地下水數值模擬模型的應用實例

地下水數值模擬模型的應用實例7.1區域地下水流模型及其應用-太原盆地地下水數值模型7.2地下水水源地可開采資源量評價—宿州市水源地數值模型7.3地下水污染預測研究—嘉興垃圾填埋場地下水溶質運移模型太原盆地地下水數值模型7.1太原盆地地下水數值模型

為解決太原盆地出現的各種環境問題，1992年，研究工作者們初步解決了太原市和太原盆地巖溶水與孔隙水統一管理的問題，但由于當時的勘探目標是為農田和城市供水，勘探技術、方法和指導思想相對落后，在勘探過程中缺乏地下水系統指導思想和動態觀念，大部分勘察項目以行政區為單元，而不是以盆地地下水系統為單元，導致邊界不好控制、水量重復計算、忽略了相鄰地區的影響和邊山地帶裂隙水、巖溶水及地表水-地下水相互作用的調查；同時由于缺乏現代先進的數據處理手段，對于鉆孔數據和水土樣分析數據、地下水監測數據等資料開發、利用程度很低，地下水系統三維空間結構并沒有弄清。太原盆地實際鉆孔位置分布圖太原盆地立體圖太原盆地結構模型太原盆地孔隙介質三維模型太原盆地孔隙介質結構三維可視化模型太原盆地結構模型

盆地孔隙介質簡化三維模型剖面圖盆地孔隙介質簡化三維模型太原盆地結構模型模型范圍：周邊界：盆地與基巖山區接觸帶上界：地表下界：人為邊界300m-350m深。地下水流動特征：邊山巖溶水補給盆地孔隙水；沒有穩定隔水層（參考結構圖）盆地內部構成統一流動系統；地下水混合開采；因此屬于：三維流系統。二、太原盆地數值模型太原盆地數值模型研究區域范圍模型類型：三維流模型構建思路：

1、太原盆地地層結構突出，不存在相對穩定的隔水層，難以劃分含水層；

2、三維建模將模擬區分為若干層（有人稱為物理層），各層可以按巖石含水滲透性確定其含水巖組、或隔水巖組分布；

3、邊界的處理問題

底邊界：基巖為不透水邊界；第四系人為邊界為流量邊界，模型識別時確定。

側邊界：根據地調院調查確定流量，按邊界處滲透系數和水力梯度確定各模擬層流量。二、太原盆地數值模型數值模型網格剖分網格剖分層數每層平均深度最大深度網格邊長剖分單元數目1030m300m1400m26000個邊界條件及初始條件●通過模擬擬合調試后確定準確的邊界流量。●邊界補給的深度通過鉆孔資料確定。●把側向補給量分配到相應的層面上。●在模擬的過程中有小部分的流量邊界，利用水均衡原理做了適當的調節，以便于后期的模擬。1990年1月初始流場模型參數有：滲透系數及儲水系數（分層（10））降雨入滲系數（列出公式、巖性）河流入滲系數（沿河流分段，巖性、水位與河）灌溉入滲系數（平面分出）土面蒸發系數參數分區及參數取值滲透系數太原盆地參數分區分區地點淺層孔隙潛水給水度（μ）滲透系數（m/d）1太原北郊汾河沖積扇0.2102文峪河洪積扇0.14103汾陽孝義沖積、洪積扇裙0.0884龍鳳河洪積扇及沖積平原0.13155瀟河洪積扇0.15136昌源河洪積扇0.12157太原西山傾斜平原0.10108太原、清徐、交城西邊山0.1089汾陽、孝義傾斜平原0.08710太原東山0.08511榆次太谷祁縣傾斜平原0.09812祁縣、平遙、介休傾斜平原0.05513太原南郊汾河、瀟河沖積平原0.11014清徐沖積平原0.11015太谷榆次清徐沖積平原0.08816文水祁縣汾河沖積平原0.08917汾陽孝義沖積平原0.05518平遙沖積平原0.06719陽曲黃土丘陵區0.023（2）晉陽湖滲漏模數

按越流公式計算出湖水滲漏量，再除以其面積，則得晉陽湖滲漏模數。河流入滲（1）汾河入滲系數

受巖性、水位埋深土壤含水量、灌溉定額的影響。其值可近似用次降雨量入滲補給地下水系數（α次）代替。代替的條件是前十天以上時間無降雨，選取的次降雨量要接近灌溉定額。本區稻田及菜地較多，灌溉量大，故取次降雨量為70～150毫米。灌溉回滲補給地下水系數巖性不同地下水位埋深下的β值1～2米2～3米3～4米4～6米6～8米>8米細砂、亞砂土互層0.230.230.210.180.170.16亞砂土0.200.190.170.160.150.14亞砂土、亞粘土互層0.180.160.150.140.130.12亞粘土0.150.130.120.110.100.09灌溉回滲補給地下水系數（β）取值表蒸發排泄系數

淺層孔隙水埋深分區圖，當包氣帶巖性為亞砂土、亞粘土互層時，蒸發極限深度取3.5米；包氣帶巖性為亞砂土時，取4米；包氣帶巖性為粉細砂、亞砂土互層時，蒸發極限深度取4.5米。太原盆地各縣各月蒸發量資料月份123456789101112太原46.8865.36129.2216.10272.49257.5213.80177.9139.4144.7263.7342.54榆次53.776.3142.4251.9309.6302.5255.1210.5159.7129.276.349.7清徐47.1068.33132.5237.40294.50272.9219.70187.6140.3141.4066.7042.90交城36.762.6115199.5249.1236.5193.4155.5117.293.750.930.6文水39.260.9122212.3240.7240.5218.1170.9131.3108.762.234.8汾陽50.284.6128.6225.6282.2268.6211211.2130.910982.350孝義52.665.7127.2231.7251.9244.6234.7168.6137.6114.278.152.1太谷47.462.1114.5199.4280.5249.3202.7219.4118.795.762.544祁縣47.4464.57126.5202.80245.47241.5204.22165.3149.199.0961.1343.69平遙53.169.2123.7206.0264.9270.3227.4181.4138.3107.875.348.9介休52.968127.4208.8251.7256.5211.8162.2128.1105.171.351.6陽曲41.8361.71130.6240.10327.10305.4228.60176.2140.2114.3762.1539.08平均47.4067.4126.6219.3272.5262.2218.4182.2135.9113.667.744.2模型中：工業及城市生活用水，采用深井取水。農村生活用水均采用淺層面源取水。鄉村地區的農業用水，按春灌、夏灌、冬澆把取水量分配到整個區域面積上。人工開采量模型識別校正方法：采用間接法原則及標準：要求 ①觀測孔水位動態趨勢基本一致 ②地下水流場特征相同

③水均衡計算相同對比分析：①觀測孔水位動態對比結果 ②流場水位分布對比結果

③水均衡對比結果太原盆地觀測井的擬合觀測孔分布圖52個觀測孔2003年12月16日計算值與觀測值的比較圖井水位校正對比圖

圖3-5（b）加密網格有限差分法計算井水位的校正

圖3-5（a）初始網格地下水流場對比2003年12月第3層實測2003年12月第3層計算擬合結果1：流場趨勢基本一致2：漏斗等重點開采區能反映實際流場狀況3：在盆地邊緣的山地還有某些區域水頭有出入利用2003年8月和12月分別在研究區做過的兩次水位統測.水均衡分析對比太原市地面沉降太原市地面沉降范圍為：北緯37°40′—38°00′，東經112°25′—112°45′；北起上蘭鎮、南至西草寨；西起金勝、東至武宿；包括太原市轄區六個區（尖草坪區、萬柏林區、杏花嶺區、迎澤區、晉源區及小店區），面積約585km2（圖1-1）。新構造運動與地面沉降圖3-2太原地區構造圖1.活動斷裂2.地壘與凹陷邊界我們依據1981-2000年晉祠地震基準臺跨斷層I等短水準高程實測資料（BM1-BM3水準點），推算出晉祠大斷裂下降盤累計位移量為21.88mm，平均為1.15mm/a。這與吳家堡沉降中心的96.18mm/a的沉降速率相比，似乎說明該地的構造運動與地面沉降關系不大。地下水開采與地面沉降圖3-4不同地點地下水開采量、水位降深與地面沉降對比曲線圖圖3-3太原市1956-2000年地面沉降等值線與2002年中深層水等水位線關系圖開始確定計算區范圍，剖分網格，確定邊界類型整理輸入基本數據：初始水頭，抽水井開采量，降雨量，蒸發量及河流數據等第一次給定參數的初始估計值劃分調整各參數分區，確定各參數上下限值確定優選參數數值模擬求逆問題求目標函數G值，選出參數值參數是否合理觀測孔水位和地面沉降量是否擬合好最終確定參數輸入預測期有關數據進行預測結束是是試估、校正調整參數否圖4-1地面沉降求解的計算流程圖

圖4-6潛水水平傳導系數分區圖（K）圖4-7潛水垂直傳導系數分區圖（Kz）圖4-8潛水給水度分區圖圖4-9第一承壓、第二承壓含水層垂直傳導系數分區圖（Kz）圖4-10第一承壓、第二承壓含水層水平圖4-11第一承壓、第二承壓含水層貯水傳導系數分區圖圖4-12第一壓縮層彈性釋水因子圖4-13第一壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-14第二壓縮層彈性釋水因子圖4-15第二壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-16第三壓縮層彈性釋水因子圖4-17第三壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-18第四壓縮層彈性釋水因子圖4-19第四壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-20第五壓縮層彈性釋水因子圖4-21第五壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-22第六壓縮層彈性釋水因子圖4-23第六壓縮層非彈性釋水因子分區圖圖4-24第六壓縮層彈性釋水因子圖4-25第六壓縮層非彈性釋水因子分區由于缺少太原市地面沉降分層觀測資料，故本次研究僅對太原市地面沉降的總沉降量進行擬合。圖4-35至4-42給出了模型對模擬區7個長觀孔1981-2000年的凈地面沉降量的擬合結果，其中，實測數據序列由1981、1982、1985、1987、1989、1992、1994、1997、2000年的觀測數據內插所得。圖4-43)、4-44)給出了模型對模擬區1981-2000年的凈累積沉降量的擬合結果。模型對模擬區地下水位及地面沉降擬合結果表明：（1）模型建立地下水流場、沉降的總體形態與實際的基本吻合；（2）計算的開采漏斗、沉降漏斗與實測開采漏斗、沉降漏斗的位置、大小、深度及形態基本一致；（3）在實測水位點上，計算水位與實測水位接近。這說明，我們所建立的地面沉降模型是可靠的。圖4-26S123孔水位動態擬合結果圖4-27449孔水位動態擬合結果圖4-2881122孔水位動態擬合結果圖4-29618孔水位動態擬合結果圖4-332000年8月中深層混合水（第一承壓、第二承壓含水層水位）實測等水位線圖圖4-342000年8月中深層混合水（第一承壓、第二承壓含水層水位）模擬等水位線圖圖4-3513號沉降點的動態擬合圖4-3618號沉降點的動態擬合圖4-3742號沉降點的動態擬合圖4-3861號沉降點的動態擬合圖4-3618號沉降點的動態擬合圖4-3963號沉降點的動態擬合圖4-4065號沉降點的動態擬合圖4-4167號沉降點的動態擬合圖4-4268號沉降點的動態擬合圖4-431981-2000年累積沉降量實測等值線圖圖4-441981-2000年累積沉降量計算等值線圖圖4-45第一壓縮層壓縮量等值線圖圖4-46第二壓縮層壓縮量等值線圖圖4-47第三壓縮層壓縮量等值線圖圖4-48第四壓縮層壓縮量等值線圖圖4-49第五壓縮層壓縮量等值線圖圖4-50第六壓縮層壓縮量等值線圖圖4-51第七壓縮層壓縮量等值線圖綜上所述，壓縮量最大的層位為第一壓縮層、第二壓縮層和第七壓縮層。西張地區沉降量最大層位為第三壓縮層，萬柏林、下元地區壓縮量最大層位為第一、二壓縮層，而吳家堡、小店地區的主要壓縮產生在第四、五、六、七層。壓縮量的不同不僅與抽水有關，而且與粘性土性質、厚度及其組合密切相關。西張地區隔水層幾乎都為粉土，僅有一小部分粘土，含水層厚，隔水層相對較薄，而且隔水層幾乎沒有互層，七個壓縮層中，第三壓縮層最厚，所以，西張沉降量與水位漏斗吻合，且最大壓縮量在第三層。親賢、武宿、北營一帶細粒土層巨厚，且幾乎連為一體，中間只夾有小塊含水透鏡體，巖性多為粉質粘土、且含礫石，顆粒相對來說較粗，當水位下降時，由于巨厚的粘性土連為一體，土體不易排水，所以雖然水位降落漏斗較深，卻沒有形成沉降漏斗。吳家堡一帶，第一、二、三壓縮層巨厚，呈整塊分布，前三個壓縮層幾乎沒有互層，當水位下降時，顆粒中的水不易排出，所以沉降量很小，但第四、五、六、七層中粘性土顆粒很細，粘性土層很厚，且多互層，當水位下降時，粘性土很容易排水，且顆粒細壓縮量較大，所以吳家堡第四、五、六、七層壓縮量很大。開采方案預測評價

通過檢驗分析，模型已經能夠比較準確的反映實際流場，應用模型做下列預測：方案1：在現有的補排條件不變的狀況下2008年水位變化的預測方案2：根據引黃入晉工程的實施狀況，對太原市重點開采區地下水位動態變化的影響。(1)保持現在的開采量，持續開采到2008年7月份。預測的太原市重點開采區的水位等值線圖：保持開采量不變開采到2008年7月份太原市中深層等水位線圖2004年1月份2008年7月份太原市每天壓采30萬m3對下水位的影響預測實現2004年1月壓采30萬米3/天后到2008年7月份太原市中深層水位等值線2004年月1月2008年7月2008年7月份縱向過北塢城（過63，57單元）剖面等水頭線圖2008年7月份縱向過介休漏斗（過83，21單元）剖面等水頭線圖7.2宿州市水源地數值模擬

宿州市水源地數值模擬

宿州市位于安徽省最北部，屬淮北平原區，雨量較少，水資源短缺，多年平均降水量827mm。境內降雨具時空分布不均，豐枯交替發生、年內分配不均等特點。

城區水資源供需矛盾日益突出，水資源開發利用存在較多問題：一是水污染程度加劇，另一方面由于城市規模不斷擴大用水量猛增。主要研究內容和研究思路1.查明研究區第四紀地質及地下水系統的空間分布與結構，建立宿州市水文地質概念模型。2.根據以上的水文地質概念模型選擇合適的數學模型，最后用GMS建立地下水流數值模擬模型。3.對模型進行調參校正，用檢驗模型分析預測不同開采方案下流場的變化情況。4.結合實際情況，擬定有實際意義的開采方案并模擬、驗證，確定合理開采方案。區域概況自然地理概況宿州市位于安徽省最北部，與蘇、魯、豫三省十一個縣市接壤。宿州市自然條件優越，地勢平坦，除少量低山殘丘外大部分為沖積、洪積平原。主要河流有新汴河、澮河、沱河、濉河等;多年平均降水量827mm。區域地質概況前第四系研究區域前第四系地層除缺失震旦系上統，上奧陶統至下石炭統，中生界（除侏羅系上統毛坦廠組）的地層外，自震旦系倪園組至第三系均有發育。地表出露的地層以下古生界寒武系為主，且基巖出露的面積較小，大部分都為第四系的覆蓋區。該區域內第四系地層發育，厚80～100m，北薄南厚。其成因類型主要為沖積，次為沖洪積。宿州市及鄰近地區第四系分層簡表界系統地層名稱符號埋深（m）厚度（m）新生界第四系全新統蚌埠組Q40～3.800～3.80上更新統穎上組上段Q3214～2212～22下段Q3124～349～18中更新統臨泉組Q262～8730～54下更新統太和組Q184～1008～30區域地質概況第四系

查區第四系自上而下可劃分為三部分，各部分的地層巖性、厚度和韻律變化各具特色，反映了不同時期沉積環境的差異及水動力條件的不同。地層結構特征含水巖組的劃分

根據地下水貯水介質的特征，含水空隙的類型，將本區含水巖組劃分為四種基本類型：松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組。水文地質概況表3-1含水巖組劃分表含水巖組地層代號含水層巖性分布水力性質大類亞類松散巖類孔隙含水巖組第一含水層組Q3粉砂為主，次為粉細砂、亞砂，局部細砂和亞砂土除基巖裸露區外，區內均分布，埋深在1.60—33.42m之間潛水微承壓水第二含水層組Q2、Q1細砂為主，次為中細砂、粉砂，局部粗砂符離集以南均有分布，埋深多在43—84m。承壓水第三含水層組N細砂、中砂為主，次為粗砂基本上分布在新汴河以南的地區，埋深一般為110—150m之間，最深可達190m。承壓水碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組

E、J、K、P砂巖、砂頁巖、鈣質礫巖，安山質角礫巖、凝灰質砂礫巖主要埋藏于宿北斷裂以南的平原地區，埋深多在250—1000m之間。承壓水碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖