基于GMS的邯郸市受水区地下水数值模拟

丁国辉

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司， 江苏 南京 210031)



基于GMS的邯郸市受水区地下水数值模拟

丁国辉

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司， 江苏 南京 210031)

南水北调工程是缓解我国北方部分地区水资源短缺的特大型水资源配置战略工程。其实施将显著改善我国北方地区的水资源条件及其配置格局，并为受水区生态环境的保护与修复创造有利条件。以邯郸市受水区为研究对象，利用GMS软件对研究区地下水进行数值模拟，并对模型参数进行识别与验证，进而开展整个研究区的水均衡分析工作。结果表明：所建模型较好地模拟了该区的含水层结构、边界条件，所模拟的地下水位与实测水位较为接近，可用于预测不同水源配置方案下未来该区的地下水位变化情况，以此为该区的地下水压采工作提供决策依据。

南水北调工程； 数值模拟； GMS； 水均衡； 地下水压采

邯郸市南水北调工程受水区以地下水为主要水源。20世纪70年代以来，区域地下水超采严重，地下水位呈逐年下降趋势。地下水位的下降一方面造成机井报废、出水量锐减，另一方面导致地下水水质恶化、地面沉降等环境地质问题。

南水北调中线一期工程分配给邯郸市的水量为3.53亿m3。供水目标以解决城市生活和工业缺水问题为主。同时对于缓解水资源紧缺矛盾、改善区域生态环境、提高水资源承载能力都将发挥重要的作用。在全面查清本研究区的水文地质条件、水资源现状和社会经济状况等基础上，建立地下水动态模拟模型，为开展水资源调配技术研究、确定合理的水资源调配方案、合理开发和有效保护地下水提供决策依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区为邯郸市南水北调工程中线总干渠以东区域，包括城区和市区东部13个县(见图1)，总面积约7384km2，占邯郸市面积的61.3%。邯郸市属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，区内水系可分为子牙河水系、漳卫河水系、黑龙港水系和徒骇马颊河水系四部分。

图1 研究区范围

1.2 水文地质条件

研究区在水平方向上可划分为三个水文地质大区和六个水文地质亚区(见图2)。研究区包气带岩性主要为亚砂土和亚黏土夹黏土或砂层，山前倾斜平原区岩性的颗粒略粗，中部冲湖积平原和东部冲积平原及扇间地带岩性颗粒较细。东部平原区含水层主要为第四系松散岩类孔隙含水岩组。

研究区地下水补给来源主要有大气降水入渗补给、河流渠系渗漏补给、灌溉入渗及山前侧向径流补给。本区域总的径流方向是由西向东，在中部平原区转向东北，水力坡度逐渐变小，并且径流越来越缓慢。在区域内部，由于受地下水降落漏斗的影响，地下水径流方向为自漏斗外围流向漏斗中心。在常年性流水的河流两岸，形成与河流位置相当的地下水分水岭，由分水岭向两侧径流。该区域地下水的排泄主要是人工开采。随着地下水位的下降，地下水侧向流出和潜水蒸发已逐渐减少，现仅少量分布于咸水区且地下水埋深较浅的地段。

图2 研究区水文地质分区I1—沙洺河冲洪积扇亚区；I2—沙洺河、漳河冲洪积扇扇间亚区；I3—漳河冲洪积扇亚区；II1—沙洺河、漳河交互沉积亚区；II2—漳河冲洪、湖积亚区；III—黄卫河冲积平原亚区

2 研究区地下水流数值模拟

2.1 水文地质概念模型

研究区的西部为太行山山前倾斜平原，岩性主要以粗砂、中砂为主；北部和大名县东南部、魏县西南部及临漳县的南部边界，岩性主要为中砂和细砂。其边界地下水与外部边界水流交换频繁，可概化为流量边界。馆陶县东部和魏县东南部分别以常年有水的卫运河、卫河为界，可概化为已知水头的第一类边界。区域含水层主要接受大气降水的入渗补给、河渠渗漏补给、农田灌溉回渗补给及地下水侧向径流补给。

综上所述，研究区可概化为非均质各向同性准三维非稳定地下水流系统。

2.2 数学模型

根据上述水文地质概念模型，可用如下定解条件描述地下水运动规律[1]：

式中K——渗透系数张量，m/d；

Kxx、Kyy、Kzz——主轴方向渗透系数分量，m/d；

Ss——贮水率，m-1；

W*——源汇项，m3/d；

h——地下水头，m；

H——第一类边界水头，m；

q——第二类边界上单宽流量，m3/d。

2.3 数值模型的求解方法

利用GMS中的MODFLOW模块和MAP模块进行研究区地下水流数值模拟[2- 6]。将研究区划分为150行及159列，网格大小为1000m×1000m。本次对位于开采井附近的计算网格进行了加密，加密后的网格大小为500m×500m。含水层剖面方向上分为两层，剖分后全区共划分为47700个网格。

本次以该区2001年1月1日的地下水流场作为模型的初始流场，各剖分单元的初始水位由模型自动插值获取。模型模拟时段为2001年1月—2003年12月，验证时段为2004年1月—2006年12月，总计72个应力期。

此外，在研究区内选择有代表性的48口观测井，其位置大致均匀分布于全区，以达到能较好地控制该区域地下水流场的目的。各观测井的具体位置见图3。

图3 研究区观测井分布

2.4 模型识别与验证

模型识别阶段，在研究区各行政分区内分散选择8个观测点(Q010119、Q010310、Q010502、Q010708、Q010920、Q011022、Q011101、Q011204)，将模拟地下水位与实测地下水位进行拟合，其拟合曲线见图4。

从图4中可以看出，两者的拟合程度较高，所建立的水文地质概念模型和数学模型基本合理，不同水文地质分区识别的参数结果见下表。

水文地质参数识别结果表

为进一步验证模型的可靠性，保持各分区参数不变，选取验证期内每年1月和7月的模拟水位和实测水位进行对比，图5为两者关系散点图。

模型的识别与验证结果表明：该模型能较好地模拟研究区地下水动态变化过程。

图4 模型识别期地下水位拟合曲线

图5 验证期模拟水位与实测水位散点

2.5 研究区水均衡分析

将研究区作为一个均衡区，该区水均衡的要素包括降水入渗、灌溉回渗、河渠渗漏、侧向流入、侧向流出及人工开采。利用如下公式进行均衡计算：

(2)

式中 ΔQ——地下水变化量，m3/a；

μ——含水层给水度；

F——计算区面积，km2；

Δh——水位变幅,m;

Δt——均衡时间，a-1；

Bin、Bout——边界进出水量，m3/a；

Rp——降水入渗补给量，m3/a；

Ip——灌溉回渗补给量，m3/a；

Rriv——河渠渗漏补给量，m3/a；

Dw——地下水开采量，m3/a。

由分析结果可知：降水入渗补给是研究区含水层的主要补给来源，灌溉回渗补给次之；区域地下水排泄方式以人工开采为主。2001年和2002年为枯水年份，年降水量分别为390.7mm和336.8mm，研究区超量开采地下水，含水层总补给量远小于总排泄量，导致区域地下水位下降。2003年降水量为744mm，降水入渗补给量较大，含水层总补给量大于总排泄量，区域地下水位有所回升。总体来说，在计算期内，研究区含水层总补给量小于总排泄量。为防止由于地下水位下降而引发的一系列环境地质问题，采取压采政策刻不容缓。

3 结 论

a.数值模拟结果表明：本文所建立的水文地质概念模型基本正确，选取的水文地质参数基本合理，可用于预测不同水资源配置方案下的地下水位变化情况。

b.邯郸市受水区地下水开采布局不尽合理，地下水总体上处于超采状态，当务之急是必须合理配置水资源，以达到压采的目的。

[1] 陈崇希，唐仲华.地下水流动问题的数值方法[M].武汉：中国地质大学出版社，1990.

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Numerical simulation of intake area groundwater in Handan based on GMS

DING Guohui

(China Coal Technology and Engineering Group Nanjing Design and Research Institute Co., Ltd.,Nanjing210031,China)

South-to-North Water Diversion Project is a superlarge water resources allocation strategy project to alleviate water resources shortages in Northern China. Its implementation will prominently improve water resources condition and configuration layout in Northern China. Beneficial conditions are created for protecting and repairing intake area ecological environment. Intake area in Handan is adopted as a research object. GMS software is utilized for numerical simulation on underground water in the research area. Model parameters are identified and validated, thereby implementing water balance analysis work in the whole research area. Results show that the built model is used for better simulating aquifer structure and the boundary conditions in the region. The simulated underground water level is closer to measured water level, which can be used for forecasting the underground water level change condition in the region in the future under different water source configuration plans and provide decision-making basis for underground water pressure production in the region.

South-to-North Water Diversion Project; numerical simulation; GMS; water balance; underground water pressure production

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2016.07.018

P345

B

2096- 0131(2016)07- 0060- 06