新疆乌苏市地下水资源可利用量计算中数值法的应用分析

2016-08-18韩正元

地下水 2016年4期

关键词：补给量水资源量含水层

韩正元

(新疆乌苏市水利管理站，新疆乌苏 833000)

新疆乌苏市地下水资源可利用量计算中数值法的应用分析

韩正元

(新疆乌苏市水利管理站，新疆乌苏 833000)

随着计算机电子技术发展进步，利用模拟计算软件，可以完成地下水资源量计算中复杂、不规则、模糊的计算问题。使用不同的计算方法，根据实际地质情况和计算需求情况构建合理的模型，对地下水资源概况进行评价。结合乌苏市地下水数值分析计算实例，对数值法的应用进行了分析。

地下水；数值法；资源评价；应用分析

目前，我们在水资源评估的数值分析方法有有限差分法、有限单元法、边界元法和特征线法[1]，数值法能够描述不规则区域内非均质含水层及复杂的边界条件，能够处理河流渗入、大气降水、抽排水、溶质交换和蒸发在时间和空间上的变化，能够解决复杂的计算问题，数值法已成为地下水资源评价的重要方法。其中较为常用的是有限差分法和有限单元法，两者都采用线性数学推导，其中有限差分法物理意义明确、简单易懂，而有限单元法涉及的数学计算较为复杂。但是两者在计算时都是将计算对象分割成一个个小的网格单元，将偏微分方程离散称为线性方程组，用计算机联立求解。只是在网格划分和方程线性化方法上有区别。

地下水水量的数值模拟适用于工程控制程度较高的大、中型供水水源地。计算所依据的资料、对区域水文地质情况的概化、建立数值分析模型以及进行模拟都需要严格遵从供水水文地质勘察规范中的技术要求[2]。

1　研究区域概况

1.1地表水情况

乌苏境内包括奎屯河、四棵树河和古尔图河三条较大的河流。根据新疆水文水资源局41年水文资料统计，三河多年来平均径流量为13.18亿 m3，其中奎屯河6.62亿 m3，四棵树河2.97亿 m3，古尔图河3.61亿 m3。

乌苏市地表水资源开发利用的重点在这三大河流上,其中奎屯河、古尔图河是乌苏市与兵团农七师驻境内7个团场共同开发利用的河流，四棵树河是乌苏市自建自管的河流，不与农七师团场分水，但夏、秋、冬三季的余水注入农七师的柳沟水库。近5年，乌苏市平均引地表水3.0亿 m3。

1.2地下水情况

乌苏市平原区(不包括兵团)地下水总补给量为5.88亿 m3，其中天然补给量0.93亿 m3，转化补给量4.95亿 m3，地下水可开采资源量为3.53亿 m3，现有正常使用取水井2 776眼，年开采地下水资源超过5.5亿 m3。

2　地下水数值模拟模型

2.1建立水文地质概念模型

建立计算模型前，需要对计算区的地质及水文地质条件进行充分的了解和研究，对实际的水文地质条件进行较为准确的概化，并用清楚的语言文字，图像，表格数据等形式准确描述当地地下水赋存和运移规律特征[3]。

乌苏市计算区地下含水层可概化为两层越流含水层，分别是第四系潜水非稳定流和承压含水层基岩，两者互相联系。地下水边界由地形高点圈定，由流量边界作为模型的边界，边界流量为零，高点之间的低洼处的流量相对较大[4]。

2.2数学模型

根据水文地质概念模型，需建立起计算对象的数学模型。它是描述地下水数量、时间和空间关系，以及地下水流动状态的一组数学关系式。地下水流的数学模型实际上就是概念模型的数学化表达。它主要包括偏微分方程，初始条件和边界条件。有限差分法和有限单元法都是将建立的数学模型离散成简单的代数方程组。

其中第四系地下水数学模型如下：

H2(X，Y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

承压基岩地下水数学模型如下：

H2(x，y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

式中：H1、H2为各层地下水位(m)；k1为第四系含水层渗透性系数(m/d)；D1为第四系含水层的底板标高(米)；E0为地表蒸发强度(m)；Ha为地表的标高 (m)；Smax为最大蒸发深度 (m)；k'为弱透水层的渗透系数 (m/d)；M'为弱透水层的厚度 (m)；ω为外界降水渗入补给量(m/d)；T2为岩层的导水系数(m2/d)，承压含水层导水系数由T2= K2M计算，其中K2为基岩承压含水层渗透系数，M为基岩含水层的厚度，潜水或无压含水层导水系数T2=K2(H2-D2)，D2为基岩含水层的底板标高；Qi为地下水的开采量(m3/d)；H0为初始水位(m)；Ω为计算区域；μ为潜水或无压含水层给水度，承压含水层贮水系数；qe( x，y，t) 为二类边界单宽补给量(m2/d)。

表1　水文地质分区表

图1　渗流区域节点划分图

2.3建立数值模型

1)模型的空间和时间离散计算

建立数值模型需要对计算域进行分割，离散成一个个小单元，做出网格剖分图。分割图需要选择好分割节点，尽量将节点分布在观测孔，以便使勘测资料更准确的对应建立的数值模型[5]。但是由于观测孔的数量有限，不足以对应每一个节点，这就需要设置插值点来补充节点参数。插值点应设置在水位明显变化、水文地质参数变异及观测孔分布稀疏的地方。布置好节点后，将节点连接成网格单元。模型关于时间的离散分为模拟期和预测期。模拟期主要是用于确定水文地质条件演化以及计算地下水补给量。预测期可以估算地下水可开采利用量和预测地下水水位。模拟期一般会取一个或若干个水文年水文年，在一个较为完整的周期内识别数学模型，这样准确度和可信度更高。预测期则根据地下水资源数值模拟的实际目的和要求来确定。在模拟期确定之后，为计算区节点赋初始条件和水文参数。将模拟期人为划分成多个时间段，来反映期间地下水位的变化称为时间离散。模拟期时间离散，可以根据实际地下水头变化规律，确定相应的时间步长。例如进行模拟抽水试验时，开始以分钟为单位，以后时段拉长，以小时或天为单位，再如模拟地下水大量开采时，则可以月、季(丰水期、枯水期)以及年为单位。

本实例采用三角网格分割渗流区域，对重点研究区域适度加密，观测孔与部分节点基本全部重合。最后对结点和三角形网格单元进行编号，共计节点635个，三角形单元13 243个，分割结果如下图1所示：

2)水文地质参数选取

水文地质参数的选取是依据地层岩性和观测孔抽水实验结果初步确定分区的，在进行模拟时应根据情况调整。数值模型的识别在数学计算过程中被称为解逆[5]。在识别过程中，不仅需要对水文地质参数进行调整，而且在必要时候还要对地下水的补给量、排出量，含水层概化结构和边界条件等进行适当的调整。具体参数识别结果见表1。

3　地下水资源量的计算

根据模型识别的结果，绘制地下水资源量均衡表如下表2。

表2　地下水资源量均衡表

本次数值法计算中，水文地质概化模型正确。对观测孔进行的抽水试验充分揭示了地下水系统中存在的矛盾。利用数值法对抽水试验取得的数据进行反复拟合，来识别模型。模拟的时间段包括抽水前、抽水时以及抽水后水位的恢复阶段[6]。利用2011年6月5日—2012年6月4日一整个水文年的地下水动态资料进行了模型验证。因此，地下水资源模拟数学模型的连续函数在时间和空间上离散程度的足够小，符合计算精度的要求，水文地质参数、降雨入渗系数、边界流入流出量等符合实际。通过计算，勘探区地下水可利用量为18 091．59 m3/d。