水均衡計算表

5　解析法計算地下水資源均衡

地下水天然資源量計算分補給量、排泄量和儲存量三部分，考慮到研究區(qū)位于賀蘭山山前洪積傾斜平原上，地下水徑流強度大，透水性能好，故均衡區(qū)上斷面選在開采方案井孔布置西邊界(LT03至LT13孔一線)，下段面選在開采方案井孔布置西邊界(LT05至L06孔一線)，為同一地貌單元扇形的均衡區(qū)。均衡期為一個水文年，參與均衡區(qū)計算的面積約21.53 km2(圖1)。

分析當(dāng)?shù)囟嗄甑叵滤畡討B(tài)觀測資料，地下水位水位變化不大，基本處于平衡狀態(tài)，即補給量等于排泄量。用公式可近似表示為：

Q補=Q排

Q補=Q側(cè)補+Q降+Q洪

Q排=Q側(cè)排+Q開采

式中：Q側(cè)補為地下水側(cè)向徑流補給量(萬m3/d)；Q降為大氣降水入滲補給量(萬m3/d)；Q洪為洪水散失量入滲量(萬m3/d)；Q側(cè)排為地下水側(cè)向徑流排泄量(萬m3/d)；Q開采為人工開采量(萬m3/d)。

5.1補給量

(1)地下水側(cè)向徑流補給量。地下水側(cè)向徑流補給量來自賀蘭山區(qū)，補給斷面選在山前洪積傾斜平原上(見等水位線及水位埋深圖)。地下水的側(cè)向徑流補給量的計算采用分段計算，水力坡度在等水位線及水位埋深圖上在計算補給斷面鉆孔附近取兩根等高線值量取分段計算，滲透系數(shù)按實際資料分段計算，含水層厚度采用240 m以內(nèi)的各孔含水層厚度。

計算公式：Q側(cè)補=K·H·B·I

式中：Q側(cè)補為側(cè)向徑流補給量(萬m3/d)； K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；H為含水巖組厚度(m)； B為計算斷面長度(m)；I為水力坡度(無量綱)。取值及計算結(jié)果(表3)。

(2)大氣降水入滲量

計算公式：Q降=F·A·α·r

式中：Q降為大氣降水入滲補給量(萬m3/d)；F為計算區(qū)面積(km2)； A為多年降雨量平均值(mm)；α為降雨入滲系數(shù)；r為有效降雨百分比；α、r值引用《銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及環(huán)境地質(zhì)綜合評價報告》。取值及計算結(jié)果(表4)。

表3　側(cè)向徑流補給量計算成果表

備注：K和H北部取LT05孔，中部取LT09、LT10和LT12孔平均值，南部取LT13和LT14孔平均值，B在等水位線及水位埋深圖量取。

表4　大氣降雨入滲補給量計算成果表

(3)洪水散失入滲量。洪水散失量入滲量來自西部賀蘭山山區(qū)雨季洪水在山前洪積斜平原區(qū)的散失量。

計算公式：Q洪=F·h·r

式中：Q洪為洪水散失量(萬m3/d)；F為計算區(qū)面積，取賀蘭山區(qū)柳條溝形成山洪的面積；h為山洪徑流深度(m/a)；r為山前山洪散失入滲補給系數(shù)；h、r引用《銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及環(huán)境地質(zhì)綜合評價報告》。取值及計算結(jié)果(表5)。

表5　洪水散失補給量計算成果表

(4)地下水天然總補給量。柳條溝水源地在天然條件下，獲得的各項補給量為7.172萬m3/d(表6)。

表6　潛水含水巖組各項補給量統(tǒng)計表

5.2排泄量

(1)地下水側(cè)向徑流排泄量。地下水的補給來源主要是賀蘭山山前的側(cè)向徑流補給，由高水位向低水位方向運移。地下水的側(cè)向徑流排泄量的計算采用分段計算，水力坡度在等水位線及水位埋深圖上在計算排泄斷面鉆孔附近取兩根等高線值量取分段計算，滲透系數(shù)按實際資料分段計算，含水層厚度采用240 m以內(nèi)的各孔含水層厚度。取值及計算結(jié)果(表7)。

(2)人工開采量。以收集到的單井抽水量來確定，總開采量約20 285 m3/d(2.029萬 m3/d)。

(3)地下水總排泄量。柳條溝水源地各項排泄量為7.449萬m3/d(表8)。

表7　側(cè)向徑流排泄量計算成果表

備注：K和北部取LT02孔、南部取L06孔資料，B在等水位線及水位埋深圖量取。

表8　潛水含水巖組各項排泄量統(tǒng)計表

5.3地下水資源均衡

通過上述計算，在均衡區(qū)內(nèi)總補給量為7.172萬 m3/d，排泄量為7.449萬 m3/d，均衡結(jié)果為-0.277萬 m3/d，呈微弱的負(fù)均衡，這與該地區(qū)地下水位逐年下降趨勢吻合。水均衡計算結(jié)果(表9)。

表9　水均衡計算結(jié)果表

6　結(jié)語

根據(jù)解析法計算獲得的地下水均衡差為-0.277萬 m3/d，根據(jù)模型計算獲得的地下水均衡差為-0.235萬 m3/d，二者相差不大，因此，所建立的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型能夠較為真實地反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)的實際情況。說明含水層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)的確定、邊界條件的概化等處理較為合理，所建立的模型可以用來評價該區(qū)地下水資源量。

[1]王大純，張人權(quán)，史毅虹，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社.1995.

[2]寧夏水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘察院.寧夏石嘴山市柳條溝(第五水廠)水源地供水水文地質(zhì)報告[R].2010.

[3]寧夏地質(zhì)工程勘察院.銀川平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地地下水資源及環(huán)境地質(zhì)綜合評價報告[R].2002.

[4]韓再生.地下水資源數(shù)值法計算技術(shù)要求——行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)介紹[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).1994(4).

2016-06-14

寧夏沿黃經(jīng)濟區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目(1212011220973)

陸文慶(1967-)，女，寧夏銀川人，高級工程師，主要從事水文地質(zhì)研究。

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1004-1184(2016)05-0047-04