第六章_地下水数值模拟模型的应用实例xiugai

地下水数值模拟模型的应用实例地下水数值模拟模型的应用实例7.1区域地下水流模型及其应用-太原盆地地下水数值模型7.2地下水水源地可开采资源量评价—宿州市水源地数值模型7.3地下水污染预测研究—嘉兴垃圾填埋场地下水溶质运移模型太原盆地地下水数值模型7.1太原盆地地下水数值模型为解决太原盆地出现的各种环境问题，1992年，研究工作者们初步解决了太原市和太原盆地岩溶水与孔隙水统一管理的问题，但由于当时的勘探目标是为农田和城市供水，勘探技术、方法和指导思想相对落后，在勘探过程中缺乏地下水系统指导思想和动态观念，大部分勘察项目以行政区为单元，而不是以盆地地下水系统为单元，导致边界不好控制、水量重复计算、忽略了相邻地区的影响和边山地带裂隙水、岩溶水及地表水-地下水相互作用的调查；同时由于缺乏现代先进的数据处理手段，对于钻孔数据和水土样分析数据、地下水监测数据等资料开发、利用程度很低，地下水系统三维空间结构并没有弄清。太原盆地实际钻孔位置分布图太原盆地立体图太原盆地结构模型太原盆地孔隙介质三维模型太原盆地孔隙介质结构三维可视化模型太原盆地结构模型盆地孔隙介质简化三维模型剖面图盆地孔隙介质简化三维模型太原盆地结构模型模型范围：周边界：盆地与基岩山区接触带上界：地表下界：人为边界300m-350m深。地下水流动特征：边山岩溶水补给盆地孔隙水；没有稳定隔水层（参考结构图）盆地内部构成统一流动系统；地下水混合开采；因此属于：三维流系统。二、太原盆地数值模型太原盆地数值模型研究区域范围模型类型：三维流模型构建思路：1、太原盆地地层结构突出，不存在相对稳定的隔水层，难以划分含水层；2、三维建模将模拟区分为若干层（有人称为物理层），各层可以按岩石含水渗透性确定其含水岩组、或隔水岩组分布；3、边界的处理问题底边界：基岩为不透水边界；第四系人为边界为流量边界，模型识别时确定。侧边界：根据地调院调查确定流量，按边界处渗透系数和水力梯度确定各模拟层流量。二、太原盆地数值模型数值模型网格剖分网格剖分层数每层平均深度最大深度网格边长剖分单元数目1030m300m1400m26000个边界条件及初始条件●通过模拟拟合调试后确定准确的边界流量。●边界补给的深度通过钻孔资料确定。●把侧向补给量分配到相应的层面上。●在模拟的过程中有小部分的流量边界，利用水均衡原理做了适当的调节，以便于后期的模拟。1990年1月初始流场模型参数有：渗透系数及储水系数（分层（10））降雨入渗系数（列出公式、岩性）河流入渗系数（沿河流分段，岩性、水位与河）灌溉入渗系数（平面分出）土面蒸发系数参数分区及参数取值渗透系数太原盆地参数分区分区地点浅层孔隙潜水给水度（μ）渗透系数（m/d）1太原北郊汾河冲积扇0.2102文峪河洪积扇0.14103汾阳孝义冲积、洪积扇裙0.0884龙凤河洪积扇及冲积平原0.13155潇河洪积扇0.15136昌源河洪积扇0.12157太原西山倾斜平原0.10108太原、清徐、交城西边山0.1089汾阳、孝义倾斜平原0.08710太原东山0.08511榆次太谷祁县倾斜平原0.09812祁县、平遥、介休倾斜平原0.05513太原南郊汾河、潇河冲积平原0.11014清徐冲积平原0.11015太谷榆次清徐冲积平原0.08816文水祁县汾河冲积平原0.08917汾阳孝义冲积平原0.05518平遥冲积平原0.06719阳曲黄土丘陵区0.023（2）晋阳湖渗漏模数按越流公式计算出湖水渗漏量，再除以其面积，则得晋阳湖渗漏模数。河流入渗（1）汾河入渗系数受岩性、水位埋深土壤含水量、灌溉定额的影响。其值可近似用次降雨量入渗补给地下水系数（α次）代替。代替的条件是前十天以上时间无降雨，选取的次降雨量要接近灌溉定额。本区稻田及菜地较多，灌溉量大，故取次降雨量为70～150毫米。灌溉回渗补给地下水系数岩性不同地下水位埋深下的β值1～2米2～3米3～4米4～6米6～8米8米细砂、亚砂土互层0.230.230.210.180.170.16亚砂土0.200.190.170.160.150.14亚砂土、亚粘土互层0.180.160.150.140.130.12亚粘土0.150.130.120.110.100.09灌溉回渗补给地下水系数（β）取值表蒸发排泄系数浅层孔隙水埋深分区图，当包气带岩性为亚砂土、亚粘土互层时，蒸发极限深度取3.5米；包气带岩性为亚砂土时，取4米；包气带岩性为粉细砂、亚砂土互层时，蒸发极限深度取4.5米。太原盆地各县各月蒸发量资料月份123456789101112太原46.8865.36129.2216.10272.49257.5213.80177.9139.4144.7263.7342.54榆次53.776.3142.4251.9309.6302.5255.1210.5159.7129.276.349.7清徐47.1068.33132.5237.40294.50272.9219.70187.6140.3141.4066.7042.90交城36.762.6115199.5249.1236.5193.4155.5117.293.750.930.6文水39.260.9122212.3240.7240.5218.1170.9131.3108.762.234.8汾阳50.284.6128.6225.6282.2268.6211211.2130.910982.350孝义52.665.7127.2231.7251.9244.6234.7168.6137.6114.278.152.1太谷47.462.1114.5199.4280.5249.3202.7219.4118.795.762.544祁县47.4464.57126.5202.80245.47241.5204.22165.3149.199.0961.1343.69平遥53.169.2123.7206.0264.9270.3227.4181.4138.3107.875.348.9介休52.968127.4208.8251.7256.5211.8162.2128.1105.171.351.6阳曲41.8361.71130.6240.10327.10305.4228.60176.2140.2114.3762.1539.08平均47.4067.4126.6219.3272.5262.2218.4182.2135.9113.667.744.2模型中：工业及城市生活用水，采用深井取水。农村生活用水均采用浅层面源取水。乡村地区的农业用水，按春灌、夏灌、冬浇把取水量分配到整个区域面积上。人工开采量模型识别校正方法：采用间接法原则及标准：要求①观测孔水位动态趋势基本一致②地下水流场特征相同③水均衡计算相同对比分析：①观测孔水位动态对比结果②流场水位分布对比结果③水均衡对比结果太原盆地观测井的拟合观测孔分布图700710720730740750760770780790Xa14Ya9D47D10Xa7D57D9D13D56D3687Ja6Pa29井号水头高程（米）实测值计算值52个观测孔2003年12月16日计算值与观测值的比较图13.014.015.016.017.018.019.020.012345678910T（d）H（m）GMS（x=50）hwGMS（x=10）井水位校正对比图图3-5（b）加密网格,,()22wijkwQxhhInTr有限差分法计算井水位的校正图3-5（a）初始网格地下水流场对比19560195801960019620196401966041004120414041604180420042202003年12月第3层实测19560195801960019620196401966041004120414041604180420042202003年12月第3层计算拟合结果1：流场趋势基本一致2：漏斗等重点开采区能反映实际流场状况3：在盆地边缘的山地还有某些区域水头有出入利用2003年8月和12月分别在研究区做过的两次水位统测.水均衡分析对比表4-32004年太原市孔隙水补给量（单位：亿米3）时间降雨补给侧向补给汾河补给渠道渗漏春季3-50.1120.1950.1760.105夏季6-80.4160.3120.0780.079秋季9-110.1570.2070.0730.076冬季12-10.0190.1730.0590.026合计0.7030.8870.4270.286监测值0.770.870.460.281表4-42004年太原市孔隙水排泄量（单位：亿米3）时间潜水蒸发量开采量基排河排量春季3-50.1140.6020.022夏季6-80.1520.5260.029秋季9-110.1480.5040.029冬季12-10.1060.4550.021合计0.522.0870.101监测值0.642.400.198太原市地面沉降太原市地面沉降范围为：北纬37°40′—38°00′，东经112°25′—112°45′；北起上兰镇、南至西草寨；西起金胜、东至武宿；包括太原市辖区六个区（尖草坪区、万柏林区、杏花岭区、迎泽区、晋源区及小店区），面积约585km2（图1-1）。新构造运动与地面沉降图3-2太原地区构造图1.活动断裂2.地垒与凹陷边界我们依据1981-2000年晋祠地震基准台跨断层I等短水准高程实测资料（BM1-BM3水准点），推算出晋祠大断裂下降盘累计位移量为21.88mm，平均为1.15mm/a。这与吴家堡沉降中心的96.18mm/a的沉降速率相比，似乎说明该地的构造运动与地面沉降关系不大。地下水开采与地面沉降图3-4不同地点地下水开采量、水位降深与地面沉降对比曲线图图3-3太原市1956-2000年地面沉降等值线与2002年中深层水等水位线关系图开始确定计算区范围，剖分网格，确定边界类型整理输入基本数据：初始水头，抽水井开采量，降雨量，蒸发量及河流数据等第一次给定参数的初始估计值划分调整各参数分区，确定各参数上下限值确定优选参数数值模拟求逆问题求目标函数G值，选出参数值参数是否合理观测孔水位和地面沉降量是否拟合好最终确定参数输入预测期有关数据进行预测结束是是试估、校正调整参数否图4-1地面沉降求解的计算流程图图4-6潜水水平传导系数分区图（K）图4-7潜水垂直传导系数分区图（Kz）图4-8潜水给水度分区图图4-9第一承压、第二承压含水层垂直传导系数分区图（Kz）图4-10第一承压、第二承压含水层水平图4-11第一承压、第二承压含水层贮水传导系数分区图图4-12第一压缩层弹性释水因子图4-13第一压缩层非弹性释水因子分区图图4-14第二压缩层弹性释水因子图4-15第二压缩层非弹性释水因子分区图图4-16第三压缩层弹性释水因子图4-17第三压缩层非弹性释水因子分区图图4-18第四压缩层弹性释水因子图4-19第四压缩层非弹性释水因子分区图图4-20第五压缩层弹性释水因子图4-21第五压缩层非弹性释水因子分区图图4-22第六压缩层弹性释水因子图4-23第六压缩层非弹性释水因子分区图图4-24第六压缩层弹性释水因子图4-25第六压缩层非弹性释水因子分区由于缺少太原市地面沉降分层观测资料，故本次研究仅对太原市地面沉降的总沉降量进行拟合。图4-35至4-42给出了模型对模拟区7个长观孔1981-2000年的净地面沉降量的拟合结果，其中，实测数据序列由1981、1982、1985、1987、1989、1992、1994、1997、2000年的观测数据内插所得。图4-43)、4-44)给出了模型对模拟区1981-2000年的净累积沉降量的拟合结果。模型对模拟区地下水位及地面沉降拟合结果表明：（1）模型建立地下水流场、沉降的总体形态与实际的基本吻合；（2）计算的开采漏斗、沉降漏斗与实测开采漏斗、沉降漏斗的位置、大小、深度及形态基本一致；（3）在实测水位点上，计算水位与实测水位接近。这说明，我们所建立的地面沉降模型是可靠的。图4-26S123孔水位动态拟合结果图4-27449孔水位动态拟合结果图4-288112