基于FEFLOW傍河水源地地下水?dāng)?shù)值模擬

李雪艷，梁立章，聶大鵬

（1.遼寧省江河流域管理局,遼寧 沈陽(yáng) 110003；2.遼寧省防汛抗旱指揮部,遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.遼寧省水文局營(yíng)口分局,遼寧 營(yíng)口 115000）

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鐵嶺老城區(qū)西南方向13 km的鐵嶺縣凡河鎮(zhèn)，水源地位置在凡河下游榛子嶺水庫(kù)以下的賀家屯-南坨子-藥王廟一帶，取水位置打在凡河右岸漫灘及階地上。

該區(qū)地下水賦存于凡河河谷，一般情況下地層顆粒變化在水平方向上從上游由粗到細(xì)，但在該區(qū)到下游反而含水層顆粒漸粗，水量也較上游豐富。

2 模擬計(jì)算目的層及其水力特征

模擬計(jì)算區(qū)上部孔隙含水層介質(zhì)為第四系細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂為主，局部地段有圓礫及卵石層，含水層厚度一般為16～32 m，上游地段富水性一般，滲透系數(shù)15~25 m/d，下游富水性較好，滲透系數(shù)較上游大，為25~50 m/d；故將計(jì)算目的層概化為非均質(zhì)各向同性含水層。根據(jù)對(duì)模擬計(jì)算區(qū)內(nèi)地表水體及地下水位的綜合分析，模擬目的層地下水由東南向西北沿河道運(yùn)移且與地形坡度方向及河水流向一致，在河下游地區(qū)為兩側(cè)流向河谷，地下水天然水力坡度為0.086%~0.16%。模擬計(jì)算區(qū)地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守衡定律和能量守衡定律，在常溫常壓下地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，地下水運(yùn)動(dòng)概化為平面二維非穩(wěn)定流。

3 研究區(qū)數(shù)值模擬

3.1 邊界條件的概化

1）垂向邊界概化。模擬計(jì)算區(qū)目的層頂部以潛水面為界，通過(guò)包氣帶與外界進(jìn)行水量交換，如地下水接受大氣降水入滲、河水滲漏補(bǔ)給，潛水蒸發(fā)排泄及灌溉回滲補(bǔ)給等。底部為粘泥，透水性及滲透性差，概化為隔水邊界。

2）側(cè)向邊界概化。根據(jù)論證范圍圖及區(qū)域地表水體及地下水位情況，東南部老河灣~賀家屯一帶接受地下水的側(cè)向補(bǔ)給，概化為第二類流量補(bǔ)給邊界；西北部強(qiáng)家窩堡一帶地下水向河谷流動(dòng)，概化為第二類流量排泄邊界，中部河道地區(qū)接受地表水體滲透補(bǔ)給，概化為第三類混合邊界，混合邊界以地表水滲透補(bǔ)給為主，以河流水位及河床底部到其地下含水層的距離為輔；其余論證區(qū)邊界部分與區(qū)域地下水流向大致相當(dāng)，概化為零流量邊界。

3.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型分析，將該區(qū)地下水流系統(tǒng)概化為非均質(zhì)各向同性，二維非穩(wěn)定地下水流數(shù)學(xué)模型，可采用如下微分方程的定解問(wèn)題進(jìn)行描述：

3.3 數(shù)學(xué)模型的求解

這次計(jì)算采用德國(guó)WASY GMBH公司，開發(fā)的基于迦遼金有限元方法的地下水流數(shù)值模擬系統(tǒng) FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）軟件，此軟件是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。

空間離散。模擬區(qū)面積為52.96 km2，其中有效計(jì)算區(qū)面積31.06 km2，無(wú)論有效還是無(wú)效計(jì)算區(qū)均采用FEFLOW進(jìn)行自動(dòng)三角網(wǎng)格剖分，模擬計(jì)算區(qū)剖分單元445個(gè)，接點(diǎn)252個(gè)，剖分時(shí)將抽水井放在剖分單元的接點(diǎn)上，抽水井周圍加密剖分。

時(shí)間離散。模擬期為一個(gè)水文年（2009年），共365 d，以一個(gè)月為一個(gè)時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段包括若干個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)為模型。

3.4 模型的識(shí)別及校正

選擇2009年1—6月作為模型的識(shí)別時(shí)段，該時(shí)段歷經(jīng)枯水期和平水期，流場(chǎng)的特征能較好地反映出含水層系統(tǒng)的特性，選擇2009年7—12月進(jìn)行模型的校正，選取2009年12月末的流場(chǎng)進(jìn)行擬合。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表1 校正后模擬計(jì)算分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)值表

表2 模擬期有效計(jì)算區(qū)地下水均衡計(jì)算成果表 104m3

從表中可以得出均衡分析結(jié)果：模擬期內(nèi)水量為負(fù)均衡，是由于水源開采原因?qū)е赂鱾€(gè)井所在的小區(qū)域產(chǎn)生漏斗，而消耗區(qū)內(nèi)部分地下水儲(chǔ)存量所致，但其消耗量并不大，不影響正常開采。在補(bǔ)給項(xiàng)中降水入滲及河水入滲為該區(qū)地下水的兩大主要補(bǔ)給來(lái)源，分別占總補(bǔ)給量的40.66%及50.39%，尤其河水入滲補(bǔ)給占總補(bǔ)給量的50%以上。排泄項(xiàng)則主要為區(qū)內(nèi)水源井的集中開采及其余零散人工開采。

根據(jù)地下水資源數(shù)值法計(jì)算技術(shù)要求，一般情況下，控制觀測(cè)井地下水水位的觀測(cè)值與模擬計(jì)算值的擬合誤差，應(yīng)小于擬合計(jì)算期內(nèi)水位變化值的10%，該區(qū)計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)基本吻合，實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位擬合誤差在允許范圍之內(nèi)，表明所進(jìn)行的含水層結(jié)構(gòu)分析、邊界條件概化，以及水文地質(zhì)參數(shù)和源匯項(xiàng)的選取都是合理的，所建立的數(shù)學(xué)模型較為真實(shí)地刻畫了研究區(qū)地下水系統(tǒng)的特征，仿真性強(qiáng)，可以運(yùn)用該模型進(jìn)行模擬計(jì)算區(qū)地下水資源的預(yù)測(cè)。

3.5 模型預(yù)測(cè)

水源地按新增開采量1.92×104m3/d，進(jìn)行5年期預(yù)測(cè)。根據(jù)運(yùn)行結(jié)果，第一年水位下降較快而后4年下降速度大致相當(dāng)，下降幅度在4.42~7.08 m之間，運(yùn)行5年后水位趨于穩(wěn)定，并隨著降水量的豐枯交替，水位相應(yīng)的升降。除離其它井距較遠(yuǎn)的井單獨(dú)形成漏斗外，其他開采井群所在區(qū)域內(nèi)形成一定范圍內(nèi)的降落漏斗。從流場(chǎng)演變趨勢(shì)看，在前5年水位持續(xù)下降期間，流場(chǎng)也在逐漸形成穩(wěn)定的漏斗區(qū)，中后期隨著水位穩(wěn)定后，流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，區(qū)域整體的水位僅隨豐、枯水年的交替升降而流場(chǎng)形狀變化不大。

4 結(jié)論

1）通過(guò)模型的識(shí)別與驗(yàn)證說(shuō)明，F(xiàn)EFLOW對(duì)傍河區(qū)地下水源數(shù)值模擬，具有較高的仿真度，可以用于地下水的預(yù)測(cè)。

2）通過(guò)模型預(yù)測(cè)，新增開采量1.92×104m3/d的情況下，只是第一年地下水出現(xiàn)負(fù)均衡狀態(tài)，但是一年后地下水補(bǔ)排達(dá)到了均衡，雖然形成一定的漏斗但是漏斗基本穩(wěn)定，沒(méi)有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)。