Visual Modflow 在曲周縣地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用

張大龍 閆衛(wèi) 金喆

(1.河北工程大學(xué)資源學(xué)院，河北邯鄲 056038;2.邯鄲慧龍電力設(shè)計研究有限公司，河北邯鄲 056035)

0 引言

水資源是人類生產(chǎn)、生活不可缺少的自然資源，也是生物賴以生存的首要因素。地下水資源作為水資源的一個重要組成部分，在我國城鎮(zhèn)生活和工農(nóng)業(yè)用水方面起著舉足輕重的作用，然而淡水資源短缺、地下水超采、水體污染日趨嚴(yán)重，已成為當(dāng)今社會面臨的最嚴(yán)重問題之一［1，2］。合理地開發(fā)、利用和保護地下水資源，已成為當(dāng)務(wù)之急［3-5］。

本文以河北曲周縣為例，在分析了曲周縣的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用Visual Modflow軟件開展對曲周縣地下水的數(shù)值模擬研究。

1 區(qū)域概況

曲周縣位于河北省南端，邯鄲市城區(qū)的東北部。區(qū)域可分為南、北兩個單元，南部以漳河沖積、湖積物為主，北部則以沙河、洺河沖積物為主。全新統(tǒng)Q4底界埋深為40 m～60 m，上更新統(tǒng)Q3底界埋深為170 m～220 m，中更新統(tǒng) Q2底界埋深為280 m～320 m，下更新統(tǒng)Q1底界埋深為370 m～420 m。第四系含水巖層中，儲存有淺層淡水、咸水和深層淡水三種類型的地下水。

2 地下水流數(shù)值模擬

采用從國外引進(jìn)的水資源計算評價軟件Visual Modflow，這是一套用于孔隙介質(zhì)中地下水流動數(shù)值模擬的軟件。

2.1 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型

模擬范圍為曲周縣全部行政區(qū)域，包括曲周鎮(zhèn)、槐橋鄉(xiāng)、白寨鄉(xiāng)等10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。模擬面積共計667 km2，其中滏西平原區(qū)25 km2，黑龍港平原區(qū)642 km2。

地下水流從空間上看以水平運動為主，地下水流動符合達(dá)西定律，因此將地下水流概化為平面二維流。地下水流系統(tǒng)的補給、排泄在不同的時間、空間上存在明顯差異，因此地下水流系統(tǒng)為非穩(wěn)定流。綜上所述，在本次模擬中，水文地質(zhì)概念模型概化為非均質(zhì)各向同性二維非穩(wěn)定流模型。

2.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

依據(jù)滲流連續(xù)性方程、達(dá)西定律，上述地下水流系統(tǒng)可用以下偏微分方程及其定界條件進(jìn)行描述，如式(1)所示:

式中:H——地下水水頭，m;

T——含水層導(dǎo)水系數(shù)，m/d;

μ*——含水層給水度(無量綱);

W——垂向水量交換項，m/d;

Q——地下水開采量抽水率，m3/s;

D——計算區(qū)域;

Γ1——已知水頭的第一類邊界;

Γ2——已知流量的第二類邊界;

H0(x，y)——初始時刻水頭分布函數(shù)，m;

φ1(x，y，t)——第一類邊界上的已知水位函數(shù)，m;

q(x，y，t)——第二類邊界上的已知流量函數(shù)，m3/s;

t——時間。

2.3 地下水?dāng)?shù)值模擬模型求解方法

圖1 模擬區(qū)域剖分圖

采用Visual Modflow對模擬區(qū)域進(jìn)行矩形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格的長寬均為500 m，共剖分為96行，73列，剖分出網(wǎng)格總數(shù)量為7008個，其中有效單元格為2668個，區(qū)域剖分圖如圖1所示。區(qū)域Ⅱ為無效單元格不納入計算范圍，其他均為有效單元格，如圖1所示。

模型中需要用到的參數(shù)包括滲透系數(shù)K，給水度μ*。每個水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)中，各參數(shù)的初值依據(jù)各個勘察和研究階段所進(jìn)行的抽水試驗成果確定，表1列出了各參數(shù)初值。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)初值表

2.4 參數(shù)識別與模型驗證

模型識別階段，在研究區(qū)域內(nèi)，分散選擇4個觀測點(曲52，曲56，曲63，曲78)，模擬水位與實測水位擬合曲線見圖2。從圖中可以看出，所建立的水文地質(zhì)概念模型以及數(shù)學(xué)模型是基本合理的，滲透系數(shù)(K)、給水度(μ*)識別結(jié)果如表2所示。

圖2 模型識別期觀測孔水位過程擬合曲線

表2 水文地質(zhì)參數(shù)識別結(jié)果

圖3 模型驗證期觀測孔水位過程擬合曲線

通過模型識別工作，給出了各水文地質(zhì)分區(qū)的滲透系數(shù)、給水度等參數(shù)值，為了全面驗證模型，還需要通過其他時段的實測資料，對模型的可靠性進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

選取2011年作為模型的驗證時段。同樣選取上述4個監(jiān)測井，進(jìn)行水位擬合，擬合曲線見圖3。

通過對模型進(jìn)行的識別和驗證，表明模型的建立符合研究區(qū)的實際水文地質(zhì)條件，地下水動態(tài)過程一致，水位擬合結(jié)果符合規(guī)定，誤差滿足要求。

3 結(jié)語

1)依據(jù)水文地質(zhì)條件、水資源開發(fā)利用等情況將模擬區(qū)域進(jìn)行參數(shù)分區(qū)，在參考各個勘察和研究階段所進(jìn)行的抽水試驗成果的基礎(chǔ)上，確定各分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)初值。

2)對模型進(jìn)行識別時，應(yīng)通過自動與手動相結(jié)合的方式，多次地調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，得到了能夠較真實反映實際水文地質(zhì)條件的參數(shù)。

3)通過模型驗證期觀測孔水位過程擬合曲線表明，模型的建立符合研究區(qū)的實際水文地質(zhì)條件，地下水動態(tài)過程一致，水位擬合結(jié)果符合規(guī)定。

［1］方 茜，任曉力.河北省地下水開發(fā)狀況研究［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2005，22(1)：4-5.

［2］郭秀娟.Visual Modflow在長春市地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報，2012，29(1)：75-78.

［3］石少洲，沈智慧.地下水資源計算評價應(yīng)用軟件開發(fā)與實踐［J］.河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2000，17(4)：66-69.

［4］李文躍，張 博，洪 梅，等.Visual MODFLOW在大慶龍西地區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.世界地質(zhì)，2003，22(2)：161-165.

［5］丁繼紅，周德亮，馬生忠.國外地下水模擬軟件的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2002(1)：37-42.