基于 Visual Modflow的邯郸县地下水位动态研究

2012-09-04张大龙于虎广

地下水 2012年6期

张大龙，闫卫，于虎广，金喆

(1.河北工程大学，河北邯郸 056038;2.邯郸慧龙电力设计研究有限公司，河北邯郸 056035;3.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东济南 250100)

邯郸县素有“粮仓、棉海”之称，是一典型的城郊县，城乡交流的不断加快，极大地促进了县城经济的快速发展。然而，淡水资源短缺、地下水超采［1］、水供需矛盾等问题也相继出现，严重地制约了当地社会经济的发展。邯郸县地区，工业、农业用水水源主要来源于浅层地下水，为尽可能地满足用水需要，大量开采地下水，致使地下水位连年大幅度下降，浅层地下水严重超采区不断加大，深层淡水上层被疏干［2－4］，若不加以控制，势必造成深层淡水的枯竭［5］。面对严峻的地下水资源问题，只有积极地克服各种困难来缩小超采区面积，控制地下水降落漏斗的不断扩张，有效地缓解地下水资源严重短缺的矛盾，才能维护和建立高效的供水环境。为此，本次研究利用Visual Modflow软件进行邯郸县地下水流的数值模拟，并预测2015、2020年县域浅层地下水设计开采量方案下的地下水位动态变化情况，为研究区域的地下水资源合理开发利用提供科学依据

1 区域概况

邯郸县地处太行山东麓，地势是西高东低，境内分为丘陵区和山前平原区。多年平均降水量为507.9 mm，降水量的年内分布极不均匀，全年降水量的70% ～80%集中在6－9月份。天然河流有滏阳河及其支流渚河、沁河、输元河，人工河道有支漳河分洪道［6］。邯郸县全部行政区域总面积为439.7 km2。其中，山丘区面积 124.0 km2，平原区面积 315.7 km2。根据县境内水文地质特征，可以将其分为丘陵区和山前平原区两个水文地质区，两个水文地质区又可进一步详分，见表1。

表1 邯郸县水文地质详情

2.1 水文地质概念模型

水文地质概念模型是研究区域实际水文地质条件的概化［7］。研究区地下水主要来源于浅层地下水，也是本次模拟研究的目的层。区域含水层在垂向上没有明显的、稳定的隔水层;地下水流以水平运动为主，地下水流系统的输入、输出随时间、空间变化;因岩性的不同水文地质参数有所区别，但在方向上差异不明显。综上，本次将区域含水层概化为非均质各向同性二维非稳定流模型。

东部边界有地下水位观测井，概化为一类已知边界;南部边界、西部边界可概化为隔水边界;北部边界与永年交界，有大量地下水流入模拟区，概化为二类流量边界。邯郸县与市区边界中西部和北部边界因有输元河的补给，概化为二类流量边界;东部边界为排泄边界，概化为二类流量边界。研究区上部边界定为有水量交换的边界，下部存在泥岩组成，其渗透性极差，定为隔水边界。

2.2 地下水流数学模型及求解方法

依据渗流连续性方程、达西定律，上述地下水流系统可用以下偏微分方程及其定界条件进行描述，如式 (1)所示:

式中:H为地下水水头，m;T为含水层导水系数，m∕d;μ*为含水层给水度(无量纲);W为垂向水量交换项，m/d;Q为为地下水开采量抽水率，m3/s;D为计算区域;Γ1为已知水头的第一类边界;Γ2为已知流量的第二类边界;H0(x，y)为初始时刻水头分布函数，m;φ1(x，y，t)为第一类边界上的已知水位函数，m;q(x，y，t)为第二类边界上的已知流量函数，m3/s;t为时间。

图1 模拟区参数分区图

运用Visual Modflow的前承条件共轭斜量程序包PCG2进行求解。将区域剖分为3 484个矩形网格，大小为500×500 m，有效单元格为1 740个，如图1所示，图中蓝色矩形网格为无效单元格，境内分为丘陵区和山前平原区，其中，根据平原区浅层含水层岩性的差异，又将其细划分为3个水文地质分区，参数分区图如1所示。

2.3 模型识别与验证

选择2010年4月27日至5月27日作为识别模型参数K和μ*的时段。利用各观测孔的水位资料，绘制出地下水的等水位线图，得到模型计算的初始流程(图2)。

图2 地下水初始流场图

在识别过程中，采用手动和自动相结合的方法，通过实际水位和计算水位的拟合分析［8］，如果计算水位与实测水位相差很大，则根据参数变化范围和实际水位差值，重审研究区域水文地质分区的划分情况，重新给定一组参数，直至二者拟合较好为止。选取观测点4个(S52，J73，S69，S83)，经过反复的调整，绘制观测孔水位拟合曲线，如图3所示。可以看出拟合效果较好，可以满足解决实际问题的需要，参数识别结果如表2所示。

表2 水文地质参数识别结果

为了全面验证模型，通过其他时段的实测资料，对模型的可靠性进行进一步的验证。选取2010年10月10日至2010年11月10日作为模型的验证时段。同样，选取上述的4个观测井，进行水位拟合，验证结果如图4。

观测孔水位拟合曲线表明，模型的建立符合研究区的实际水文地质情况，地下水动态过程一致，水位拟合达到了精度要求，可以运用该模型对研究区域地下水流系统进行预测。

3 地下水未来动态预测

为有效控制邯郸县地下水位逐年下降的趋势，缓解部分地区地下水供需失衡，并根据邯郸县地下水限采目标和南水北调完成情况，以调节均衡型开采动态为原则，控制水位降落过程，给定开采初值，通过模型计算不断调整开采量，直到开采动态达到采补平衡［10－12］，由此计算并制定 2015、2020年县域浅层地下水设计开采方案，如表3所示。按照地下水的限采量，运用上述建立的地下水流数值模型，预测2015、2020年(可供水量和需水量均考虑为75%保证率情况下)的地下水位情况。按设计开采量进行开采(可供水量和需水量均考虑为75%保证率情况下)，应用上述建立的模型进行计算，得到2015、2020年研究区地下水位情况，如图5、6所示。