GMS在地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究

張福然，尤傳譽(yù)，陸榕彬，王建中

（1.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110006；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130012；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

隨著地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于地下水資源開(kāi)發(fā)利用的需求不斷增加，但由于缺乏統(tǒng)籌安排，沒(méi)有形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的地下水資源管理體制，導(dǎo)致了土地鹽漬化、地下水漏斗、地面沉降等各類(lèi)環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)。因此，對(duì)于制定合理的地下水資源開(kāi)采計(jì)劃，預(yù)測(cè)不同開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)變化情況是至關(guān)重要的。

近年來(lái)對(duì)于地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)在我國(guó)迅速發(fā)展，常用地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件有MODFLOW，GMS，MT3D 等[1-5]，邵 景 力、崔 亞 莉 等 人 利 用MODFLOW 對(duì)華北平原地下水資源建立了地下水非穩(wěn)定流三維模型，為華北平原地下水水資源可持續(xù)開(kāi)采利用、科學(xué)管理提供理論性依據(jù)[6，7]；Qiu 等人利用GMS 建立了吉林城區(qū)河谷平原區(qū)的地下水?dāng)?shù)值模型，對(duì)河谷平原區(qū)的地下水水量進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8]；何小亮等人對(duì)榆溪河流域建立三維地下水流數(shù)值模型，對(duì)地下水資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)計(jì)算[9]。文中以內(nèi)蒙古東部某區(qū)地下水含水層為例，采用GMS 軟件MODFLOW 模塊，對(duì)不同開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部，面積約為5700 km2，研究區(qū)地下水類(lèi)型主要以第四系砂礫石孔隙水為主，含水層上部覆蓋有一層0.6～1.0 m 的黑色砂質(zhì)亞粘土，砂礫石層是該類(lèi)地下水的最主要含水層，地下水埋深一般在2.0～6.0 m，單井涌水量差異較大，河谷平原單井涌水量常在1000 m3/d。地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及來(lái)自研究區(qū)北部山區(qū)的側(cè)向補(bǔ)給，地下水徑流交替條件強(qiáng)烈，水質(zhì)好。

2 模型建立

2.1 水文地質(zhì)模型

研究區(qū)共存在潛水含水層、承壓水含水層兩個(gè)含水層，由兩者之間的弱透水層相連接，三者之間天然水力聯(lián)系本就比較密切，再加上近幾十年來(lái)大量水井的開(kāi)鑿也人為地大大加強(qiáng)了兩個(gè)含水層之間的聯(lián)系，使得潛水位與承壓水位基本趨于一致，很難區(qū)分，可以將其近似地處理為一個(gè)具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水層系統(tǒng)。該含水層系統(tǒng)的水面相對(duì)比較平緩，水流也基本上呈水平方向流動(dòng)，可以忽略滲流速度的垂向分量大小，只考慮水平方向上的滲流分速度。研究區(qū)內(nèi)松散沉積物的巖性無(wú)論是在水平方向還是在垂直方向上都有比較大的變化（非均質(zhì)），但是在同一點(diǎn)上，滲透系數(shù)的大小與方向無(wú)關(guān)（各向同性）。綜上所述，將研究區(qū)地下水含水層概化為非均質(zhì)、各向同性、二維非穩(wěn)定流系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際條件將研究區(qū)邊界劃分為水頭邊界及流量邊界，按照不同水文地質(zhì)單元將研究區(qū)劃分為20個(gè)不同的水文地質(zhì)參數(shù)單元。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)建立的研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，采用下式進(jìn)行描述：

2.3 模型求解

對(duì)于建立的地下水?dāng)?shù)值模型應(yīng)用GMS 軟件中的MODFLOW 模塊，利用有限差分法進(jìn)行求解。此次模擬選用的輔助模塊及軟件包主要有MAP，Grid，Scatter Points，River，Wells，Recharge等。

2.3.1 參數(shù)選取

利用前人工作基礎(chǔ)以及水文地質(zhì)試驗(yàn)資料，對(duì)研究區(qū)模型所需的滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值，采用水均衡法，對(duì)研究區(qū)的源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 識(shí)別及驗(yàn)證

1）識(shí)別期。此次模擬的識(shí)別期選為2015年1月1日至2015年12月31日，共計(jì)365 d。識(shí)別階段時(shí)間離散共選定12個(gè)應(yīng)力期，5 d 為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。采用Grid 模塊對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行剖分，模擬區(qū)共剖分成15261個(gè)活動(dòng)單元格。

地下水初始流場(chǎng)根據(jù)不同時(shí)期的水文地質(zhì)鉆孔、人飲井鉆孔、現(xiàn)階段地下水位統(tǒng)測(cè)資料以及地表高程等數(shù)據(jù)，用綜合分析的方法繪制。對(duì)于模型識(shí)別期的初始水文地質(zhì)參數(shù)，采用前人對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行的抽水試驗(yàn)以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)潛水含水層、弱透水層和承壓水含水層厚度所占的比例予以計(jì)算。模擬區(qū)具有9 眼地下水長(zhǎng)期觀測(cè)孔，此次模擬采用長(zhǎng)觀井長(zhǎng)期觀測(cè)值與模型計(jì)算值擬合的方式，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。

通過(guò)不斷調(diào)整各分區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，以提高長(zhǎng)觀井觀測(cè)值與模型計(jì)算值的擬合程度，此次計(jì)算值與觀測(cè)值的誤差設(shè)定為0.2 m，衡量模型的置信度為95%，即長(zhǎng)期觀測(cè)井的觀測(cè)值與模型計(jì)算值誤差小于0.2 m 的時(shí)間點(diǎn)位在95%以上。

2）驗(yàn)證期。此次對(duì)模型的驗(yàn)證采用2016年1月1日至2016年12月31日，共計(jì)366 d，空間和時(shí)間上的離散與模型識(shí)別期完全相同。在模型驗(yàn)證階段，保持水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和水文地質(zhì)參數(shù)值與識(shí)別期模型一致，而模型的源匯項(xiàng)等其他數(shù)據(jù)，則更新為驗(yàn)證時(shí)段數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型的識(shí)別驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)地下水位長(zhǎng)觀孔觀測(cè)值與模型的計(jì)算值擬合程度較好，說(shuō)明此次建立的模型能夠基本反映出研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，分區(qū)以及參數(shù)的選取較為合理，可以用來(lái)對(duì)未來(lái)地下水流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3 地下水流場(chǎng)預(yù)測(cè)

此次模型預(yù)測(cè)主要為將未來(lái)年份的地下水預(yù)測(cè)開(kāi)采量及其他源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)，輸入至所建立的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型中，通過(guò)模型的計(jì)算，反映出地下水含水層在不同地下水開(kāi)采方案下的地下水水位的變化情況。

3.1 預(yù)測(cè)方案

在充分考慮研究區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、地下水用水量、農(nóng)業(yè)灌區(qū)分布、工業(yè)用水區(qū)分布等多項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，制定了3 套預(yù)測(cè)方案：

方案一：該方案為在現(xiàn)狀開(kāi)采量下進(jìn)行，開(kāi)采區(qū)段在全區(qū)均勻分布，不考慮大型農(nóng)業(yè)灌區(qū)及工礦企業(yè)的集中開(kāi)采情況，預(yù)測(cè)期（2018—2030年）地下水開(kāi)采量采用2016年地下水開(kāi)采量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)地下水含水層流場(chǎng)的變化響應(yīng)狀況。

方案二：該方案為考慮一些大型農(nóng)田灌區(qū)以及工業(yè)園區(qū)具有地下水用水需求的基礎(chǔ)上，將預(yù)測(cè)期（2018—2030年）地下水開(kāi)采量，確定在現(xiàn)狀開(kāi)采量基礎(chǔ)上每年增長(zhǎng)2%，預(yù)測(cè)地下水含水層流場(chǎng)的變化響應(yīng)狀況。

方案三：該方案為考慮一些大型農(nóng)田灌區(qū)以及工業(yè)園區(qū)具有地下水用水需求的基礎(chǔ)上，將預(yù)測(cè)期（2018—2030年）地下水開(kāi)采量，確定在現(xiàn)狀開(kāi)采量基礎(chǔ)上每年增長(zhǎng)5%，預(yù)測(cè)地下水含水層流場(chǎng)的變化響應(yīng)狀況。

3.2 結(jié)果分析

1）方案一。現(xiàn)狀開(kāi)采條件下，模擬區(qū)開(kāi)采強(qiáng)度為0.00001834 m/d 采用預(yù)測(cè)期全部相同的開(kāi)采強(qiáng)度，其他源匯項(xiàng)采用對(duì)多年連續(xù)降水系列的方式進(jìn)行。通過(guò)模擬，得出地下水位在現(xiàn)狀開(kāi)采條件下呈波動(dòng)變化，逐步上升，并趨于平穩(wěn)，地下水位上升幅度約1.6 m，說(shuō)明該點(diǎn)位所在區(qū)域仍有開(kāi)采潛力待開(kāi)發(fā)。

2）方案二。通過(guò)模擬，得出2號(hào)點(diǎn)位地下水位隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)出地下水位在現(xiàn)狀開(kāi)采條件逐年增加2%的情形下，會(huì)呈鋸齒狀波動(dòng)，沒(méi)有大幅度升高或降低的趨勢(shì)，水位變化較為平穩(wěn)。

3）方案三。通過(guò)模擬，得出2號(hào)點(diǎn)位地下水位隨時(shí)間變化，呈現(xiàn)出地下水位在現(xiàn)狀開(kāi)采條件逐年增加5%的情形下，會(huì)呈鋸齒狀波動(dòng)且呈下降趨勢(shì)，各點(diǎn)位地下水位在預(yù)測(cè)期內(nèi)下降幅度可達(dá)1.5 m左右。

通過(guò)方案一（現(xiàn)狀開(kāi)采條件）與方案二（每年開(kāi)采量增速2%的條件）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方案均具有開(kāi)采潛力，相比較而言，方案二的開(kāi)采量會(huì)更大一些，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供更加充足的水量。

通過(guò)方案三（每年開(kāi)采量增速5%的條件）與方案二（每年開(kāi)采量增速2%的條件）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在方案三開(kāi)采方案下地下水含水層會(huì)形成地下水開(kāi)采降落漏斗，且隨時(shí)間的延續(xù)，降落漏斗范圍會(huì)增大，地下水位會(huì)有較大幅度的下降，因此說(shuō)明方案二的開(kāi)采量較為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在對(duì)水文地質(zhì)條件等情況全面了解的基礎(chǔ)上，建立了水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型，利用GMS 軟件MODFLOW 模塊對(duì)數(shù)學(xué)模型的識(shí)別驗(yàn)證求解，使模型能夠較為真實(shí)地體現(xiàn)研究區(qū)地下水含水層分布情況。

2）通過(guò)內(nèi)蒙古某地地下水含水層流場(chǎng)在不同開(kāi)采量條件的變化情況發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域在現(xiàn)狀開(kāi)采強(qiáng)度（0.00001834 m/d）的基礎(chǔ)上，以每年2%的增長(zhǎng)幅度條件下，地下水位變化較為平穩(wěn)，沒(méi)有大幅度升高或降低的趨勢(shì)，為今后該地區(qū)地下水的開(kāi)發(fā)利用提供了技術(shù)支持。