Visual Modflow在松嫩平原地下水动态调查评价中的应用

2013-01-12郭晓东

地质与资源 2013年4期

郭晓东，田辉，方樟

（1.沈阳地质矿产研究所/中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110032；2.吉林大学环境与资源学院，吉林长春130021）

0 前言

松嫩平原位于东北地区中部，纵跨黑龙江、吉林两省，是我国重要的商品粮生产基地、能源基地和重工业基地，地下水的用水量巨大.由于不合理开采，松嫩平原形成了多个大型地下水漏斗，带来了严重的环境地质问题.因此，中国地质调查局自2008年起部署了松嫩平原地下水动态调查评价项目，要求在以往调查研究成果的基础上进一步开展松嫩平原地下水数值模拟，进行地下水的预测预报，为科学合理规划开采地下水提供理论依据.为此，我们采用VisualModflow软件根据最新的调查成果，进行了模型的验证及简单预测，尝试了该软件在大型平原盆地地下水模拟中的应用.

1 研究区概况

松嫩平原属温带大陆性季风气候区，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温在-4.0～+5.5℃之间，年平均降水量为350～600mm，年平均蒸发量为1200～1900mm.研究区主要河流有嫩江、松花江、第二松花江及其支流，嫩江、第二松花江在三岔河附近汇流形成松花江干流，之后又有拉林河和呼兰河注入.在低平原闭流区，乌裕尔河、双阳河自东向西流入平原北部，霍林河自西向东流入平原南部，形成星罗棋布的湖泡洼地，著名的有连环湖、查干泡和最大咸水湖大布苏泡［1-2］.

松嫩平原被大兴安岭、小兴安岭、张广才岭及长白山所环绕，南部松辽分水岭与西辽河相隔，四周高中间低.根据地形成因及形态特征，可以分为东部高平原、中部低平原、西部山前倾斜平原和河谷平原.

松嫩平原是一个大型汇水盆地，第四系潜水、承压水含水层广泛分布.在西部倾斜平原区形成了单层含水层系统；在中部低平原除第四系含水层外，还分布有新近系泰康组含水层、古近系大安组含水层，形成了多层含水层系统；在东部高平原区，第四系含水层下伏白垩系含水层，形成了双层含水层系统［3］.

2 水文地质概念模型

研究区主要开采目的层概化为潜水含水层、第四系承压水含水层、泰康组含水层和大安组含水层4层含水层，相互间通过弱透水层存在不同程度的越流水力联系.各含水层岩性及厚度有不同程度的变化，概化为非均质各向同性含水层.在自然状态下，渗流基本符合达西定律，水流形式概化为准三维流，在目前和水位预报期内均为非稳定流.

由于研究区周围被山脉和松辽分水岭包围，主要为隔水边界，只在河流出入部分为已知流量边界.上部边界有降水入渗、河流湖泊渗漏、灌溉回渗，以及蒸发、人工开采等.各含水层通过弱透水层实现越流联系，弱透水层为越流边界.底部边界为基岩隔水边界.

3 模型建立与求解

3.1 软件介绍

VisualModflow（简称VM）软件是一款国际上通用的标准化三维地下水数值模拟软件，具有强大的三维可视化功能，简便易操作，轻松实现人机对话.其包含了Modflow、Modpath和MT3D三大模块，能够实现水流评价、平面和剖面流线示踪分析以及溶质运移评价等功能.

3.2 空间离散与时间离散

计算区面积为18.3×104km2，采用Modflow进行自动矩形剖分，剖分单元26 542个，每个单元格大小为2.84 km×2.37 km，垂向上剖分为7层，4个含水层，3个弱透水层.根据实测资料，模型验证期为2008年7～12月，共计184天.在验证期内，VM软件根据地下水动态变化周期自动确定应力期.

3.3 数据处理

参数及其分区主要参考前人研究成果，并根据实际情况确定.开采量资料采用自《松辽流域水资源公报》，气象资料源自中国气象局气象资料共享中心.各承压含水层开采量、河流排泄量、侧向径流量、河流补给量等采用平均布井法，处理为单井，在井（Well）模块输入，降水渗入补给量、蒸发量、灌溉回渗量、湖泡渗漏量以及潜水含水层开采量等在补给（Recharge）模块输入.

3.4 模型验证

在前人进行的模型识别的基础上，利用2008年7～12月地下水位动态监测资料对模型进行检验.该时期地下水水量均衡要素较多，地下水位变化较大.进行运算后，经过反复的参数调整，各含水层流场的拟合情况见图1～4.典型观测井拟合曲线见图5～8.本次模型检验拟合误差平均绝对值在0.5m左右.模拟检验结果表明，模型能够较好地模拟实际地下水流场.这说明含水层结构、边界条件的概化、水文地质参数的选取是合理的，所建立的数学模型能较真实地刻画研究区地下水系统特征，可以利用该模型对水位的变化进行预测预报.

图1 第四系潜水流场拟合图Fig.1 The fittingmap ofQuaternaryunconfinedwater flow field 1—实际流场（actual flow field）；2—模拟流场（simulated flow field）

图2 第四系承压水流场拟合图Fig.2 The fittingmap ofQuaternary confinedwater flow field1—实际流场（actual flow field）；2—模拟流场（simulated flow field）

图3 新近系泰康组承压水流场拟合图Fig.3 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofNeogeneTaikang formation1—实际流场（actual flow field）；2—模拟流场（simulated flow field）

图4 古近系大安组承压水流场拟合图Fig.4 The fittingmap ofconfinedwater flow field ofPaleogeneDa'an formation1—实际流场（actual flow field）；2—模拟流场（simulated flow field）

4 模型预报

4.1 开采方案

在目前地下水开采的情况下，考虑未来社会经济发展的需求，预测地下水开采量持续增加情况下的地下水动态变化趋势，并分析由此引发的地质环境问题.因此，笔者根据搜集到的2003～2008年以来的地下水开采量，计算得到年平均增长率为4.7%，以此为基础计算得出2009年7月至2024年地下水开采量.

4.2 预报时段及初始条件

预报时段为2009～2024年，初始流场采用2009年6月统测数据.

4.3 其他源汇项的处理

预报时段内其他源汇项按照多年平均值计算.

4.4 预测结果及分析

预测结果表明，在目前的地下水开采持续增长的情况下，未来15年，个别地区地下水含水层特别是潜水含水层将出现明显的含水层疏干，深层含水层在一些重要开采区、重要城市出现明显的降落漏斗.这样的开采方案必然会对地下水资源的可持续开发利用、对地质环境产生负效应.因此，应该设计合理的地下水开采方案，合理控制过量开采区，有序利用地下水资源.