棗莊市地下水動態(tài)數(shù)值模擬分析

李曉娟

（棗莊市水資源試驗(yàn)站，山東 棗莊 277800）

棗莊市地下水動態(tài)數(shù)值模擬分析

李曉娟

（棗莊市水資源試驗(yàn)站，山東 棗莊 277800）

通過對棗莊市的水文、地質(zhì)、地下水動態(tài)監(jiān)測和特征值等資料進(jìn)行分析，建立了水文地質(zhì)概念模型，采用FEFLOW軟件對研究區(qū)不同開采方案下的潛水含水層地下水水位的變化情況進(jìn)行了模擬，并對棗莊市2017年的地下水位變化進(jìn)行了預(yù)測。

棗莊市；地下水位；動態(tài)變化；數(shù)值分析

棗莊市位于山東省南部，屬魯中南低山丘陵區(qū)和黃淮沖積平原，地勢東北高西南低，轄47個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、17個街道辦事處，總面積4 563 km2，總?cè)丝?83.24萬。隨著棗莊市城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對地下水資源的開采程度越來越高，用量持續(xù)增大，造成地下水位不斷下降，甚至出現(xiàn)漏斗區(qū)。為了研究本區(qū)地下水動態(tài)變化，首先對該區(qū)的水文、地質(zhì)、地下水動態(tài)監(jiān)測等資料和地下水特征進(jìn)行分析，建立了水文地質(zhì)概念模型，利用FEFLOW軟件建立了地下水動態(tài)變化數(shù)值模型，對該區(qū)2008—2009年地下水動態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對2017年的地下水動態(tài)變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測，為該區(qū)及其他類似地區(qū)的地下水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 地下水模型的建立

1.1 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)水文氣象、水文地質(zhì)條件的分析結(jié)果，結(jié)合該區(qū)地下水開采現(xiàn)狀，并參照潛水含水層的滲透性能、地下水的動態(tài)特征等，對實(shí)際的水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，建立水文地質(zhì)概念模型。模擬區(qū)的北部為丘陵山區(qū)，地勢較高，定為補(bǔ)給邊界；東、西部有河流深切溝谷，南部為低階河流階地，定為排泄邊界，均為二類定流量邊界。潛水面為上部邊界，基巖為底部邊界。

1.2 數(shù)學(xué)模型

實(shí)際地下水流概化的數(shù)學(xué)模型用下式表述：式中：Kx、Ky、Kz為滲透系數(shù)；h為水頭；ε為源匯項(xiàng)；μ為給水度；h0為初始水頭；Γ0為邊界；Γ1為第二類邊界；Kn為法向滲透系數(shù)；Ω為研究區(qū)范圍；p為入滲和蒸發(fā)；n→為外法線。

1.3 數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及其識別與檢驗(yàn)

1）數(shù)值模型結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，采用FEFLOW構(gòu)建數(shù)值模型并進(jìn)行求解。研究區(qū)東、南、西、北各邊界分別長約45 km、85 km、20 km和60 km。計(jì)算前先對研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分6 686個節(jié)點(diǎn)，總網(wǎng)格共4 359個（圖1）。根據(jù)地下水的長期觀測資料，選取2008年1月～2009年12月的水位資料，時(shí)間步長定為1個月。采用2008年1月的地下水位統(tǒng)一觀測資料，利用Kriking插值法獲得初始水位等值線。

圖1研究區(qū)三角有限元網(wǎng)格剖分圖

2）模型的識別與檢驗(yàn)。采用試估—校正法對數(shù)值模型進(jìn)行識別與檢驗(yàn)，將參數(shù)的估計(jì)值等輸入軟件中，根據(jù)模擬計(jì)算的水位值與實(shí)際觀測值進(jìn)行對比，若誤差不能滿足模擬的精度要求，則對輸入的參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直到結(jié)果符合精度要求。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的水位觀測的位置，本次選取027-1#、061-1#、069-2#、408#等4個觀測井的地下水位觀測值與模擬值進(jìn)行對比 （圖2），分別計(jì)算各觀測點(diǎn)的模擬水位與實(shí)測水位之間的誤差，均滿足要求，擬合結(jié)果較好。

圖2觀測孔地下水位的擬合曲線

3）識別檢驗(yàn)后的水文地質(zhì)參數(shù)。通過對研究區(qū)實(shí)測水位與模擬水位的擬合，識別和檢驗(yàn)了數(shù)值模型，反復(fù)調(diào)節(jié)水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件，最終確定了水文地質(zhì)參數(shù)，如表1所示。

表1 研究區(qū)識別檢驗(yàn)后的水文地質(zhì)參數(shù)

2 地下水動態(tài)模擬結(jié)果及分析

本次根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況和規(guī)劃，假設(shè)不同開采方案下參數(shù)代入到地下水?dāng)?shù)值模型中，對開采后的潛水含水層地下水水位的變化情況進(jìn)行模擬，并對研究區(qū)2017年的地下水位變化進(jìn)行了分析預(yù)測。方案1：地下水開采量逐年增加，預(yù)計(jì)2017年地下水開采量為2 470萬m3，新增開采量為520萬m3；方案2：灌溉面積保持2009年的面積，增加節(jié)水灌溉等技術(shù)，預(yù)計(jì)2017年農(nóng)業(yè)灌溉用水量為4 700萬m3，節(jié)水量為558萬m3。結(jié)果表明：不同開采方案下地下水位在同一年內(nèi)呈現(xiàn)先下降再回升后整體下降趨勢，地下水的上升比每年集中降雨的時(shí)間稍微滯后，兩者差別不大；地下水位在不同年份也呈現(xiàn)下降的趨勢；區(qū)別在于不同的開采方案，地下水位變化幅度不同，方案1的模擬期末地下水位的平均埋深為29.70 m，地下水位降幅為2.05 m；方案2的模擬期末地下水位的平均埋深為26.40 m，地下水位降幅為1.35 m。

[1] 韓鵬,孔桂芹.山東省棗莊市農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展模式及建議[J].水利發(fā)展研究,2013,(5)：85-87.

[2] 李振,劉罡,李萌.棗莊市水資源可持續(xù)開發(fā)利用研究[J].治淮,2009(6)：13-14.

[3] 曹廣祝,強(qiáng)毅,李峰,等.李官堡水源地地下水流場數(shù)值模擬及預(yù)測[J].中國水能及電氣化,2011,79(8)：7-13.

（責(zé)任編輯崔春梅）

P641.2

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1009-6159（2017）-05-0017-02

2016-11-17

李曉娟（1974—），女，工程師