辽河源头区梨树段地下水流数值模拟探析

高 健，李 松

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 水文地质概念模型

在准确认识研究区水文地质条件基础上进行地下水流场绘制，情况往往十分复杂，这就要求对问题进行分解和概化，建立水文地质概念模型，进而建立相应数学模型并求解。

研究区为辽河源头区梨树县[1]，其平原区浅层地下水流系统符合能量与质量守恒定律，同时在常温常压下运动符合达西定律。由于研究区面积较大，高程起伏比较平缓，从整个空间上看地下水流整体以平面运动为主，垂向运动为辅，故将其概化为二维流；地下水系统的输出输入随时间、空间变化，将其概化为非稳定流。水文地质参数随区域变化而变化，系统的非均质性得到充分体现，将其概化为非均质各向同性介质。基于以上分解、概化，此次研究水文地质概念模型定义为各向同性非均质的潜水二维非稳定流。

2 地下水流数学模型与求解

根据水文地质概念模型[2]，建立相应数学模型：

式中：k——含水层渗透系数，m/d；H——地下水位高程，m；Hb——含水层底板高程，m；H-Hb——含水层绝对厚度；W——补给排泄项，m/d；u——含水层给水度；H0——初始水位高程，m；H1——第一类边界在t时刻水位高程，m；——第二类边界水头的法向导数；q（x，y，t）——第二类边界在t时刻的单宽流量，m2/d。

针对地下水流数学模型采用GMS软件中的MODFLOW[3]概念模型法进行求解。采用GIS工具构建MODFLOW计算模型[4]，模型的源汇项、几何尺寸、水力学参数和边界条件在概念模型中完成，然后分解网格，并把概念模型导入MODFLOW计算模型中，进而进行识别、验证，分析地下水流场的变化规律等一系列操作程序。

由于资料短缺，此次研究选取资料完整性相对较好的2010—2011年度进行模拟，选定2010年10月6日作为模拟起始时间，2011年12月31日为模拟终止时间，期间分2个阶段：第一阶段作为识别期，第二阶段作为验证期。每个时段中，所有外部源汇项的强度均保持不变。此次研究采用GMS中的3D网格模块进行网格分解，将研究区分解为74×92个单元格，其中有效单元格为3 569个，计算面积为3 142.6 km2。

2.1 模型识别

为检验上述水文地质概念模型是否合理，研究区实际地下水流的特点能否真实地呈现，需对模型进行识别[5]，此次研究选取资料完整性相对较好的2010年10月6日作为模型模拟的起始时间，其流场作为初始流场；2010年12月31日为终止时间，其流场作为计算流场，用于识别研究区的地质参数，识别阶段分为3个时段，每个时段为一个相应自然月，计算时间步长为5 d。在每个步长中，所有外部源汇项的强度均保持不变。

通过参考各水文地质资料文献并精心调整参数来拟合流场，实测地下水流场与计算的地下水流场基本可以拟合，拟合图如图1所示。

图1 识别阶段井孔水位拟合图

从图1可以看出：模拟的水位和潜水含水层观测井水位大体上是一致的，潜水观测值与水位计算值拟合的平均绝对误差为0.337 m，其中，在置信区间以内且误差小于0.5 m的观测井占总观测井的81.8%，拟合结果较好，说明已建立的水文地质概念模型基本真实地呈现了该区实际地下水流的运动状态。

2.2 模型验证

各水文地质参数在识别阶段得到初步确定，但还需要进一步验证。由于识别阶段只选取了3个时段，因此，取一个完整的水文年作为验证阶段，即从2011年1月1日到2011年12月31日。主要对各水文地质参数和源汇项进行验证，以验证模型的仿真性与所求参数的精确度。

选取2011年1月1日的流场图作为初始流场，2011年12月31日的流场图作为模拟计算流场，用于验证研究区的地质参数，验证阶段分12个时段，每个时段为一个相应自然月，计算的时间步长为5 d。在每个步长中，所有外部源汇项的强度均保持不变。

结果得出，潜水含水层的观测水位与模型模拟出来的计算水位基本上拟合。由此说明，含水层结构的分析、水文地质参数的选取、边界条件的概化基本上是合理的，已建立的水文地质概念模型较为真实地展示了研究区地下水系统的状态，可以用其进行地下水流系统的预测。

3 结语

在研究区水文地质条件确立的基础上，建立平原区浅层地下水流的水文地质概念模型，采用国际通用的可视化软件GMS对模型进行求解，并且利用实测资料对模型进行初步识别、验证，拟合效果较好，由此证明了所建立的地下水流模型基本符合实际地下水运动特征。