宁夏清水河平原中游地下水数值模拟

宁夏清水河平原中游地下水数值模拟（共2篇）

篇1：宁夏清水河平原中游地下水数值模拟

宁夏清水河平原中游地下水数值模拟

清水河平原工业和农田供水水源多位于冲洪积扇中下部,部分位于扇前缘细土平原带,距咸水蕴藏区较近.随着地下水开采量的.不断增加,出现大面积地下水位降落漏斗,造成咸水倒灌使有限的淡水资源遭受和面临咸水“入侵”的危险,已影响地下水资源的永续利用.本文在对清水河中游水文地质条件进行分析与概化的基础上,运用GMS软件建立了研究区多层地下水水流数值模拟模型,以现有开采条件对地下水流场的变化趋势进行了预测.根据模拟得出区域地下水位不断下降,地下水降落漏斗面积不断扩大.据此提出了合理利用地下水资源的措施,以保证该地区地下水资源可持续发展.

作 者：周文生 于艳青 薛忠岐 刘宏伟 ZHOU Wen-sheng YU Yan-qing XUE Zhong-qi LIU Hong-wei 作者单位：周文生,于艳青,ZHOU Wen-sheng,YU Yan-qing(宁夏地质调查院,宁夏,银川,750021)

薛忠岐,XUE Zhong-qi(宁夏地质工程勘察院,宁夏,银川,750011)

刘宏伟,LIU Hong-wei(中国地质大学(武汉)研究生院,湖北,武汉,430074)

刊 名：地下水英文刊名：GROUND WATER年，卷(期)：200931(3)分类号：P641.8关键词：地下水系统 数值模拟 水质咸化 可持续发展

篇2：宁夏清水河平原中游地下水数值模拟

水资源作为基础性的自然资源, 是生态环境的控制性因素, 同时又是战略性的经济资源, 关系到区域经济,社会与生态的可持续发展[1]。中国是水资源十分短缺的国家,虽然水资源总量丰富,居世界第6位,但人均水资源量仅为世界人均水资源量1/4[2]。随着人口的增加,气候变化的影响以及人类活动的干扰,水资源短缺和水污染问题已经成为制约我国经济发展和社会进步的关键性因素。地下水与地表水关系密切,作为水资源的重要组成部分,其数量受赋存条件的限制,随时间变化相对稳定,地下水作为我国北方地区及许多城市的重要供水水源,对国民经济建设的发展与人民生活水平的提高起着举足轻重的作用。

北京市是我国的政治文化中心,对水资源的需求量与日俱增,但水资源的短缺和水污染问题却严重影响着北京社会经济发展的速度。在北京市的供水水源中,地下水作为其重要组成部分,约占67%,年开采量25～26亿m3左右,现已处于超采状态,大面积地下水位平均以0.50～0.60 m/a的速度下降,已形成大面积区域性的地下水下降漏斗[3]。地下水水位下降,水质恶化,区域性地下水下降漏斗,地面沉降等一系列的地质灾害和环境问题,已经给人们的生产和生活带来了不同程度的影响[4,5,6]。

自20世纪六七十年代,数值模拟技术逐渐渗透到水文地质学领域,成为定量评价和预测地下水水质和水量的重要方法[7,8,9,10,11,12]。多年的实践应用和不断发展,数值模拟技术已经成为揭示水文地质规律必不可少的工具。地下水模拟系统(Groundwater Modeling System,简称GMS)是目前国际上应用最广的地下水数值模拟软件,该系统是由美国杨百翰大学(Brigham Young University)的环境模型研究实验室在综合Modflow、Modpath等已有地下水模型基础上研发而成的一个具有综合模拟地下水的图形界面软件[13]。本文运用GMS软件建立了研究区地下水数值模拟模型,并对未来不同开采情景方案下的地下水水位进行了模拟,为其合理开采地下水及科学管理地下水资源提供了论依据。

1 研究区概况

北京市房山区位于北京市西南部,地处华北平原与太行山脉交接地带。全区总面积2 019 km2,东南部为平原,以100 m等高线为界,平原面积691.8 km2,占全区总面积的34.7%,研究区地理位置如图1所示。

研究区由第四系松散沉积物组成,地下水类型属于松散类孔隙水,透水性好,含有丰富的地下水。中部广大平原为大石河的冲洪积扇,东部小清河一带及西南的山前平原地带,分别为永定河、拒马河冲洪积扇的边部。本区含水层的岩性由粗变细,厚度由薄变厚,含水层由单层到多层,地下水类型由潜水过渡到承压水,水位埋藏由深到浅,水的化学类型由简单变为复杂。

研究区地下水入渗补给项主要包括降水、地表水入渗、山前侧渗及灌溉回归等。在山前冲洪积扇顶部地区,除接受山区河谷潜流补给外,由于沙砾石埋藏浅或裸露地表,较易接受降水、地表水入渗补给,是平原区地下水的主要补给区。在冲洪积平原地区,岩性主要为黄土质沙黏及黏沙、沙及沙砾石,由于水平径流条件差,地下水主要接受降水和地表水体的垂直入渗补给。研究区地下水径流方向与地形地貌变化基本一致,由西北部流向东南部,平均水力坡度为0.17%。排泄项包括人工开采、潜水蒸发及侧向流出等,其中主要的以人工开采的方式进行排泄,占平原区地下水排泄量的90%以上。根据地下水补给、径流及排泄条件,研究区地下水动态类型属于渗入-水平径流-开采型。

根据21眼常年观测井(图2)数据显示:研究区地下水位年内涨落明显,年最高水位一般出现在1-2月;3-6月受农业大规模开采的影响,地下水水位急剧下降;7-9月由于汛期降水补给、开采量减少,水位逐渐回升;10-12月受农业秋、冬灌期影响,水位有所下降;年内最低水位一般出现在5-6月,多年平均年变幅为4.35 m。研究区地下水水位的年际变化幅度也较大,据1980年到2005年的地下水水位观测资料知,地下水水位总体呈下降趋势,2000年地下水水位比1980年下降了3.09 m,2005年比2000年下降了2.27 m。目前,房山区多年平均地下水开采量为2.81亿m3,而地下水多年平均可开采量为2.50亿m3,多年平均超采地下水达0.31亿m3,导致近年来地下水位连续下降。平原地区已经形成了城关-夏村-良乡-石楼一带面积达182 km2的地下水下降漏斗超采区。

2 地下水数值模拟

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 钻孔资料分析

正确选择钻孔资料是准确构建水文地层模型的前提,钻孔选择要分布均匀,具有代表性并且对地层有控制作用。在研究区共选取了66个典型的钻孔,并对钻孔岩性进行分析,共归纳出6种岩性:黏土层、细沙层、粗沙层、沙砾层、亚黏土层和基岩。研究区钻孔分布图如图3所示。

2.1.2 建立地质模型

对所选的钻孔地层结构进行分析对比,将岩层进行编号(表1),把房山平原区近100 m深的第四系地层分成23层,应用GMS绘制地质剖面功能,创建三维地层模型并将该模型进行任意方向的剖分,得地层的内部结构和岩性图(图4)。

2.1.3 边界条件

研究区含水系统主要位于冲积扇平原上,含水层颗粒较粗。在垂直方向,上部全新统(Q4)含水层以沙砾石为主,颗粒粗,渗透性好;中部上更新统(Q3)含水层以沙砾石为主,夹有细沙,分选性及磨圆度差;底部更新统(Q2)以含沙砾石黏土为主,分选性及磨圆度差,各个不同时期的含水层构成统一的含水地层。

研究区顶部边界为潜水面,底部边界为第四系黏土和亚黏土含水层的下限。研究区内的不同时期的含水层之间具有统一的水力联系,因此将以冲洪积沙砾石,含沙砾石黏土为主的含水层作为目的层,含水层的厚度自西北部向东南部逐渐增大。根据地层特征以及地层沉积情况,将含水层介质概化为非均质各向同性多孔介质,同时,根据对研究区地下水水位的观测,以及对地下水流场的综合分析,将目的层地下水水流概化为三维层流。

研究区由北侧至西侧为基岩与第四系的接触界限,概化为山前侧向补给边界;东侧和西南侧边界,近似与等水位线垂直,概化为隔水边界;南部为排泄边界,概化为二类边界。上部边界为潜水面,是位置不断变化的水量交换边界,有降水入渗、人工开采和农业灌溉回渗等;下部边界以岩床为界,概化为隔水边界。

2.2 地下水数值模型

根据研究区水文地质条件,将研究区内水文地质概念模型概化为三维非均质、各向同性、非稳定地下水流系统,建立如下的地下水水流模型:

$\{\begin{array}{l}\frac{\partial }{\partial x}\left({\rm K}{}_x\frac{\partial h}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\rm K}{}_y\frac{\partial h}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\rm K}{}_z\frac{\partial h}{\partial z}\right)+\epsilon =S{}_s\frac{\partial h}{\partial t}\\ x,y,z\in \Omega ,t\ge 0\\ h(x,y,z)|{}_{t=0}=h{}_0(x,y,z)x,y,z\in \Omega ,t=0\\ h(x,y,z,t|{}_{\Gamma {}_1})=h{}_1(x,y,z,t)x,y,z\in \Gamma {}_1,t\ge 0\\ {\rm K}{}_n\frac{\partial h}{\partial n}|{}_{\Gamma {}_2}=q(x,y,z,t)x,y,z\in \Gamma {}_2,t\ge 0\end{array}(1)$

式中:Ω为潜水含水层的渗流区域;h为含水层的水位标高,m;Ki(i=x,y,z)为i方向的渗透系数,m/d;h0(x,y)为潜水含水层的初始水位分布,m;h1为潜水含水层的水位边界值,m;Γ1为潜水含水层的水位边界;Γ2为潜水含水层流量边界;Kn为边界面法线方向的渗透系数,m/d;Ss为含水层贮水率;q(x,y,z,t)为含水层二类边界单位面积流量,流入为正,流出为负,隔水边界为0,m3/m2·d;ε为潜水含水层的垂向补给强度,m3/m2·d,其中包括大气降水入渗量、农田灌溉回渗量、工农业开采量。

对上述地下水数学模型采用GMS软件进行地下水流模拟求解,采用GMS中的MAP模块对模拟区进行矩形剖分,共剖分矩形网格1 897个,每个单元面积600 m×400 m,如图5所示。垂直方向根据地层柱状图中的23个土壤层,概化为23层。模拟时期为2005年1月1日-12月31日,共分为12个模拟期,每个模拟期对应为1个月,均采用1 d作为等时间步长。源汇项包括降水入渗量、地表水入渗量、灌溉回归入渗量、地下水开采量、侧向排泄量和蒸发量等。

2.3 水文地质参数的确定

本次计算采用的参数初值有:渗透系数、给水度、降水入渗系数和灌溉水回归系数。根据区内的水文地质条件、各含水层的岩性,结合经验数据资料,确定本区各含水层的水文地质参数。

研究区内含水层含有6种不同类型的岩层,沙砾石、初沙、细沙、亚黏土、黏土和基岩,各岩层对应的渗透系数分别是100、36、3、0.05和0;根据含水层导水性质,对其相应岩层的给水度赋值为0.25、0.22、0.12、0.02和0。降水入渗补给系数为降水入渗补给地下水的水量与降水量的比值,与地下水埋深、降水量、包气带岩性等因素有关,根据研究区1980-2005年降水资料以及现场的水文地质条件,将研究区分为黏土区域、沙砾石区域、细沙区域和基岩区域,结合研究区的岩性类型,确定研究区对应区域的降水入渗初始值为0.11、0.25、0.23和0.1。灌溉水回归系数不仅与包气带岩性和厚度有关,而且与水稻不同生长期有关。根据现场调查和研究区水文地质图,确定出研究区在5-9月的灌溉水回归系数分别为0.19、0.18、0.18、0.17和0.12。

2.4 模型的识别和检验

2.4.1 模型的识别

本次研究选择典型观测点地下水位作为模型识别检验的目标。根据不同时段水位实测值对不同参数进行反复调节和识别,输出计算后流场,验证典型观测孔拟合曲线。采用的方法是先正演拟合水位,间接校正参数的方法。选取研究区内的21口常年观测井与模拟值进行比较,以此用于参数的率定。对2005年的21口观测井的1、4、7、10月水位观测值与模拟值之间进行分析和比较,通过细致的调整参数,模型取得了较好的结果。各月份拟合曲线的平均误差是0.78、0.27、0.19和0.28 m,平均绝对误差是0.97、1.45、1.36和1.10 m,均方根误差是2.62、1.76、1.55和1.86 m。

研究区水位拟合结果初步说明所建立的水文地质模型和水力学模型基本是正确的。识别后的水文地质参数见表2～表4所示。

2.4.2 模型的检验

根据上述率定的模型参数,利用丁各庄和北坊两眼长期观测井的2006年和2007年地下水位动态观测资料对模型进行检验。利用已经识别的模型和求得的参数,运行模型,计算水位,并与相应时段的观测水位进行比较,模拟结果如图6和图7所示。由图中可以看出,两井模拟值和观测值的水位变化趋势基本一致,模型拟合程度较高,所建模型能比较真实地反映研究区地下水含水层的实际情况,模型运行稳定、可靠,可以用来进行预测分析。

3 规划年地下水模拟

3.1 规划年源汇项分析

3.1.1 降水特征分析

研究区降水量年际变化幅度较大,多年平均降雨量(1956-2005年)为565.6 mm。特枯水年(P=95%)降水量310.8 mm,枯水年(P=75%)降水量430.9 mm,平水年(P=50%)降水量548.3 mm,丰水年(P=25%)降水量684.3 mm。降水量随季节变化十分明显,全年降雨主要集中在汛期(6-8月),占全年降雨量的85%。模型预测时的降水量选用研究区1980-2005年降水量系列。

3.1.2 边界流量变化分析

枯水期,边界流量变化不大,丰水期,边界流量随着降水量的增加而增大。根据《南水北调北京市水资源优化配置规划方案》,区内2020、2030年的南水北调来水量均为12 000万m3。控制边界净出流量为3 000万m3,自然植被保持不变。

3.1.3 地下水开采量和灌溉用水量情景分析

根据《北京市房山区水资源综合管理规划》,考虑控制地下水超采量、调整农业种植结构与改变灌溉方式3个方面,对研究区规划年地下水开采量和灌溉用水量进行情景分析。

研究区水资源与水环境中存在的主要问题包括水资源短缺,农业用水量偏大和地下水超采严重。考虑节水灌溉措施下的灌溉定额管理, 研究区灌溉定额设定为中度节水和高度节水的灌溉定额,其中中度节水是现状的灌溉定额;考虑农业结构调整,设置现状种植结构不变和优化种植结构两种农业结构,其中适当减少耗水量比较大的旱作粮食、露天菜田,增加耗水量比较小的林地、设施农业、干鲜果等农业结构为优化的种植结构;考虑地下水超采,一种考虑逐步关闭超采区自备井,逐步减少超采,按现在研究区的超采量1 938万m3,逐步减少超采,到2020年停止超采,即到2015年减少超采量的50%,2020年停止超采。另一种为强化超采区自备井管理,强化减少超采,到2015年达到地下水采补平衡,即到2015年减少地下水超采量1 938万m3。根据上述情景设定,排列组合后构成8种情景方案,见表5。以2005年为基准年,2020年和2030年为规划年,对研究区不同规划年在不同情景方案下的地下水开采量和灌溉用水量进行预测。预测结果如表6所示。

3.2 2020年和2030年地下水模拟

以2005年为基准年,对2020年和2030年不同情景方案下地下水进行数值模拟,得出各个情景方案下的地下水位等值线图。情景2和情景5方案下的地下水等值线图如图8和图9所示。

由模拟结果可知,在各个情景方案下,相对于基准年,研究区地下水水位都有不同程度的上升,2020年和2030年均处于正均衡状态。

在情景2方案下,即在高度节水、种植结构保持现状和逐渐减少地下水超采的情形下,研究区地下水水位相对于基准年在2020年和2030年分别上升了1.85 m和3.95 m。在情景5方案下,即在中度节水、种植结构保持现状和强化减少地下水超采的情形下,研究区2020和2030年的地下水位处于最佳状态,相比于基准年,地下水位分别上升了3.55 m和5.85 m,研究区降落漏斗消失,流场的形态发生了变化,年均均衡差分别为864万m3和812万m3。

4 结 语

本文以区域地下水位和水量研究对象,采用三维非稳定流数学模型对研究区地下水系统进行模拟及预测,得出如下结论。

(1)根据研究区钻孔资料及地下水观测网数据建立了房山平原区地下水模拟模型。运用GMS软件的相关模块,对模型进行识别和验证,依据丁各庄和北坊两眼长期观测井的地下水动态观测资料对模型进行检验,表明了模型的正确性。

(2)根据研究区的节水程度、作物种植结构和地下水超采情况制定了8种情景方案。利用建立的地下水数值模型对研究区2020年和2030年8种情景方案下的地下水位进行了预测。预测结果表明:在情景方案5(中度节水、种植结构保持现状和强化减少地下水的情形)下,研究区地下水位处于最佳状态,降落漏斗消失,相对于基准年,2020年和2030年地下水位分别上升了3.55 m和5.85 m。

摘要：根据北京市房山平原区的水文地质条件,将研究区水文地质概念模型概化为三维非均质、各向同性、非稳定地下水流系统,并应用GMS软件对研究区地下水系统进行了识别和验证。采用情景分析方法,在模拟8种不同情景方案下规划年地下水的变化情况,给出适宜研究区地下水可持续发展的最佳方案。在情景5方案,即在中度节水、种植结构保持现状和强化减少地下水的情形下,研究区2020和2030年的地下水位处于最佳状态,相比于基准年,地下水位分别回升了3.55m和5.85m,研究区处于正均衡状态,降落漏斗消失。