水利工程論文-汾河二庫蓄水對蘭村水源地影響的數(shù)值模擬研究.docVIP

水利工程論文-汾河二庫蓄水對蘭村水源地影響的數(shù)值模擬研究作者：金芳義鄭秀清陳軍鋒馬瑞群寧顯林論文關(guān)鍵詞：地下水數(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)地下水水頭長觀資料識別模型的水文地質(zhì)參數(shù)，運用可視化標準軟件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)域流動的基本規(guī)律。運用識別后的模型預測了未來2010年和2015年水庫不同蓄水位條件下的地下水動態(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發(fā)生了變化，水庫蓄水造成流域地下水位的上升，但對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，由于水庫滲漏嚴重，對其周邊地下水環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響，研究汾河二庫蓄水以后對蘭村水源地地下水水位的影響具有一定的現(xiàn)實意義，可為當?shù)卣侠?、可持續(xù)開發(fā)利用、保護地下水資源提供決策依據(jù)，對汾河二庫調(diào)蓄運行具有一定的指導意義。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，進而利用該模型對區(qū)域地下水的水動力條件進行分析，預測分析水庫在不同蓄水水位方案下對蘭村水源地地下水動力場的影響。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，屬典型的北溫帶大陸性干旱、半干旱季風氣候。研究區(qū)地勢總趨勢是北高南低，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、北三個方向向盆地方向徑流。從補給區(qū)至徑流排泄區(qū)，地下水由無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給，汾河干流段地表水的滲漏補給，灌溉渠系及田間灌溉的入滲補給，山區(qū)巖溶裂隙水的側(cè)向徑流補給。由平原北部向南部，由東西兩側(cè)向中部徑流運移。但由于平原地形相對較平坦，其流動緩慢。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存條件，以邊山斷裂帶為分界線將研究區(qū)分為兩個區(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)，水流服從達西定律。根據(jù)區(qū)內(nèi)的地下水動力場特征，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)實際長觀系列資料，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)學模型根據(jù)模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型，建立了計算區(qū)內(nèi)水位分布數(shù)學模型。潛水和中深層承壓水系統(tǒng)地下水運動的數(shù)學模型分別為:潛水系統(tǒng)：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76912個單元格。其中，有效單元格45465個研究區(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76912個單元格。其中，有效單元格45465個，無效單元格31447個，每個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給項和排泄項，均衡區(qū)為整個研究區(qū)。在均衡區(qū)內(nèi)地下水補給項主要包括有大氣降水入滲補給、地下水側(cè)向徑流補給、河道滲漏補給和二庫滲漏補給；地下水排泄項主要包括有人工開采和徑流排泄。均衡要素計算的目的在于確定地下水的各個補給排泄項隨時間和空間的變化規(guī)律，為建立地下水流數(shù)值模擬模型準備數(shù)據(jù)。各均衡要素計算結(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給河道滲漏補給汾河二庫滲漏補給量人工開采量側(cè)向徑流補給量（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)較與驗證根據(jù)研究區(qū)地下水位觀測資料的實際情況，選取2003年1月1日至2003年6月30日作為模型識別時段，歷時半年，計算時段按應力期進行劃分。在每個應力期內(nèi)的開采量和補給量不隨時間變化，分10個步長來計算研究區(qū)內(nèi)的水位。研究區(qū)水平方向分成四個參數(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)的主要補給區(qū)；區(qū)為沿河及河谷地區(qū)，滲透性較強；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。研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)見圖1。圖1水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖利用試錯法對模型參數(shù)進行率定，經(jīng)過反復調(diào)參，得到較為理想的模型識別結(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42.442.480.25362.362.380.22516.316.380.13736.336.380.137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)學模型，計算觀測孔所在單元的水位，并和實際觀測的水位進行對比，從而反求相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。由于研究區(qū)內(nèi)的觀測點較少，本次計算選用蘭村水源地代表性水位觀測孔S1進行水位擬合，水位擬合曲線見圖2。由圖可知，觀測孔的實測水位和計算水位的變化趨勢基本一致。圖2S1觀測孔模型識別階段水位擬合曲線圖圖3模型驗證S1觀測孔水位擬合曲線圖本次識別各時段長觀孔的水位計算