第六章地下水数值模拟模型的应用实例xiugai

地下水数学模型及数值模型的建立含水层之间存在的一个弱透水层组由于相对隔水，地下水流动特征以水平为主，垂向为辅。研究区含水层组概化为3层，一个浅层水含水层、一个弱透水层和一个深层压含水层。水文地质概念模型水文地质概念模型模拟区地下水总体由西北流向东南；北部边界为宿北断裂是一隔水断裂，断裂阻隔了岩溶水和孔隙水之间的水力联系，作用阻隔了北区岩溶水与南区孔隙水的水力联系，因此是隔水边界。东西南部边界为宿州市规划区区域边界，均为透水边界。浅层水水力坡度1/5500～1/6500；深层水比浅层水稍小，迳流缓慢稳定，故可处理成二类流量边界。地下水数学模型的建立三维、非均质、各向异性、非稳定流0,2,1i,,,,,,,,0,,i0tzyxDzyxzyxtDzyx，22200,,,,,,,,iXyzsXyzztnHHHHKKKSxxyyzztHHHHHKKKKppxyzztHxyztHxyzHKqxyztn地下水流数值模型1.本文主要用GMS中MODFLOW模块2.网格剖分研究区面积约690Km2，根据模拟区含水层的结构和地下水渗流特征，将计算域在垂向上分为3层，平面上各层按Δx=Δy=200m的网格剖分。时间步长为30d。初始条件1993年浅层含水层等水位线图1993年深层含水层等水位线图含水层参数分区及初步选取浅层含水层组渗透系数及给水度分区图深层含水层组渗透系数及弹性释水系数分区源汇项降雨量曲线01002003004005006001993年1月1995年1月1997年1月1999年1月2001年1月2003年1月2005年1月2007年1月时间降雨量(mm)1.降雨入渗降水入渗系数与降水量、潜水水位埋深和包气带岩性有关。全区年降水量变化不大，但是降水入渗系数存在着分区分带的差异，下图为按降水入渗系数大小分区源汇项降雨入渗系数农灌地下水灌溉回渗量计算公式为：其中：——灌溉回渗量(m3/a)；——灌溉模数(m3/a*km2)；——灌溉区面积（m2）；——耕地比率系数；——灌溉回渗系数源汇项QqFba***灌溉Q灌溉qFba河流补给量及河流排泄计算公式：其中：——河流补给或排泄量(m3/a)——河流侧渗系数(m/d)；——河流侧渗带宽度(m)；——平均水力坡度；——河流侧渗带长度；——补给时间(d)；侧向径流补给量和侧向径流排泄计算公式：其中：——侧向径流量(m3/a)；——侧向径流边界水力坡度；——垂直地下水流向的径流带宽度——含水层导水系数(m2/d)；QKBLJt河流Q河流KBJLtQJLT侧Q侧TLJ源汇项蒸发强度潜水年蒸发强度主要取决于包气带岩性、地下水埋深及相应时间水面蒸发强度。根据查区不同地段地下水长期观测资料，采用阿维利杨诺夫经验公式进行计算。源汇项模型识别过程主要是对模型参数进行调整，通过反复试算调整模型参数使识别期模型计算结果与实际均衡结果接近。（1）区域流场；（2）动态长观孔监测资料；(3)模拟计算的水资源量与长期监测水量计算结果吻合。选用1993年1月至2003年12月为模拟时间段，该时段内区内地下水动态观测资料和各种源汇资料及2003年水位等值线为依据进行模型的识别模型识别水位动态拟合误差基本保证在2m以内。这与流场拟合误差范围相同。井25678910292130433165328734093530365237743895实测值计算值井321222324252627292130133104319632873378347035613652374338353926实测值计算值1211-A212325272556270828603013316533173470362237743926实测值计算值1211-B151617181920255626782799292130433165328734093530365237743895实测值计算值模型识别西三铺城西刘合前付黄庙子宿州市丁寨灰古镇三铺半铺店204850002049000020495000205000002050500020510000371500037200003725000373000020485000204900002049500020500000205050002051000037150003720000372500037300002048500020490000204950002050000020505000205100003715000372000037250003730000西三铺城西刘合前付黄庙子宿州市丁寨灰古镇三铺半铺店模型识别模型识别期地下水均衡结果对比表（单位万m3/11a）-2.8-4791.2178363.7173272.5合计-0.3-1103960039490深层地下水3.34401337813618浅层地下水人工开采量-4.1-5121.2125285.7120164.5蒸发量排泄项-3.2-5518.4178352.3172833.9合计-5-24508484侧向补给量0.56.61445.41452河流补给量808灌溉入渗补给量3.46100.9176998.9170090降雨量补给项%误差数值模拟计算值水均衡法计算值均衡要素模型识别0.129160.0014100.03380.17150.001290.121070.022140.000750.1960.00460.035130.000460.03550.000220.046120.000250.03340.000750.022110.007100.1930.00190.077100.00270.121020.001450.02290.00290.0771弹性释水系数渗透系数给水度渗透系数区弹性释水系数渗透系数给水度渗透系数区第三层第一层分第三层第一层分模型识别模型的检验以2003.12至2006.12月作为模型验证时期，共计36个时段。以2003年统测的地下水流场作模型验证的初始流场井1（浅井）222426283091152213274335396457518579640701实测值计算值井25678910301222133053964885796707618539441035实测值计算值井3222528301222133053964885796707618539441035实测值计算值1211-A222528301222133053964885796707618539441035实测值计算值模型检验期观测孔水位动态拟合曲线20485000204900002049500020500000205050002051000037150003720000372500037300003735000西三铺城西刘合前付黄庙子宿州市丁寨灰古镇三铺半铺店图4-162006年浅层含水层水位拟合曲线(实线为实测值，虚线为计算值)图4-172006年深层含水层水位拟合曲线(实线为实测值，虚线为计算值)西三铺城西刘合前付黄庙子宿州市丁寨灰古镇三铺半铺店20485000204900002049500020500000205050002051000037150003720000372500037300003735000模型的检验均衡要素水均衡法计算值数值模拟计算值误差%补给项降雨量47362.549057.03-1474.17-3.1灌溉入渗补给量220.36河流补给量396414.46-18.46-4.66侧向补给量132140.56-8.56-6.48合计48110.8649612.04-1501.19-3.12排泄项蒸发量31772.1433163.09-1390.95-4.38人工开采量浅层地下水37143829.74-115.74-3.12深层地下水1277012652.99117.010.92合计48256.1449645.81-1389.68-2.88模型的检验模型可靠性分析1、识别模型模拟结果的宏观效果与区内水文地质条件、动态观测结果基本一致，反映出数值模型对于实际模型有良好的相似性，保证了模型预测的可靠性。2、模型调参期间，将流场与水均衡分析结果结合起来，对水力梯度场进行了对比，减少了调参的自由度，保证了调参结果准确性。3、模型求参结果与钻孔抽水所确定的参数基本接近。综上所述，从观测孔水位动态、流场和均衡量对比等三个方面看，观测孔拟合精度相对较高，水力梯度场宏观效果较好，模型计算的均衡量与均衡法得到的结果相差不大，模型识别得到的水文地质参数值及参数分区与水文地质条件基本相符，能够反映区内地下水流动系统特征，具有较高的仿真性。因此，可以用上述模型对区内地下水开采方案进行模拟预测。预测方案设计（一）新水源地位置选择含水层的富水性地段，充足良好的补给来源。远离原有的取水点减少相互干扰。选在远离城市，远离已污染地表水体地段；上部有稳定隔水层分布的在含水层地段综合以上条件，宿州市新水源地选取城区偏西北部新水源地选在富水性强的西二铺附近。开采井的布置方案宿州市现阶段地下水开采处于稳定阶段，但城区中心水位过低。针对开采现状提出以下3种方案：1.现有开采水源井位置不变开采量增加50%。2.现有开采水源井不变，同时在水源地研究区西北部增设开采井，总开采量约15万m3/d。3.现有开采水源井不变，同时在水源地研究区西北部增设开采井，总开采量约20万m3/d。模型预测预测模型的各项参数参照上文模型识别检验的结果，预测时段选用2006年1月-2020年12月，时间步长为90天，以2006年年平均流场作为模拟的初始流场。大气降水量在时间和空间上分布都极为不均，由此，采用多年平均降水量作为预测期各年的降水量，年内每月的的变化也按多年统计平均的的比例赋值于模型开采量在现有开采基础上按开采方案以定开采量输入模型。其它源汇项数据，按照检验模型给出。三种方案得到的预测水位在模拟的15年时间内都呈下降的趋势，下降最严重的地方是城区，三种方案水位分别下降23m、10m和20m。漏斗中心水位预测图-20-100102006年4月2008年4月2010年4月2012年4月2014年4月2016年4月2018年4月2020年4月水位(m)时间方案三方案二方案一深层含水层漏斗中心水位历时曲线图模型预测从水均衡计算结果看侧向补给量及河流补给量随开采量的增大而增大，蒸发量依旧是主要排泄项。三种方案均处于负均衡。方案二补给项与排泄项相差较小，基本保持平衡。增加开采量在短期内必然会消耗含水层储存量，长期开采将造成含水层的枯竭。三种预测方案2020年水均衡表单位：万m3/a-1959.37-278.93281-989.172745均衡差-19983.6-18156.175-18273.59701合计-7297.07-5500.6335-5321.35045深层地下水-1405.84-1405.844-1423.328585浅层地下水人工开采量-11280.7-11249.698-11328.91797蒸发量排泄项18024.2317877.242617184.42426合计789.8412708.561523339.8412006侧向补给量835.1049767.396287485.1048819河流补给排泄量16399.2816401.284716359.47818降雨量及灌溉入渗补给量补给项方案三方案二方案一均衡要素模型预测结论1.经过系统收集宿州市的气象、水文、地质、地貌、水文地质和地下水开发利用状况等资料，查明研究区第四纪地质及地下水系统的空间分布与结构。2.根据水文地质资料分析将研究区概化为3层，中间有1个弱透水层。含水层的上边界为潜水面；四周边界均处理为流量边界；下边界为第三系顶部的厚层灰绿色粘土，局部为胶结、半胶结状泥岩、隔水性能好，因此也处理成为隔水