解析黄河下游影响带(河南段)三维地下水流数值模拟模型及其应用
目录
1黄河影响带范围
1.1区域水文地质条件概况
1.2黄河影响带的确定
2三维地下水模拟模型
2.1水文地质概念模型
2.2 地下水数值模型及其识别
3 地下水模拟模型的应用
3.1 地下水资源评价
3.2 开采条件下地下水预测
4 结 论
关键词:黄河影响带;模拟模型;水源地;防渗墙
引 言近几十年来,地下水模型已被广泛应用于地下水资源评价、预报和管理之中[1]。随着计算机的发展和广泛应用,运用先进的地下水模型软件,建立区域三维地下水流模型,用于区域水资源评价和地下水的环境影响评价,预测各种变异条件下地下水的变化趋势,已成为区域地下水及其环境研究的一个重要方面。黄河下游(河南段)沿黄地下水是重要的供水水源,由于黄河在该地段是地上悬河,黄河侧渗补给已成为该区地下水的重要补给源。该地段地下水开发利用以及黄河工程设施都将会对黄河-地下水的补排关系产生影响。本文运用先进的地下水模型FEFLOW建立黄河影响带三维地下水流模拟模型,进而运用该模型评价地下水资源,研究地下水开发规划和黄河防渗墙工程对黄河侧渗量的影响。
1黄河影响带范围
1.1区域水文地质条件概况
研究区位于黄河的下游,河南省的东北部,属于黄河下游冲洪积平原地下水系统[2]。研究区地势平坦,地貌上属于黄河冲积平原。地下水主要赋存于第四系松散岩之中,总厚度超过300 m。根据地下水的埋藏条件,可分为4个含水组,分别对应着Q4、Q3、Q2和Q1的地层。结合地下水动力条件和开采情况,可将以上4个含水组归并为浅层潜水和微承压水含水层组(Q4和Q3)和深层承压含水层组(Q2和Q1)。本区地下水的主要补给为大气降水入渗、渠系渗漏、灌溉入渗和黄河侧渗补给,主要排泄为蒸散发和人工开采。对于傍河大型地下水源地而言,黄河水的侧渗补给是最重要的补给源。地下水的开采主要集中在黄河两侧以及黄河古河道,以开采浅层水为主,部分地段开采深部承压水。目前地下水年总开采量为11.52×108m3,其中浅层水开采量为10.43×108m3,深层水开采量1.09×108m3。
1.2黄河影响带的确定
黄河影响带是指黄河水补给地下水的平面影响范围和黄河水的循环深度①。根据地下水流场特征、地下水动态特征、潜水的环境同位素(T、D、18O)分析,确定了黄河影响带的宽度(图1)。在黄河北岸范围较宽,约6.6~23.2 km,大致边界为天然文岩渠-金堤河一带。黄河南岸影响范围较小,约5.0~13.7 km:在郑州段,以郑州与黄河间的地下水分水岭为界限;在中牟-开封段,以该段以南地下水分水岭为界。由承压含水层稳定同位素(D和18O)分析,黄河水的循环深度大于200 m而小于300 m,即循环深度在Q2和Q1组成的承压含水层之内。黄河影响带将作为三维地下水流模拟模型的边界。
2三维地下水模拟模型
2.1水文地质概念模型
论文代写和数学模型为了建立黄河影响带地下水流模型,首先要对实际水文地质条件概化,建立水文地质概念模型。根据前述水文地质条件,在垂向上可概化为3层,即浅层潜水和微承压水含水层组、深层承压含水层组以及两含水层之间20~30 m厚的弱透水层。3层的侧向边界均是二类边界,即流量边界。研究区的下边界是Q1的底界,为隔水边界。上边界为潜水含水层的自由水面,通过该边界,地下水系统与外界发生垂向水量交换,如降水和灌溉入渗、潜水蒸散发等。由于黄河与地下水水力联系密切,且在黄河河床底部有弱透水层存在,将黄河作为混合边界条件边界处理[3]。综上所述,将研究区地下水系统概化为非均质各向同性、三维、非稳定地下水流系统,可用以下微分方程的定解问题来描述:S h t= x(Kx h x)+ y(Ky h y)+ z(Kz h z)+ε,x,y,z∈Ω,t≥0,μ h t=Kx( h x)2+Ky( h y)2+Kz( h z)2- h z(Kz+p)+p,x,y,z∈Γ0,t≥0,h(x,y,z,t) |t=0=h0,x,y,z∈Ω,t≥0 ,Kn h n|Γ1=q(x,y,z,t) ,x,y,z∈Γ1,t≥0,Kn h n-h-hsσ|Γ2= 0 ,x,y,z∈Γ2,t≥0。式中:Ω为渗流区域;h为含水层的水位标高(m);Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d);S为自由面以下含水层储水系数(1/m);μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度;ε为含水层的源汇项(1/d);Γ0为渗流区域的上边界,即地下水的自由表面;p为潜水面的蒸发和降水补给等(1/d);h0为含水层的初始水位分布(m);Γ1为渗流区域的二类边界,包括承压含水层底部隔水边界和渗流区域的侧向流量或隔水边界; n为边界面的法线方向;Kn为边界面法向方向的渗透系数(m/d);q(x,y,z,t)为定义为二类边界的单位面积流量(m3/( d•m2)),流入为正,流出为负,隔水边界为0;Γ2为混合边界,即黄河和金堤河;hs为地表河流的水位标高(m);σ为河流底部弱透水层的阻力系数,σ=L/Ks;L为底部弱透水层的厚度;Ks为河流底部弱透水层垂向渗透系数(m/d)。值得注意的是,上式第二项为潜水面方程,是非线性方程。在数值计算中通常不直接求解该方程,而是将潜水面变化引起的重力释水或储水近似处理为垂向补排量。
2.2 地下水数值模型及其识别
采用地下水模型软件FEFLOW[4](Finite elementsubsurface FLOW system)对研究区地下水流进行模拟。该软件是德国WASY公司开发的有限元地下水数值模型,它是迄今为止功能最为齐全的地下水模拟软件包之一。该软件包具有图形人机对话、地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网格、空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。可进行二维和三维地下水流、水质和热运移模拟。本研究采用FEFLOW对黄河影响带地下水进行模拟。模拟区面积9 417.6 km2,采用三角剖分,沿黄52 吉林大学学报(地球科学版) 2003年 河两岸、城市以及水源地附近加密网格,共剖分17 230个结点和26 304个单元。模拟时期选择2000年1月到12月,以一个月作为一个抽水期,每个抽水期内包括若干时间步长,并由模型自动控制。源汇项包括降水、灌溉回渗、渠道渗漏、蒸发、人工开采、农业开采等。各项均换算成相应分区的开采强度,然后分配到相应的单元格。根据水文地质条件,将浅层含水层分为15个水文地质参数分区,主要的参数有:浅层含水层的渗透系数、给水度、大气降水入渗系数、灌溉回渗系数、潜水蒸发系数等。由于对深层含水层和弱透水层研究程度较低,只做粗略分区,主要的水文地质参数有:渗透系数、释水系数。各区的水文地质参数初值主要来自于相关的水文地质报告。运行FEFLOW,可得到在给定水文地质参数和各均衡项条件下的地下水位时空分布,通过拟合同时期的流场和长观孔的历时曲线,识别水文地质参数、边界值和其它均衡项,使建立的模型能更准确地定量描述研究区地下水系统。识别后的水文地质参数(表1)符合实际的水文地质条件,即在黄河漫滩、古河道处渗透系数和给水度较大,而远离黄河或在背河洼地处,则参数较小。识别后模型所计算出的流场与实际流场吻合,地下水动态变化趋势趋于一致。
3 地下水模拟模型的应用
应用已建立的地下水流模型,可进行研究区地下水资源量评价、开采条件下的地下水位预测、黄河水与地下水定量关系研究以及其它水利工程设施对地下水影响的研究
3.1 地下水资源评价
研究区多年平均地下水补给资源量约28.52×108m3/a。在75%降水保证率下,浅层地下水资源总补给量为26.18×108m3/a。其中,大气降水入渗补给量约占45%~50%,河渠(不含黄河)和灌溉补给量约占25%,黄河水补给约占11%~13%。目前浅层含水层基本处于平衡状态,深层含水层超采。地下水排泄量中潜水蒸发量占51.5%,人工开采约占43%。浅层向深层的越流量约0.87×108m3/a。地下水可开采资源量是指在经济和技术合理的条件下,开采过程中不发生水质恶化或其它不良地质现象(如地面沉降、污水入侵等),并对生态环境不致造成不利影响的情况下,有保证的地下水资源量[5,6]。增加可开采资源量的途径无外乎减少其他排泄量和激化补给量。前者可考虑通过降低潜水位来减少蒸发量,以增加地下水开采量。而目前地下水的年蒸发量约13.55×108m3/a,考虑到湿地保护等环境问题,在合适的地段,可将地下水位降低到地面以下3m左右。后者可考虑在靠近黄河的有利地段建立傍河水源地,以最大限度地袭夺黄河水。据此,通过模型计算,地下水可开采资源量约19.43×108m3/a。
3.2 开采条件下地下水预测
黄河影响带浅层含水层构成了巨大的地下水库,具有很强的调节能力。本研究选择了8处有利地段布置傍河水源地(表2和图1),设计地下水开采能力为123×104m3/d(开采量4.49×108m3/a)。运用已建立的数值模型,预测不增加水源地和拟建水源地开采条件下的地下水位及黄河侧渗量的变化,并对两种方案进行比较得出,傍河水源地开采条件下,区域地下水流场没有发生变化,只是在开采地段形成局部降落漏斗,地下水位下降均不超过20 m,开采5~10 a后水位趋于稳定(图2)。由此可见,拟建水源地的开采量是有保证的。所增加的开采量大部分来自黄河水的补给。由于水源地的水文地质条件、距黄河的距离依据开采井的布局的差异,黄河水补给量所占的比例有所差异,一般在65%~75%之间。8个水源地总开采量的71.71%来自黄河水的补给(表3),其余约28.29%来自侧向流入量和袭夺蒸发量,可见黄河对于研究区地下水可再生能力的重要性。45 m。防渗墙是一种混凝土结构,几乎是不透水的。下游防渗墙的建成,将影响黄河对地下水的补给,从而对地下水系统产生影响。本研究用FEFLOW评价防渗墙建成后对地下水系统的影响。在已建立的模拟模型基础上,运用FEFLOW灵活变动水文地质结构的特点,在防渗墙设计深度上虚拟一层,将该层的防渗墙位置的渗透系数确定为无限小,则可模拟修建防渗墙后黄河水补给地下水量的变化以及对地下水的影响。结果表明,防渗墙埋深为20 m和45 m时,黄河侧渗量分别较多,年平均减少了0.179×108m3/a和0.254×108m3/a,仅占黄河侧渗量的5.72%和8.12%。距离黄河大堤近处,由于修建防渗墙,地下水位最大下降约1 m,而距离黄河大堤10 km以外,流场基本不受防渗墙的影响。由此可见,修建防渗墙对地下水的影响不大。
4 论文代写代发结 论本研究在水文地质条件分析的基础上,运用FEFLOW建立了黄河下游(河南段)影响带三维地下水流模型,计算出研究区地下水补给资源和可开采资源评价分别为28.52×108m3/a和19.43×108m3/a,傍河地下水源开采量的65%~75%来自黄河侧渗补给,黄河大堤防渗墙工程对黄河侧渗量的影响较小。
摘要:黄河下游(河南段)影响带属于黄河下游冲积平原地下水系统,黄河对地下水的影响范围为5~23 km,面积为9 417.6 km2。在建立水文地质概念模型的基础上,运用FEFLOW软件建立了研究区三维地下水流模拟模型,并对模型进行了识别。运用模型确定地下水多年平均补给资源量和可开采资源评价;预测新建傍河水源地开采条件下,地下水位在5~10年内趋于稳定;定量研究黄河与地下水的补排关系,傍河水源地开采量的65%~75%来自黄河水,黄河大堤防渗墙工程深度为20 m和45m情况下,黄河侧渗量分别减小5.72%和8.12%。