GMS在地下水流场预测中的应用研究

张福然，尤传誉，陆榕彬，王建中

（1.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110006；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130012；3.中国水利水电科学研究院，北京100038）

随着地区社会经济的不断发展，对于地下水资源开发利用的需求不断增加，但由于缺乏统筹安排，没有形成协调统一的地下水资源管理体制，导致了土地盐渍化、地下水漏斗、地面沉降等各类环境问题频发。因此，对于制定合理的地下水资源开采计划，预测不同开采条件下地下水流场变化情况是至关重要的。

近年来对于地下水数值模拟技术在我国迅速发展，常用地下水数值模拟的软件有MODFLOW，GMS，MT3D 等[1-5]，邵 景 力、崔 亚 莉 等 人 利 用MODFLOW 对华北平原地下水资源建立了地下水非稳定流三维模型，为华北平原地下水水资源可持续开采利用、科学管理提供理论性依据[6，7]；Qiu 等人利用GMS 建立了吉林城区河谷平原区的地下水数值模型，对河谷平原区的地下水水量进行了评价[8]；何小亮等人对榆溪河流域建立三维地下水流数值模型，对地下水资源量进行了评价计算[9]。文中以内蒙古东部某区地下水含水层为例，采用GMS 软件MODFLOW 模块，对不同开采条件下地下水流场变化情况进行预测。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古东部，面积约为5700 km2，研究区地下水类型主要以第四系砂砾石孔隙水为主，含水层上部覆盖有一层0.6～1.0 m 的黑色砂质亚粘土，砂砾石层是该类地下水的最主要含水层，地下水埋深一般在2.0～6.0 m，单井涌水量差异较大，河谷平原单井涌水量常在1000 m3/d。地下水补给来源主要为大气降水及来自研究区北部山区的侧向补给，地下水径流交替条件强烈，水质好。

2 模型建立

2.1 水文地质模型

研究区共存在潜水含水层、承压水含水层两个含水层，由两者之间的弱透水层相连接，三者之间天然水力联系本就比较密切，再加上近几十年来大量水井的开凿也人为地大大加强了两个含水层之间的联系，使得潜水位与承压水位基本趋于一致，很难区分，可以将其近似地处理为一个具有统一水力联系的含水层系统。该含水层系统的水面相对比较平缓，水流也基本上呈水平方向流动，可以忽略渗流速度的垂向分量大小，只考虑水平方向上的渗流分速度。研究区内松散沉积物的岩性无论是在水平方向还是在垂直方向上都有比较大的变化（非均质），但是在同一点上，渗透系数的大小与方向无关（各向同性）。综上所述，将研究区地下水含水层概化为非均质、各向同性、二维非稳定流系统，根据实际条件将研究区边界划分为水头边界及流量边界，按照不同水文地质单元将研究区划分为20个不同的水文地质参数单元。

2.2 数学模型

根据建立的研究区水文地质概念模型，采用下式进行描述：

2.3 模型求解

对于建立的地下水数值模型应用GMS 软件中的MODFLOW 模块，利用有限差分法进行求解。此次模拟选用的辅助模块及软件包主要有MAP，Grid，Scatter Points，River，Wells，Recharge等。

2.3.1 参数选取

利用前人工作基础以及水文地质试验资料，对研究区模型所需的渗透系数、给水度、降雨入渗系数等水文地质参数进行赋值，采用水均衡法，对研究区的源汇项数据进行计算。

2.3.2 识别及验证

1）识别期。此次模拟的识别期选为2015年1月1日至2015年12月31日，共计365 d。识别阶段时间离散共选定12个应力期，5 d 为一个时间步长。采用Grid 模块对模拟区进行剖分，模拟区共剖分成15261个活动单元格。

地下水初始流场根据不同时期的水文地质钻孔、人饮井钻孔、现阶段地下水位统测资料以及地表高程等数据，用综合分析的方法绘制。对于模型识别期的初始水文地质参数，采用前人对模拟区进行的抽水试验以及经验参数，根据潜水含水层、弱透水层和承压水含水层厚度所占的比例予以计算。模拟区具有9 眼地下水长期观测孔，此次模拟采用长观井长期观测值与模型计算值拟合的方式，对模型进行检验。

通过不断调整各分区水文地质参数，以提高长观井观测值与模型计算值的拟合程度，此次计算值与观测值的误差设定为0.2 m，衡量模型的置信度为95%，即长期观测井的观测值与模型计算值误差小于0.2 m 的时间点位在95%以上。

2）验证期。此次对模型的验证采用2016年1月1日至2016年12月31日，共计366 d，空间和时间上的离散与模型识别期完全相同。在模型验证阶段，保持水文地质参数分区和水文地质参数值与识别期模型一致，而模型的源汇项等其他数据，则更新为验证时段数据。

通过对研究区地下水数值模型的识别验证，发现地下水位长观孔观测值与模型的计算值拟合程度较好，说明此次建立的模型能够基本反映出研究区实际的水文地质条件，分区以及参数的选取较为合理，可以用来对未来地下水流场进行预报。

3 地下水流场预测

此次模型预测主要为将未来年份的地下水预测开采量及其他源汇项数据，输入至所建立的地下水数学模型中，通过模型的计算，反映出地下水含水层在不同地下水开采方案下的地下水水位的变化情况。

3.1 预测方案

在充分考虑研究区经济增长、地下水用水量、农业灌区分布、工业用水区分布等多项指标的基础上，制定了3 套预测方案：

方案一：该方案为在现状开采量下进行，开采区段在全区均匀分布，不考虑大型农业灌区及工矿企业的集中开采情况，预测期（2018—2030年）地下水开采量采用2016年地下水开采量数据，预测地下水含水层流场的变化响应状况。

方案二：该方案为考虑一些大型农田灌区以及工业园区具有地下水用水需求的基础上，将预测期（2018—2030年）地下水开采量，确定在现状开采量基础上每年增长2%，预测地下水含水层流场的变化响应状况。

方案三：该方案为考虑一些大型农田灌区以及工业园区具有地下水用水需求的基础上，将预测期（2018—2030年）地下水开采量，确定在现状开采量基础上每年增长5%，预测地下水含水层流场的变化响应状况。

3.2 结果分析

1）方案一。现状开采条件下，模拟区开采强度为0.00001834 m/d 采用预测期全部相同的开采强度，其他源汇项采用对多年连续降水系列的方式进行。通过模拟，得出地下水位在现状开采条件下呈波动变化，逐步上升，并趋于平稳，地下水位上升幅度约1.6 m，说明该点位所在区域仍有开采潜力待开发。

2）方案二。通过模拟，得出2号点位地下水位随时间变化，呈现出地下水位在现状开采条件逐年增加2%的情形下，会呈锯齿状波动，没有大幅度升高或降低的趋势，水位变化较为平稳。

3）方案三。通过模拟，得出2号点位地下水位随时间变化，呈现出地下水位在现状开采条件逐年增加5%的情形下，会呈锯齿状波动且呈下降趋势，各点位地下水位在预测期内下降幅度可达1.5 m左右。

通过方案一（现状开采条件）与方案二（每年开采量增速2%的条件）进行对比，发现两个方案均具有开采潜力，相比较而言，方案二的开采量会更大一些，为经济社会的发展提供更加充足的水量。

通过方案三（每年开采量增速5%的条件）与方案二（每年开采量增速2%的条件）进行对比，发现在方案三开采方案下地下水含水层会形成地下水开采降落漏斗，且随时间的延续，降落漏斗范围会增大，地下水位会有较大幅度的下降，因此说明方案二的开采量较为合理。

4 结语

1）在对水文地质条件等情况全面了解的基础上，建立了水文地质概念模型和数学模型，利用GMS 软件MODFLOW 模块对数学模型的识别验证求解，使模型能够较为真实地体现研究区地下水含水层分布情况。

2）通过内蒙古某地地下水含水层流场在不同开采量条件的变化情况发现，该区域在现状开采强度（0.00001834 m/d）的基础上，以每年2%的增长幅度条件下，地下水位变化较为平稳，没有大幅度升高或降低的趋势，为今后该地区地下水的开发利用提供了技术支持。