基于FEFLOW傍河水源地地下水数值模拟

2012-05-31李雪艳梁立章聂大鹏

东北水利水电 2012年8期

关键词：剖分模拟计算含水层

李雪艳，梁立章，聂大鹏

（1.辽宁省江河流域管理局,辽宁沈阳 110003；2.辽宁省防汛抗旱指挥部,辽宁沈阳 110003；3.辽宁省水文局营口分局,辽宁营口 115000）

1 研究区水文地质概况

研究区位于铁岭老城区西南方向13 km的铁岭县凡河镇，水源地位置在凡河下游榛子岭水库以下的贺家屯-南坨子-药王庙一带，取水位置打在凡河右岸漫滩及阶地上。

该区地下水赋存于凡河河谷，一般情况下地层颗粒变化在水平方向上从上游由粗到细，但在该区到下游反而含水层颗粒渐粗，水量也较上游丰富。

2 模拟计算目的层及其水力特征

模拟计算区上部孔隙含水层介质为第四系细砂、中砂、粗砂、砾砂为主，局部地段有圆砾及卵石层，含水层厚度一般为16～32 m，上游地段富水性一般，渗透系数15~25 m/d，下游富水性较好，渗透系数较上游大，为25~50 m/d；故将计算目的层概化为非均质各向同性含水层。根据对模拟计算区内地表水体及地下水位的综合分析，模拟目的层地下水由东南向西北沿河道运移且与地形坡度方向及河水流向一致，在河下游地区为两侧流向河谷，地下水天然水力坡度为0.086%~0.16%。模拟计算区地下水系统符合质量守衡定律和能量守衡定律，在常温常压下地下水运动符合达西定律，地下水运动概化为平面二维非稳定流。

3 研究区数值模拟

3.1 边界条件的概化

1）垂向边界概化。模拟计算区目的层顶部以潜水面为界，通过包气带与外界进行水量交换，如地下水接受大气降水入渗、河水渗漏补给，潜水蒸发排泄及灌溉回渗补给等。底部为粘泥，透水性及渗透性差，概化为隔水边界。

2）侧向边界概化。根据论证范围图及区域地表水体及地下水位情况，东南部老河湾~贺家屯一带接受地下水的侧向补给，概化为第二类流量补给边界；西北部强家窝堡一带地下水向河谷流动，概化为第二类流量排泄边界，中部河道地区接受地表水体渗透补给，概化为第三类混合边界，混合边界以地表水渗透补给为主，以河流水位及河床底部到其地下含水层的距离为辅；其余论证区边界部分与区域地下水流向大致相当，概化为零流量边界。

3.2 地下水流数学模型

根据上述水文地质概念模型分析，将该区地下水流系统概化为非均质各向同性，二维非稳定地下水流数学模型，可采用如下微分方程的定解问题进行描述：

3.3 数学模型的求解

这次计算采用德国WASY GMBH公司，开发的基于迦辽金有限元方法的地下水流数值模拟系统 FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）软件，此软件是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。

空间离散。模拟区面积为52.96 km2，其中有效计算区面积31.06 km2，无论有效还是无效计算区均采用FEFLOW进行自动三角网格剖分，模拟计算区剖分单元445个，接点252个，剖分时将抽水井放在剖分单元的接点上，抽水井周围加密剖分。

时间离散。模拟期为一个水文年（2009年），共365 d，以一个月为一个时间段，每个时间段包括若干个时间步长，时间步长为模型。

3.4 模型的识别及校正

选择2009年1—6月作为模型的识别时段，该时段历经枯水期和平水期，流场的特征能较好地反映出含水层系统的特性，选择2009年7—12月进行模型的校正，选取2009年12月末的流场进行拟合。计算参数见表1。计算成果见表2。

表1 校正后模拟计算分区水文地质参数值表

表2 模拟期有效计算区地下水均衡计算成果表 104m3

从表中可以得出均衡分析结果：模拟期内水量为负均衡，是由于水源开采原因导致各个井所在的小区域产生漏斗，而消耗区内部分地下水储存量所致，但其消耗量并不大，不影响正常开采。在补给项中降水入渗及河水入渗为该区地下水的两大主要补给来源，分别占总补给量的40.66%及50.39%，尤其河水入渗补给占总补给量的50%以上。排泄项则主要为区内水源井的集中开采及其余零散人工开采。

根据地下水资源数值法计算技术要求，一般情况下，控制观测井地下水水位的观测值与模拟计算值的拟合误差，应小于拟合计算期内水位变化值的10%，该区计算流场与实测流场基本吻合，实测水位与计算水位拟合误差在允许范围之内，表明所进行的含水层结构分析、边界条件概化，以及水文地质参数和源汇项的选取都是合理的，所建立的数学模型较为真实地刻画了研究区地下水系统的特征，仿真性强，可以运用该模型进行模拟计算区地下水资源的预测。

3.5 模型预测

水源地按新增开采量1.92×104m3/d，进行5年期预测。根据运行结果，第一年水位下降较快而后4年下降速度大致相当，下降幅度在4.42~7.08 m之间，运行5年后水位趋于稳定，并随着降水量的丰枯交替，水位相应的升降。除离其它井距较远的井单独形成漏斗外，其他开采井群所在区域内形成一定范围内的降落漏斗。从流场演变趋势看，在前5年水位持续下降期间，流场也在逐渐形成稳定的漏斗区，中后期随着水位稳定后，流场逐渐趋于稳定，区域整体的水位仅随丰、枯水年的交替升降而流场形状变化不大。