（农业水土工程专业论文）modflow在八五三农场地下水数值模拟中的应用.pdf

摘要 摘要 水是人类赖以生存和发展的重要自然资源，也是自然生态环境重要的制约因素。随着社 会经济的迅速发震，水资源供需矛盾目薇突出，解决水资源危枧已成力世乔范圈的战略性阏 题之一。八五三农场位于三江平原，属于温暖半湿润农业气候区，其地下水资源较贫乏，地 表水资源丰富，但利用程度不高，该地送在1 9 9 5 年前地下水位交纯比较乎缓，趣下水基本 处于采补平衡的状态，1 9 9 5 年以后，地下水位开始持续下降，尤其是近几年来，地下水位降 幅愈来愈大，如果不加控制，还有继续下降的趋势。鉴于此，本研究基于地下水数值模型， 在水姿源供需平衡的基础上，提出了两个可能酶地下永控筏拜采方案，运用模型预瓣各个开 采方案下地下水流场和水位动态变化趋势，优选方案二作为八五三农场未来地下水利用措 施。 本论文主要由七部分经成：绪论、研究区基本状况、遗下水流数毽模拟方法及原理、地 下水流数学模型的建立、地下水资源需水预测及水位预报、地下水资源的管理与保护、结论 与不是。 其中地下水流数学模型的建立是本论文的关键所在。分析水文地质条件，建立水文地质 概念模型。通过八五三农场自然地理和区域水文地质，将第四系承压含水层作为数值模拟对 象，概化为菲均质备向同性平谣二维流。采用g 塔与v i s u a lm o d 翼妁w 软佟翔结合，剩蹋 a r c g i s 的数据编辑和图形处理功能，生成可供v i s u a lm o d f l o w 调用的底图。将整个研究 区以8 0 0 m x 8 0 0 m 的正方形网格离散，总共5 8 行，6 8 列，3 9 4 4 个单元。模拟期为2 0 0 0 年1 1 月5 日到2 0 0 1 年l l 胄4 墨，以月为时闻段，每聂天为二- 个时阔步长。2 嘲年重王秀5 墨到 2 0 0 1 年4 月2 5 日为模拟识别阶段，2 0 0 1 年4 月2 6 日到2 0 0 1 年1 1 月4 日为模拟验证阶段。 结合水文地质条件、地形地貌条件和含水层特征，将研究区承压含水层的渗透系数分为4 个 区，弹性释水系数分为3 个区。对研究区进行水均衡计算，运行模型，通过实测水位和计算 水位的拟合，进行模型的参数识别，再对模型进行验证。经过验证所建立的地下水流数值模 拟模型是霹靠髓，霹以对歹五兰农场地下本资源进行现状模拟与未来变倪趋势预测。 本文结合八五三农场的社会发展现状及社会经济发展态势，评价了该区水资源量及水资 源开发利用现状，制定了两个方案对2 0 0 6 一2 0 1 5 年的地下水位变化情况进行了预报，分析 评价了地下水运动的时空变纯规律及趋势，艮较褥密优选方案，建议减套地下水开采量，充 分利用地表水资源，做到地表水与地下水的联合调度。 关键谲v i s u a lm o d f l o w 3 。1 ；地下永流数值模拟；水位预报： a b s t r a c t a p p l i c a t i o no fm o d f l o w i ng r o u n d w a t e r m o d l i n g i nt h e8 5 3f a r m a b s t r a c t w a t e ri st h ei m p o r t a n tn a t u r a lr e s o u r c e sf o rt h em a n k i n ds u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t ，a sw e l la s a l l i m p o r t a n tf a c t o rf o rr e s t r i c t i o no fn a t u r a lc o o - e n v i r o n m e n t a c c o m p a n y i n gt h er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m i c a ls o c i e t y , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es u p p l ya n dt h er e q u i r e m e n to f t h ew a t e rr e s o u r c e ss t a n d so u ti n c r e a s i n g l y , s o l v i n gt h ew a t e rr e s o u r c e sc r i s i sh a sb e e no n eo ft h e s t r a t e g i cp r o b l e m si nt h ew o r 1 d 。8 5 3f a r ml i e si ns a 巧i a n gp l a i n ，i tb e l o n g st ow a r m t ha n dh a l fm o i s t a g r i c u l t u r a lc l i m a t ea r e a ，i ti sp o o ri ng r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，a n di t i sr i c hi ns u r f a c ew a t e r r e s o u r c e sb u ti t su t i l i z a t i o nd e g r e ei sn o th i g h 。g r o u n d w a t e rl e v e lc h a n g e dc o m p a r i s o ng e n t l e 避 t h i sa r e ab e f o r e1 9 9 5 ，g r o u n d w a t e rw a sb a s i c a l l yi nt h eb a l a n c eo fe x p l o i t a t i o na n ds u p p l e m e n to f w a t e rr e s o u r c e s ，u n d e r g r o u n dw a t e rt a b l eh a ss u s t a i n e dt od e c l i n ea f t e r1 9 9 5 ，e s p e c i a l l yi nr e c e n t y e a r st h ea m p l i t u d er e d u c t i o no fu n d e r g r o u n dw a t e rl e v e lh a sb e c o m em o r ea n dm o r el a r g e ，t h e g r o u n d w a t e rl e v e lh a st h et r e n do fd e s c e n d i n gi fw ed o n tc o n t r o l 。s ot h i sp a p e rb a s e do nt h e g r o u n d w a t e rn u m e r i c a lm o d e la n do nt h eb a s i so fb a l a n c eo fw a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n d p u t sf o r w a r dt w op o s s i b l ep l a n s t oc o n t r o lt h ee x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e r , a n da p p l i e st h em o d e lt o p r e d i c tt h et r e n do fg r o u n d w a t e rf l o wf i e l da n dw a t e rl e v e ld y n a m i c 主珏e a c he x p l o i t a t i o np l a n ，a t l a s to p t i m i z e st h es e c o n dp l a na st h em e a s u r et oe x p l o i tf u t u r eg r o u n d w a t e ri nt h e8 5 3f a r m t h i sp a p e rm a i n l yi sc o n s t i t u t eb ys e v e np a r t s ，a sf o l l o w s ：i n t r o d u c t i o n ，b a s i cs i t u a t i o no ft h e s t u d ya r e a ，t h em e t h o da n dp r i n c i p l eo fg r o u n d w a t e rf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e s t a b l i s h m e n to f t h eg r o u n d w a t e rf l o wm a t h e m a t i c a lm o d e l ，n e e dw a t e rp r e d i c t i o na n dw a t e rl e v e lp r e d i c t i o no f g r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，m a n a g e m e n ta n dp r o t e c t i o no fg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ，c o n c l u s i o na n d d e f i c i e n c y 。 t h ek e yo ft h i sp a p e ri st h ee s t a b l i s h m e n to fg r o u n d w a t e rf l o wm a t h e m a t i c a lm o d e l 。a n a l y z e h y d r o - g e o l o g i c a lc o n d i t i o n ，e s t a b l i s ht h eh y d r o - g e o l o g yc o n c e p t u a lm o d e l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so f p h y s i c a lg e o g r a p h ya n dh y d r o - g e o l o g yi n8 5 3f a r m ，t h i ss t u d ym a k e st h eq u a t e r n a r yc o n f i n e d a q u i f e ra st h eo b j e c to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dg e n e r a l i z e st ob eh e t e r o g e n e i t y , i s o t r o p i ca n d p l a n et w od i m e n s i o n a lf l o w u s et h es o f t w a r eo fg i sc o m b i n e dw i t hv i s u a lm o d f l o w , a n d u s e 东l 乏农鼗丈学工学殒一 j 学位论文 i l l l i i i i ii i i i 燃鼍皇! ! 曼! 鼍拦燃鼍! ! 詈! 皇詈寰燃葛兰鼍! 皇曼皇! s s 麓 t h ef u n c t i o no fd a t ee d i t i n ga n dg r a p h i ct r e a t m e n to fg i s ，g e n e r a l i z et h eb a s em a pt h a tc a l lb ec a l l i nv i s u a lm o d f l o w t h ew h o l es t u d ya r e ai sd i s c r e t e db y8 0 0 x 8 0 0 m ms q u a r eg r i d s ，5 8r o w s ，6 8 c o l u m n s ，a n da l t o g e t h e r3 9 4 4c e l l s 。t h es i m u l a t i o ns t a g ei sf r o mn o v e m b e r5 ，2 0 0 0t on o v e m b e r4 ， 2 0 0 1 ，e a c hm o n t hi so n es t a g e ，e v e r yf i v ed a y si so n es t e p f r o mn o v e m b e r 5 ，2 0 0 0t oa p r i l2 5 ， 2 0 0 1i st h es t a g eo fm o d e lr e c o g n i t i o n ，a n df r o ma p r i l2 6 ，2 0 0 1t on o v e m b e r4 ，2 0 0 1i st h es t a g e o fm o d e lv a l i d a t i o n 。c o m b i n e dh y d r o g e o l o g y , l a n d f o r ma n dt o p o g r a p h yw i t ht h ec h a r a c t e ro ft h e a q u i f e r , t h ec o n f i n e da q u i f e ro ft h ew h o l es t u d yi sd i v i d e di n t o4p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta r e a sa n d 3c o e f f i c i e n to fs t o r a g ea r e a s 。a tf i r s t , t h i sp a p e rc a r r i e so nw a t e re q u i l i b r i u mc a l c u l a t i o nf o rt h e s t u d ya r e a ，t h e no p e r a t e st h em o d e l ，i d e n t i f i e sp a r a m e t e mo ft h em o d e lt h r o u g hm e a s u r e da n d c a l c u l a t e dw a t e rl e v e lf i t t i n g ，a tl a s tv a l i d a t e st h em o d e l 。t h eg r o u n d w a t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o d e le s t a b l i s h e db yv e r i f i c a t i o ni sr e l i a b l e ，s oi tc a l ls i m u l a t et h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dp r e d i c tt h e t r e n do ff u t u r ec h a n g e so fg r o u n d w a t e rr e s o u r c e si n8 5 3f a r m t h i sp a p e rc o m b i n e st h e p r e s e n ts i t u a t i o na n de c o n o m ys i t u a t i o no fs o c i e t yd e v e l o p m e n ti n 8 5 3 f a r m ，e v a l u a t e st h eq u a n t i t ya n de x p l o i t a t i o np r e s e n ts i t u a t i o no fw a t e rr e s o u r c e si nt h i sa r e a ， p r e d i c t st h ec h a n g es i t u a t i o no fg r o u n d w a t e r l e v e lf r o mt h ey e a r2 0 0 6t o2 0 1 5w i t ht h et w op l a n s ， a n a l y z e sa n de v a l u a t e st h et i m ea n ds p a c ec h a n g i n gr u l ea n dt h et r e n do fg r o u n d w a t e rm o t i o n ， o b t a i n st h eo p t i m i z a t i o ns c h e m eo nt h ec o m p a r i s o n ，s u g g e s t st od e c r e a s et h ee x p l o i t a t i o nq u a n t i t y o fg r o u n d w a t e ra n df u l l yu t i l i z a t i o ns u r f a c ew a t e rr e s o u r c e s ，a n dd o e sw e l lt h es c h e d u l i n gt h a t c o m b i n e ss u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e r k e yw o r d s ：v i s u a lm o d f l o w 3 1 0g r o u n d w a t e rf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w a t e rl e v e l p r e d i c t i o n p o s t g r a d u a t e ：s u na ih u a m a j o r ：s o i la n dw a t e ro f a g r i c u l t u r a le n g i n e e r i n g i v s u p e r v i s o r ：m ay o n gs h e n g 磺究生学彼论文猿剖声赘秘 雯爱援投 独创声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ! 洼；翅遗蕴基缝盏疆挂趔直盟数：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 7 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：3 击餐挚 尽期：舞月够躁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本入授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期：? 年月抽 导师 签名：弓柳多，蠹期够年胃确 绪论 1 。绪论 1 1 选题的依据及研究意义 永是人类赖跌生存和发展的重要自然资源，也是自然生态环境重要的制约因素。缺永和 不合理使用水资源而产生的环境问题是人类2 1 世纪面临的重大课题。我国是一个水资源相对 不足的国家，目前人均水资源鬓为2 2 2 0 m 3 ，仅为世界入均水资源量的3 1 0 ，低于人均3 0 0 0m 3 的轻度缺水标准，此外，我国大部分城市和地区的淡水资源供给已受到水质恶化和水生态系 统破坏的威胁。而我国北方人均水资源掇仅为9 8 8m 3 ，低于1 0 0 0m 3 的重度缺水标准；我国现 有6 6 8 痉城帝，有2 3 嚣临缺水翊题正成为制约我翻可持续发展的头号因素( 吴季松，2 0 ) 。 缓解水资源短缺和水环境的保护与治理，已成为我国急迫解决的战略阀题。 地下水是重要的水资源，它既可以赢接被开采利用，又在水资源开发管理中起到重要的 调解作用，地下水资源一般祷凝下零覆较好虽分布广，它酶开发与利用跟其它自然资源一样， 受其自身更新能力的制约，存在着一个最大限度的问题。地下水的变化往往影响着生态环境 系统的天然平衡状态。伴随着现代工业期人类社会的发展，人类对水资源的需求也日益增长， 必了满足工农盘和生活露水的需要，人们不断增加对地下水的开采，阉时由于缺乏对地下水 分布及储擞的科学评价，人类大量而盲网的开采，致使地下水的总排泄量超过了总补给量， 造成了一系列的环境地覆阀题的发生，如区域水位大幅下降，漏斗不断扩大，地藤沉降、塌 陷、地下承污染、泉水干涸、高浓度成水、卤水入侵等。因此对地下水资源的合理开发和可 持续利用提出了更高的要求，即要对地下水资源进行定量预测和合理的评价。因此迫切需耍 研究区域地下东的分布规律，即地下水的补给、径流和排瀣条件，阐明区域地下水资源的天 然分布状况和开发利用的远景，并对地下水水位变化规律作出预测，提供合理的分配方案。 经过二十多年的探索和实践表明，数值模拟对水文地质学科中的某些理论和实际问题的解决 起了缀大戆作用，构成现代承文遮覆学零萼形成和发震豹重要推动力之一，已藏灸入 】揭示承 文地质规律和资源评价与管理中必不可少的工具。 本研究选择八五三农场作为典型区，八五三农场位于三江平原东部，宝清县境内，东南 部紧邻完达出，嚣就及北部以挠力溽为界，该农场的遗下承资源相对较贫乏，蟪表永资源较 丰富，但地表水资源的可利用度不高，农业灌溉以开采第四系浅层地下水为主，集中开采时 地下水位降幅很大。近年来，随着水田聪积及经济作物面积的增加，地下水大量歼发利用， 在井灌面积集中的平原地区，犬部分使用浅井的鼹民点出现不同程度缺水问题，詹民点饮水 安全问题也日益突出。为此，运用科学的手段，对研究区地下水的动态变化规律进行分析研 究，分析地下水与地表水转化关系，研究地下水系统的状态，准确地进行研究区的地下水资 源评价，对未来地下水动态交化和可开采量作出较准确的预报，显得越来越追切和必要起来。 地下水数值模型的建立，可为八五三农场地区地下水的可持续开发利用提供科学依据，为该 区的社会、经济和强境的可持续发展提供重要参考。因此，建立夕k 五三农场地区的建下承数 值模拟模挺，对于流域水资源合理利用，解决流域生态环境问题都具有十分重要的意义。 东建农泣犬学t 学矮i 二学垃论文 2 地下水资源评价现状与发展 评价地下水资源主要是在计算地下水的补给量、排泄量和开采量的基础上，对地下水资 源的质和髓进行评价，为地下水资源的合理聂发和高效利用提供科学依据。最早进行全国水 资源评徐的是美国，1 9 6 5 年美阑成立了水资源理事会，开始进行水资源评价工作，并于1 9 6 8 年完成了第一次水资源评价，i 矬行了水资源分区，讨论了水资源缺乏问题。我国于1 9 8 0 年开 始进行全豳第一次水资源评价工作，由予受当对条件的限铡，入必她将缝表水水浚源和地下 水资源割裂开来，难以进行整体水资源的评价和开发利用规划。2 0 0 1 年我国开始了第二次水 资源评价工作，并予2 0 0 3 年完成了全国的水资源评价，这一重大成果对我国新世纪社会经济 可持续发震中合理翻霜本资源舆有重要的现实意义( 姜文来，1 9 8 8 ：朱学惫，钱孝星等，董9 8 7 ) 。 由于应用数学与地下水动力学的有机结合，以及电算技术的推广应用，使地下水科学研 究从定性发展到定量研究的新阶段。地下水资源评价的理论从稳定流发展到非稳定流，从二 维流发展到三维流，献一般均衡法、琵拟法，进入掰解析法、数值法，跣及参数研究等，不 论在理论上还是具体的计算技术上都提高到一个新的水平( 石振华，1 9 9 3 ) 。理论上看，尽管 数值法是对渗流偏微分方程的种近似鳃，但在实际应用中完全可以满足精度要求，它可以 解决许多复杂条件下的地下水漆源评价阀题，往往比简纯条僻下的解析法更为精确，数值法 已经被广泛应用于区域地下水动态预测、地下水资源开采评价与规划、水利工程渗漏定量计 算、地瑟沉降预测、海水入侵、深基坑接水、污染物运移等工程实践中。 上世纪最后二十年是地下水资源评价理论和方法研究的重要发展时期。出现了一系列新 的水位预测方法，如灰色系统理论方法，地质统计学法，数据处理组合法及人工神经网络方 法，同时数值法也 ! 譬到了很大的发展。 1 3 国内外地下水数值模拟研究的现状 地下水数值模拟技术产生蠢二十藿纪六十年代。最近约多年来，随着电子译冀视窝数值 方法的发展，数值模拟逐渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动规律和定量评价地下 水资源的主要手段，而且其发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有范畴成为模拟一些 水文地质避程发生和发展的主要技术( 徐恒力，2 1 ) 。 地下水数值模拟是在对地下水进行定最评价的实践中形成和发展起来的。1 9 馓纪以前， 还谈不上对地下水进行定量计舞的问题，1 8 5 6 年法国水力学者达西( d a r c y ) 通过实验提出 了水在孔隙介质中的运动规律达西定律( 魏林宏，束龙仓等2 0 0 0 ) ，这个定律是对地下 水渗流运动定量认识的开始。随后，袭布衣( j d u p u i t ，1 8 6 3 ) 以达西定律为基础，研究了单 向程平葱径向稳定运动，奠定了遗下水稳定漉理论的基毛恚。1 8 8 6 年，e h a n m 首先把高等数 学应用到地下水运动理论中，包括引进等势面和流线、应用拉普拉斯方程和镜像法。1 9 0 5 ， e 梅勒第一次用解析法论证了泉水流量的预测方法( 王大纯，张人权，1 9 9 8 ) 。2 0 世纪3 0 年 代到5 0 年代，泰簸公式c x t h e i s ，1 9 3 5 ) 的出现舞剖了现代水文遗质计算酶新纪元，菲稳定 流模型开始出现并发展起来。6 0 年代以来，由于工农业生产的发展、环境污染的预测和防治、 新能源的开发利用、核废料的贮存等等，使地下水运动的研究深入到更广阔的范畴( 陈葆仁， 洪再吉，1 9 8 8 ；张永波，2 0 0 1 。6 0 年代蘑期随着计算技术豹进步，一黧复杂豹地下水流的 2 绪论 模拟成为可能，使数值模拟方法在地下水计算中得到广泛应用，不论理论上还是工程上分析 地下永的麓力都取得了突破性酶进展，先后出现7 = 维流平嚣( 削面) 模型、准三维流模型、 三维流模挝、耦合模型等。从此进入数学模型的快速发展期( 陈梦雄，蔡祖航，2 0 0 0 ) 。7 0 年 代至8 0 年代，国外以建立水力管理模型为主，并提出了完善的理论和实用方法。9 。年代至 今，随着系统工程理论和最优化技术的发展，越来越多的新算法被用予管理模型的求解。 随着正农业生产的发展和人民生活水平的提高，地下水资源的供需矛盾日益突出，这就对 地下承资源的评价与管理提出了更高的要求，霹要从定量焦度对地下求资源进行预测积评馀， 建立合理歼发利用方案，但水文地质条件本身固有的复杂性，限制了用地下水动力学中建立的 解析法解决问题的广泛性。2 0 世纪7 0 年代中期以后擞值模拟技术的应用使解决这一问题成 为可能。地下水系统数学摸型酌建立，是定量磺究地下水运动援律缒关键( 来学愚，澍春红， 1 9 9 0 ；王文科，李俊亭，1 9 9 5 ) 。经过近3 0 年的时间，地下水模拟在我国得到了长足发展， 经历了从无到有、从简单到复杂的发展历程，发展趋势已远远超出作为一种计算手段的原有 范畴，成为模掇水文遣质过程、发生、发疑的演变规律的主要方法，研究范蚕涉及到落和带、 非饱和带与饱和非饱和带。随着非稳定流理论的发展，以及电子计算机的广泛应用，使得各 种复杂条件下的地下水运动都可应用数值法求解。 目前使用最为广泛的数值法是有限蓑分法和有限单元法，有限差分法子上整纪年代开 始应用于地下水流的模拟计算。1 9 6 8 年凼p i n d e r 等人引入交替方向隐式差分法。随后，s t o n e 、 李竞生等人引入强隐式法。有限单元法蠹我国数学家冯康仓q 建，在上世纪6 0 代后期应用于地 下水流计算中( 王文科，1 9 9 s ；李颖，1 9 9 8 ) 。随翥数值法广泛应用予地下水，形成了有限麓 分法( f d m ) 、边界单元法( b e m ) 和有限分析法( e a m ) 等多种方法并存的局丽( 李俊亭， 1 9 8 9 ) 。 根据不同的方法，国外编制了不同的数值计算软件，这然软件主要有：美国地质调查局 采用有限差分方法的m o d f l o w 程序、加拿大w a t e r l o o 水文地质公司的v i s u a lm o d f l o w 、 v i s u a lg r o u n d w a t e r , 德国w a s y 本资源撬划和系统研究所f e f l o w 有限摹元法，德国卡塞 尔大学p m 有限差分软件、美囡b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 的环境模型研究实验室和美国军队 排水工程实验工作站的g m s ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) ，美国密歇根州立大学的i g w 等 软件( m g m c d o n a l d ，1 9 9 6 ；李树广，餍学清，1 9 9 7 ；丁继红，属德亮，2 0 0 2 ) 。这些国际 流行的地下水流模拟软件，大多共有的特点是数据前后处理技术手段先进，并有友好的人机 交互界露，核心计算程序效率高，并具有可开发性，可以根据需求自豳增加新功能。近2 0 多年来，随着计算机技术的不断进步，地理信息系统在水文水资源领域的应用取得了缀大发 展，地下水数值模拟软件和g i s 系统在地下水资源评价中应用广泛，德圈f r i e d r i c h s c h i l l e r 大 学的m i c h lc h r i s t i a n 将g i s 技术同m o d f l o w 结合运用在s 融r i v e r 在盆地下游禽水层系统 的地下水资源评价中并取得了很好的结聚。他认为将g i s 技术同地下水模型结合仍是未来研 究的热点( 李超群，朱国荣，2 0 0 4 ) 。美阑n e v a d a 沙漠研究所水资源中心的g r e gp o h l k l 等采 用m o d f l o w 软髂对位于n e v a d a 的s h o a l 核试验基地憨核素在墟下水中迂移进行了摸拟， 并建立了水流和迁移模型( b u t o we ，h o l z b e c h e r ，1 9 9 5 ；m i c h lc h r i s t i a n ，1 9 9 6 ) 。美国s a n d h i l l s 地区利用m o d f l o w 和非饱和带水平衡模型对处于半干早半湿润沙丘地区地下水位进行 了模拟及水量平衡分析，为魂下采资源评价翻区域生态傈护提供了分拆方法( g 俊文，周星 3 东j 农鼗大学学颈i 学毽论文 ii, i_i i i l l i i ,m ! ! 鼍皇燃 火等，2 0 0 3 ) 。美国的p a v e l i c 等在研究不同土地利用方式下地下水位对土壤盐渍化影响时选 耀m o d f l o w 模黧来模拟区域地下承流运动，把地剩用方式看成是不同酶方案，考虑它 们对地下水补给的影响，从而在g i s 帮助下模拟了9 种方案下的地下水位在未来2 0 年的变 化( 陈喜，陈汛洪，2 0 0 4 ) 。 我国魂下水数值模拟起步较晚，开始于麓世纪7 0 年代，经过2 0 多年来数学工作者( 肖 树铁、谢舂红、孙纳正、陈明佑、杨天彳亍等) 和水文地质工作者( 林学任、朱学愚、薛禹群、 陈崇希等 _ 跌及秘磷院所的共阕努力，地下水数值模拟的发展越来越迅速，现已接近或达到 豳际水平( p a v e l i c p ，1 9 9 6 ) 。 马腾与王焰新教授合作，运用v i s u a lm o d f l o w 对中国南部一个大型的铀尾矿库进行了铀 迁移的数值仿真模 薹 磺究，分鞘就治理耩不治理情况进行了砖跑砑究。结采表明，在不治理 的情况下有较大污染，而在治理的情况下可以把地下水中的铀控制在一定范围内( 薛禹群， 1 9 9 7 ) 。南京大学的周念清等运用v i s u a lm o d f l o w 对宿迁市地下水资源进行评价，对地下水 承位承量进行模拟和预报，剃定合瑾的开采方案，存效控隶漏斗区承霞的下降，魏合理开发 地下水资源提供依据( 马腾，王焰新，2 0 0 0 ) 。v i s u a lm o d f l o w 用于地下水流模拟，具有 以下几个主要的功熊( 周念清，朱蓉，2 0 0 0 ) ：其一遐水质点的向前、向后示踪流线模拟研究； 其二是任意承均衡域的水均衡项的研究，其含有用予计算任意永均衡域要素的专f 了模块z o n e b u d g e ，可方便地得到所选定均衡域和整个模型区的所有水均衡信息。该功能可帮助地下水 资源研究者矗接确定研究区的均餐项及其数值的大小。此外，它的另一个最重要的用途就是 通过断裂构造所在均衡域的水均衡计算，预测断裂的水通量；其三是允许用户直接接受地理 信息系统( g i s ) 的输出数据文件和各种图形文件，对于充分发挥具有强大空间信息处理与 分橱功能鲍g i s 技术在数值模拟孛的作震意义重大。 在地下水数值计算软件方面，除了应用国外发展成熟的地下水数值模拟软件( 吴剑锋， 朱学愚，2 0 0 0 ；吴剑锋，朱学愚，2 0 0 2 ) ，国内数值模拟软件也有了长足的进步，如长春地质 学院麓“地下隶量水溪模拟视管理程序”、中国缝质大学的“渗瀛计算程痔”弱“三维有限元建下 水计算程序”、西安地质学院的“不规则网格有限差分程序”等，也为国内地下水数值模拟软件 的发展做出了一定的赁献( 王宏，娄华君，2 0 0 3 ) 。 地理信息系统静强大的空闽信息处理与分析功裁，在地下永三维数债模叛中能够发挥重 大的作用，这为开发研制地下水三维数值模拟与g i s 耦合评价模型奠定了坚实的基础。随着 g l s 在水文地质领域中的应用豳益广泛和深入，g i s 和地下水模型之间的联系更加密切，地 下水模拟软件研究与发展将越来越多地受副科学计算可视化技术发展的影响。地下水水流的 数值模拟必将进入一个崭新的时代。 。4 地下水研究发展趋势 目前关于地下水的研究主要从以下几个方面进行( 林学钰，侯印伟，1 9 8 8 ) ：由着重 承量麓研究，迅速转变为量、矮著重，强傀采震的磷究；有麓力浅帮遗下永潜承和浅 层承压水的研究，转变为浅深兼顾，强化深部地下水的研究；由着重均质或视均质含水层 的研究转变为加强非均质，特别是裂隙和岩溶水的研究；由侧重北方的地下水研究转变为 南箍呼应，辩南方推进；壶镤| l 重兴裁磁究的露对，勰强遗下水管理和防治灾害的研究； 4 绪论 由着重眼前问题的硪究推向预测未来的研究，特别耍跟踪大的人类水事活动对地下水动态的 影响，变被动为主动；由着羹采前研究转变为采前采怎研究结台，强化采后研究；俸焉 独立的科学，在深化地下水研究的同时，要重视地下水与其它水体关系的研究，还要十分重 视水体动态 类活动环境诱变社会发展的系统研究；地下水研究，在继续野 发数学手段的同时，要十分重视揭示机理和建立物理模型的研究；把比较分散的研究转变 为相互呼应的联合攻关研究。随着地下水的超量开采，水资源的逐年减少，城市化进程的加 快，各地经济和人弱逐年增长，对承的露求也在逐年增长，因此，对地下水保护翱可持续拜 发的研究是一个长期的任务( s e u y r 。c ，1 9 7 6 ；仵彦卿，1 9 9 5 ) 。 我国地下水科学已经或正在发展成为具有多个分支学科的现代地下水科学体系。从事水 科学酶专溲技术人受和科学家融经认识到，打破原有豹学科分工和研究领域，将地下承与地 表水视为具有密切联系的整体，对水资源评价、预测及开发利用，必须综合考虑地下水与地 表水的统一规划。把地下水的研究与全球环境变化结合起来，把地下水作为全球水循环的一 个环节，+ 魄下永酶鸯关指标( 承量、承位、农质、承温等) 霹作为全球环境变纯的指标。探 讨如何从技术、经济、社会、法律方面管理和保护地下水资源，使地下水资源得到永续利用， 将是地下水工作者长期的任务。同位素技术、“多s ，技术、她下水三维数值模拟技术、非线 性技术等新技术方法的利用，褥成为地下水资源调查、评价帮管理工俸的有效工典，是砑究 手段从过去的单一化向多样化、综合化方向发展。新的理论和技术的应用，会使地下水资源 研究向信息化、数字亿方向发展，将大大提高地下水磺究成果的实用性和可操作性( n e t m a n s p ，1 9 7 5 ：曹剑峰，迟宝明，2 0 0 6 ) 。 1 5 本文研究内容及技术路线 1 研究的主要内容 ( 1 ) 水资源背景状况调查与研究。对研究区水资源组成、水资源开发现状及存在的问题进 行调查分橱，重点对该区地下承承文地矮情况进行深入逸研究，嚼赡地下水流数学模型中源 汇项的各组成要素在空间的分布情况，在此基础上对研究区进行离散化，确定模拟的主要含 水层及含水层的水力特征和地质构造，对边界条件进行概化，建立研究区水文地质概念模型。 ( 2 ) 撼- f 永数值模拟研究。依据建下承求流特毵，结合已建立的水文地质概念模鍪，进徭 地下水水量模拟，建立二维地下水流数学模型，对模型进行求解和验证。 ( 3 ) 地下水水位预报及变化情况分析。根据所建立的地下水水文地质概念模型及数学模 壅，运用v i s u a lm o d r d w 3 1 0 软件建立模拟模黧，制定两种不同开采方案，通过模型预测 两种开采方案下研究区2 0 1 0 年、2 0 1 5 年地下水水位变化情况，得出两种开采方案下地下水 的开采量，该测地下水资源未来可开采爨，并对地下水流场变化情况比较分析，褥出地下水 资源总的交化趋势。 2 技术路线框图 5 东乾农数大学工学矮：学位论文 _ 收集楱荚资料收集并整理 、 g i s 建立专题图g i s 空间数据提取、转援 建立水文地质概念模型 建立地下水数学模型 f 运用v i s u a lm o d f l o w 3 1 0 建立地下水数值模拟模型 模型识别验证 模拟结果显示、分橱、对比 水位预报及情况分析 图i - i 技术路线框图 f i g 1 - 1t h ed i a g r a mo ft e c h n o l o g y r o u t e 6 磷究区基本僚况 研究区基本情况 2 1 自然地理概况 八五三农场位予三江平原东部( ，五兰农场掇告) ，宝清县境内，东南部紧邻宪达由，磷 北及北部以挠力河为界，西南的蛤蟆通河，西北的挠力河，东北的越岭河，是八五三农场的 三条雾河，八五三农场地处东经1 3 2 。2 8 - - 1 3 3 。1 8 ，= l | 二纬稻。2 l - 4 6 。5 l 。，南北长5 2 。5 公里， 东西宽4 5 公里，土地总面积1 1 8 2 平方公里。 2 1 。1 地形地貌 农场地势由东南向西北倾斜，在地貌上以山区到平原呈阶梯式下降，地形起伏很大，本区 在大地构造上属于新华夏系第二隆起带和沉降带的一部分，区内中生代以来主要受新华夏构 造体系所控制。东南部低盘丘陵区长蓑以来一壹为楣对主舞区，其上部第四系覆盖瑟较薄或缺 失，由下古生界跃进山群浅变质的片岩、上古生界二迭系上统凝灰岩、千枚岩、板岩、中生 界侏罗系中下统硅质岩及华力疆早期花岗岩等组成，在低山晟陵与平原接界处有走向n n e 的敦纯密出深大断裂透过。因受其影响，在山前局部形成较深的隧陷，堆积了较厚静第 四系松散沉积物。广大低平原，中生代以来一直为相对下降区，堆积了较厚的第四系亚粘土、 砂、和砂砾石及第三系泥岩、砂岩。下伏中生界地层。在地貌上形成以阶地和漫滩为主体的 堆积地貌祭观。 综合全区地貌形态，根据成因类型和形态类型可划分为剥蚀地形( 低山丘陵) 、剥蚀堆积 地形( 出祷台地) 、堆积地形( 一级阶堍、高漫滩、低漫潍、沼泽) ，其中低由矧夔( i ) 面积 1 3 9 9 平方公里，占全区1 1 4 ，海拔高8 m 1 2 0 米。上复亚粘土，下部为砂砾、泥砾。一级 阶地( i ) 面积为2 0 9 3 平方公里，占全区1 7 0 ，海拔高6 5 8 ；o 米，坡降1 3 0 0 1 1 0 0 0 ，上 部为亚糕主，下部主要由砾砂、褪砂或食砾中砂等组成。焘漫滩( 封艮) 嚣积4 2 3 5 、平方公 里，占全区3 4 5 平方公里，占全区3 4 。5 ，海拔5 5 7 5 米，坡降l 1 0 0 0 1 ，z 0 0 0 ，可被特大洪 水淹没。上部为布予挠力河与蛤蟆通河沿崖，面积1 3 3 3 平方公里，占全区1 0 9 ，海拔5 5 6 0 米，坡降1 2 0 0 0 1 3 0 0 0 ，鬻被洪水淹没，上部力驻糙，下部为孛细砂，含砾糍砂等组或。 沼泽洼地( i i l 4 ) 面积2 0 0 9 平方公里，占全区1 6 3 ，长期积水，表层由淤泥质驻粘土及泥 炭组成。喜水植物丛生。土壤主要为暗棕壤、白浆壤、草甸土、沼泽土、泛滥地土及泥类土 六大类型。地貌分区图如图2 - 1 。 2 。1 2 气象及水文条件 根据1 9 5 4 年至2 0 0 4 年稻年的气象姿料，农场气候属于温暖半湿澜农业气候区，春季干 燥多风，夏季温热多雨，秋季凉爽晴朗，冬季严