汾河二庫蓄水對(duì)蘭村水源地影響的數(shù)值模擬研究

1、汾河二庫蓄水對(duì)蘭村水源地影響的數(shù)值模擬研究 關(guān)鍵詞：地下水?dāng)?shù)值模擬modflow水源地 論文摘要：本文首先建立了汾河二庫及其下游地區(qū)水文地質(zhì)概念模型，然后根據(jù)地下水水頭長(zhǎng)觀資料識(shí)別模型的水文地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用可視化標(biāo)準(zhǔn)軟件VisualModflow，建立了地下水三維不穩(wěn)定流模型來刻畫汾河二庫地下水下游區(qū)域流動(dòng)的基本規(guī)律。運(yùn)用識(shí)別后的模型預(yù)測(cè)了未來2010年和2015年水庫不同蓄水位條件下的地下水動(dòng)態(tài)變化。模擬結(jié)果表明，汾河二庫的建成使周圍地下水流動(dòng)發(fā)生了變化，水庫蓄水造成流域地下水位的上升，但對(duì)蘭村水源地的影響有限。 汾河二庫位于蘭村泉域中西部太原市區(qū)西北約32km的汾河峽谷區(qū)，壩址下游8km為蘭

2、村水源地。蘭村飲用水水源地是太原市規(guī)模最大、產(chǎn)水量最高的水廠。汾河二庫建成以后，由于水庫滲漏嚴(yán)重，對(duì)其周邊地下水環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，研究汾河二庫蓄水以后對(duì)蘭村水源地地下水水位的影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可為當(dāng)?shù)卣侠?、可持續(xù)開發(fā)利用、保護(hù)地下水資源提供決策依據(jù)，對(duì)汾河二庫調(diào)蓄運(yùn)行具有一定的指導(dǎo)意義。筆者將從研究區(qū)地下水的形成、循環(huán)規(guī)律入手，建立地下水三維流數(shù)值模型，進(jìn)而利用該模型對(duì)區(qū)域地下水的水動(dòng)力條件進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)分析水庫在不同蓄水水位方案下對(duì)蘭村水源地地下水動(dòng)力場(chǎng)的影響。 1研究區(qū)概況 研究區(qū)面積約162km2，多年平均降雨量為484.8mm，多年平均蒸發(fā)量為1806mm，屬典型的北溫帶

3、大陸性干旱、半干旱季風(fēng)氣候。研究區(qū)地勢(shì)總趨勢(shì)是北高南低，依地貌特征分成兩部分：其北、西、西南部為侵蝕、溶蝕為主的石灰?guī)r剝蝕構(gòu)造地貌，出露地層主要為奧陶系和寒武系灰?guī)r，海拔高度為1000m2000m；東南部為盆地區(qū)洪積傾斜平原分布于西山區(qū)邊緣，出露地層主要為第三、第四系松散堆積物，海拔高度為800m830m。 研究區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件分成山區(qū)和盆地區(qū)。山區(qū)裂隙巖溶水主要接受大氣降水和河流的入滲補(bǔ)給，地表徑流滲漏主要是汾河滲漏，沿汾河羅家曲鎮(zhèn)城底、古交（寨上）小塔為兩個(gè)主要漏失段。山區(qū)巖溶裂隙水接受大氣降水和河流的入滲后，沿東、西、北三個(gè)方向向盆地方向徑流。從補(bǔ)給區(qū)至徑流排泄區(qū)，地下水由無

4、壓水向承壓水逐步過渡，排泄帶巖溶水承壓水頭由于受地形地貌及地質(zhì)條件的控制，承壓水頭從幾米到幾百米不等。天然狀態(tài)下排泄主要是以泉的形式排泄，現(xiàn)狀條件下排泄以人工開采為主。盆地孔隙水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，汾河干流段地表水的滲漏補(bǔ)給，灌溉渠系及田間灌溉的入滲補(bǔ)給，山區(qū)巖溶裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。由平原北部向南部，由東西兩側(cè)向中部徑流運(yùn)移。但由于平原地形相對(duì)較平坦，其流動(dòng)緩慢。淺層孔隙水以潛水蒸發(fā)和向下游徑流，現(xiàn)狀條件下，由于長(zhǎng)期大量超采，形成地下水位下降漏斗，地下水由四周向漏斗中心徑流，以人工開采的形式集中排泄。 2數(shù)值模型的構(gòu)建 2.1水文地質(zhì)概念模型 根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)鉆孔資料及地下水儲(chǔ)存條件

5、，以邊山斷裂帶為分界線將研究區(qū)分為兩個(gè)區(qū)。汾河二庫所在區(qū)為奧陶系及部分寒武系巖層出露，屬灰?guī)r裸露區(qū)，由于灰?guī)r厚度較大，故將其概化為一層。蘭村水源地所在區(qū)地表為第四系覆蓋物的覆蓋，由于其透水性明顯弱于其下面的奧陶系灰?guī)r，故將該區(qū)在垂向上概化為兩層，第一層為弱透水層，第二層為承壓含水層。含水層均為奧陶系巖溶介質(zhì)，概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，同一參數(shù)分區(qū)內(nèi)含水層可視為均質(zhì)，水流服從達(dá)西定律。根據(jù)區(qū)內(nèi)的地下水動(dòng)力場(chǎng)特征，研究區(qū)所有邊界均為第二類邊界。受自然條件及人為開采地下水的影響，研究區(qū)地下水流為非穩(wěn)定流。根據(jù)實(shí)際長(zhǎng)觀系列資料，以2003年1月1日的水頭分布作為研究區(qū)的初始水位。 2.2數(shù)學(xué)模型 根據(jù)

6、模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型，建立了計(jì)算區(qū)內(nèi)水位分布數(shù)學(xué)模型。2.3模型剖分 研究區(qū)的總面積為162km2，在平面上將其剖分為209行，184列，在垂向上分為兩層，其網(wǎng)格為矩形，共計(jì)76912個(gè)單元格。其中，有效單元格45465個(gè)研究區(qū)的總面積為162km2，在平面上將其剖分為209行，184列，在垂向上分為兩層，其網(wǎng)格為矩形，共計(jì)76912個(gè)單元格。其中，有效單元格45465個(gè)，無效單元格31447個(gè)，每個(gè)單元格的平面面積約為0.007km2。 2.4均衡要素的確定 地下水系統(tǒng)的均衡要素是指其補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)，均衡區(qū)為整個(gè)研究區(qū)。在均衡區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給項(xiàng)主要包括有大氣降水入滲補(bǔ)給、地下水側(cè)向

7、徑流補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給和二庫滲漏補(bǔ)給；地下水排泄項(xiàng)主要包括有人工開采和徑流排泄。均衡要素計(jì)算的目的在于確定地下水的各個(gè)補(bǔ)給排泄項(xiàng)隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，為建立地下水流數(shù)值模擬模型準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。各均衡要素計(jì)算結(jié)果如表1。 表1水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖 各均衡要素大氣降水入滲補(bǔ)給河道滲漏補(bǔ)給汾河二庫滲漏補(bǔ)給量人工開采量側(cè)向徑流補(bǔ)給量（萬m3/a）1487.21101384666.8排泄量（萬m3/a）5107.61399.23模型模擬結(jié)果及討論 3.1模型調(diào)較與驗(yàn)證 根據(jù)研究區(qū)地下水位觀測(cè)資料的實(shí)際情況，選取2003年1月1日至2003年6月30日作為模型識(shí)別時(shí)段，歷時(shí)半年，計(jì)算時(shí)段按應(yīng)力期進(jìn)行劃分。在每個(gè)

8、應(yīng)力期內(nèi)的開采量和補(bǔ)給量不隨時(shí)間變化，分10個(gè)步長(zhǎng)來計(jì)算研究區(qū)內(nèi)的水位。 研究區(qū)水平方向分成四個(gè)參數(shù)分區(qū)：區(qū)為西部和北部巖溶裸露地區(qū)，是本研究區(qū)的主要補(bǔ)給區(qū)；區(qū)為沿河及河谷地區(qū)，滲透性較強(qiáng)；區(qū)為薄層黃土覆蓋區(qū)，受山前斷裂帶阻隔，水位雍高，是本區(qū)主要排泄區(qū)；區(qū)為石炭二疊系出露，與奧陶系相比滲透性能稍弱。 利用試錯(cuò)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，經(jīng)過反復(fù)調(diào)參，得到較為理想的模型識(shí)別結(jié)果和合理的參數(shù)，各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)見表2。 表2含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)表 地層序號(hào)參數(shù)分區(qū)滲透系數(shù)（m/d）給水度貯水率XYZ上層含水層42.442.480.25362.362.380.22516.316.380.13736.3

9、36.380.137下層含水層42.442.480.00001262.362.380.00001346.646.680.00002036.736.780.000013根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算觀測(cè)孔所在單元的水位，并和實(shí)際觀測(cè)的水位進(jìn)行對(duì)比，從而反求相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。由于研究區(qū)內(nèi)的觀測(cè)點(diǎn)較少，本次計(jì)算選用蘭村水源地代表性水位觀測(cè)孔S1進(jìn)行水位擬合，觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位和計(jì)算水位的變化趨勢(shì)基本一致本次識(shí)別各時(shí)段長(zhǎng)觀孔的水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合誤差（絕對(duì)誤差）小于0.1m的達(dá)到80%，符合識(shí)別要求。上述模擬結(jié)果表明，正負(fù)誤差比較均勻，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，模擬的精度和效果是理想的。 為進(jìn)一步驗(yàn)證識(shí)別后的模型

10、和水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性，用校正后的模型及參數(shù)組合計(jì)算出S1觀測(cè)點(diǎn)的地下水位，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)水位相比較，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)計(jì)算區(qū)地下水位觀測(cè)資料的實(shí)際情況，選擇2003年7月1日至2003年12月31日期間的水位觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。 本次檢驗(yàn)各時(shí)段水位擬合誤差小于0.1m達(dá)85%，符合驗(yàn)證要求。結(jié)果表明通過水文地質(zhì)條件的概化、邊界條件的確定、水文地質(zhì)參數(shù)的選取以及源匯項(xiàng)的處理后，所建的數(shù)學(xué)模型較好地反映了研究區(qū)的水文地質(zhì)特征，該模型可用于地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)。 3.2預(yù)測(cè)方案與結(jié)果分析 （1）模擬方案 為了能模擬二庫蓄水以后對(duì)蘭村水源地的影響，采取了兩種模擬方案，即在現(xiàn)狀年蓄水位和正常年蓄水

11、位下，預(yù)測(cè)分析研究區(qū)巖溶地下水2010年和2015年的流場(chǎng)變化情況。 表3模擬方案 不同方案蓄水位方案一現(xiàn)狀年水位(879m)方案二正常蓄水位（905.7m）（2）結(jié)果分析 在現(xiàn)狀年蓄水位下，各預(yù)測(cè)年地下水位降落漏斗以水源地為中心向四周擴(kuò)展。2010年研究區(qū)內(nèi)水位升幅主要變化在0m30m之間，在蘭村水源地地下水位降落漏斗一帶水位降幅最大，可達(dá)30m，以770m等水位線所圍成的面積為6.9km2；2015年與2010年相比，水位在水源地周圍稍有減低，以770m等水位線所圍成的面積為7.2km2。 在方案二下，與方案一相比，各預(yù)測(cè)年地下水位在二庫庫區(qū)明顯上升，蘭村水源地附近水位降幅減小。2010年研究區(qū)內(nèi)水位降幅主要變化較方案一，二趨緩，在蘭村水源地地下水位降落漏斗內(nèi)以770m等水位線所圍成的面積為6.8km2；2015年與2010年相比，水位在水源地周圍稍有減低，以770m等水位線所圍成的面積維持不變，二庫庫區(qū)地下水位明顯上升。 參考文獻(xiàn) 1馮玉明.泉棗溝水源地地下水保護(hù)區(qū)劃分報(bào)告R.太原，2009. 2李俊亭.地下水流數(shù)值模擬M.北京地質(zhì)出版社，1989. 3周念清，朱蓉，朱學(xué)愚.MODFLOW在宿遷市地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用