（水利工程专业论文）渤海湾地区地下水流模拟模型研究.pdf

摘要 摘要 2 0 世纪以来，随着地下水开采量的不断增加，我国很多开采地下水的城市发 生了不同程度的地面沉降，诱发系列与之有关的地质灾害，制约城市国民经济的 发展。目前。各地不断加强地下水开采的管理，积极进行地下水合理开采的研究。 本论文首先全面分析研究区水资源系统的结构、功能以及输入和输出特点。 然后，建立第四系松散堆积层含水系统三维立体模型、水文地质概念模型以及地 下水流水质数值模型并进行求解，对模型进行初步的识别和验证。 通过对研究区地下水水量及水质的数值模拟研究，进一步了解了地下水动态 变化及水质运移规律。利用已识别和验证后的地下水流模拟模型进行地下水动态 预报。 本文以最大限度开发利用兴城市现代渔业园区的养殖用水为目标，拟定了地 下水可开采量及溶质运移发展趋势的不同预报方案。对典型年条件下、现状开采 状况、扩大渔业园区开采量以及优化开采井布局方案下的地下水进行了预报和评 价。从水量和水质两方面评价井盐水资源的开采潜力，以达到指导渔业园区井盐 水资源合理开发和利用、实现渔业园区可持续发展的最终目的。 关键词：地下水；水流模型；第四系松散堆积层；海水入侵；地下水可开采量 a b 吼r a c t a b s t r a c t s i n c e 山e2 0 t hc e n t l l r y ，谢t ht h ee x p l o i 协t i o no fg r o u n d w a t e ri n c r e a s i n ge n d l e s s l y ， m a n yc m e sw h i c he x p l o i t e dt h eg r o u n d w a t c ri no u rc o u n t r yh a v e 印p e a r e dd i 丘b r e m d e g r e e s l 锄ds u b s i d e n c e ，a 1 1 d1 0 t s0 fg e 0 1 0 9 i c a ld i s a s t e r sc a u s e db ym i n i i l g g r o u n d w a t e rh a 、，eh a p p e n e d ，血ed e v e l o p m e n to ft h ec i t i e s i ne c o n o m i ch a v eb e e n r e s t r i c t e d a tp r e s e n t ，e a c ha r e ae r l h a n c e st h em a n a 2 e m e n to fm i l l i n gt h e 掣o u n d w a t e r c o n t 访u a l l y 趾dc a m e so u tm es t t l d i e so f r e a s o n a b l em i i l i i l ga c t i v e ly a b o v ea 1 1 ，也i sp 印e rs y s t e m a t i c m l ya n a l y s e st h es 协j c n l r e ，m ef u n c t i o n ，t h e b o u n d a r ye n v i r o m e ma n d 山ep 傩i n gi 1 1 o u tc h a r a c t e r i s t i co f t h er c s e a r c hr c g i o n m l d t h e n ，s e t su pm e3 一dm o d e lo ft l l ef o r t h 衔a _ b l ec o n s 咖c t i o n a ls u p e r i n c u m b e n tb e d w a t e r - c o n t e ms y s t e m ，也em o d e lo fh y d r o l o g y - g e o g r a p h i c a lc o n c 印ta j l dt h e n u m e r i c a lm o d e lo f 廿1 eq u a l i “o f 田o u i l d w a t e rt oi i l i t i a l l yr c c o g 面z ea n dv a l i d a t e t h e s em o d e l s 1 1 1 r o u 曲t 1 1 es t u d i e so f 也en u i n c r i c a ls i m u l a t i o no f m eq u a n t i 够a n dm eq u a l 时o f t h e 盯o u n d w a t e ro ft 1 1 er e s e a r c hr e g i o n ，i v eh a da 血r t h c rr e a l i z a t i o no ft h ed ”l a m i c r e g u l 砒i o na n dt 1 1 eq u a l 埘m o v e m e n tt r e n do fg r o l l l l d w a t e r u s i n gt 1 1 er e c o g i l i z e da d v a l i d a t e ds i m l 】1 撕o nm o d e lo f 翠0 u n d w a t e rf o r e c a s t 也e 掣o u n d w a t e rr e s o _ l l r c e s t l l i sa r t i c l ea i m e dt oe x d l o i ta n dm a k e 如l lu s eo f 吐1 cc u l n l r ew a t e ro f t h em o d e m p i s c a t o r i a ig a r d e nmm a ) 【i m l l m ，a n ds t i l d i e do u tv a r i o u ss c h e m e sf o r 1 eq u a l l t i t yo f t h e 伊o u n dw a t e rt ob ep o s s i b l et om i n ea n d t h cr n i 刚i o nd e v e l o p m e mt e n d e n c y ，a n d t h e ns e l e c t e dr e l i a b l ey c 盯st of o r c c a s ta n d 嬲s e s st 1 1 e 掣o l 】1 1 d w a t e rs t a t eo nm e c o n d “i o no fp r e s e me x p l o i t ，廿1 eg r o u n d w a t e rs t a t eo nt l l ec o n d i t i o no fe n l a r g i n g 廿1 e e x p l o i t a t i o no ft l l ep i s c a t o r i a lg a r d e na n do fo p t i 血z i n gt h ed i s t r i b u t i o no ft h e d r a r w e l l a l s oa s s e s s i n gt h ep o t e n t i a je x p l o i t a t i o no ft l l eb i i n er e s o l l r c e so fw e l l 靠o mt 1 1 ea s p e c t so fq u 肌t i t ya n dq u a l i t y ，i no r d e rt oi n s 抓l c ti tr e a s o n a b l ei n d e v e l o p m e n ta n du s i n g t h c nr e a i i z e dt h eu l t i m a t ep u r p o s eo fs u s t a i na _ b l ed e v e l o p r n e n t o f t h ep i s c a t o r i a lg a r d e n k e y w o r d s ：g r o u i l d w a t e r ； n o wm o d e l ； g u a rt e m a r y l o o s es e d i m e n t s ； s e 鲫v a t c r i n t m s i o n ；a 1 1 0 w a b l e 、 ，i m d i 删0 fg r o l l i l dw a t e l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：垒峦盆2 0 0 6 年汨够日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 坠缸芷2 0 0 6 年够月乒日 第一章绪论 1 1 论文选题背景 第一章绪论 兴城现代渔业园区坐落在濒临渤海湾西岸的兴城曹庄镇，近海滩涂广阔，地 下井盐水充沛。利用丰富的地下井盐水咸水资源，采用大棚养殖模式，实行井盐 水工厂化养鱼。兴城现代渔业园区的建成和发展，给兴城市的渔业发展带来更加 先进的经营理念和管理技术，加快了兴城市向渔业现代化、国际化进程。 随着养殖规模的扩大，井盐水开采量的迅速增加，导致区域水位普遍下降， 局部出现井盐水枯竭和海水入侵现象。为科学利用井盐水资源，保证渔业园区可 持续发展，对园区井盐水资源量及其分布进行的准确评价和预测，研究兴城现代 渔业园区井盐水资源的开发利用前景，规范园区的井盐水开采，是目前迫切需要 进行的重要工作。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 作为定量化描述的地下水资源，是1 9 世纪中叶开始的，法国工程师达西 ( d a r c y ，h ) 于1 8 6 5 年根据砂槽模型水流试验，提出地下水的运动规律，即著 名的达西定律，奠定了地下水资源评价中计算方法的理论基础。法国人裘布依 ( d u p u i t ，j ) 于1 8 6 3 年提出了地下水流向井的稳定流公式，其中有著名的裘布 依假设，至今仍为人们采用。美国人泰斯( t h i e s ，c v ) 于1 9 3 5 年提出了地下 水流向井的非稳定流公式。泰斯公式的发展，使地下水资源评价研究进入了一个 新的发展阶段【l 】。 地下水模型，在地下水资源评价发展过程中起了极其重要作用。砂槽模型是 物理模型的一种，即通过装有均匀沙子的圆筒，测算渗流量与过水断面面积和水 头损失之间的关系，达西定律的提出，就是砂槽模型试验的结果。后来很多学者， 包括马斯凯特( m u s k a t ，m ) 于1 9 3 5 年使用砂槽模型研究地下水的辐射流。电 模型是相似模型的一种，帕夫洛夫斯基( 踟o b c 姐蠡，h h ) 于1 9 2 2 年开始使 用电模型来研究地下水渗流问题，后来这种模型发展为电阻电容网络，在电子计 算机用于研究渗流问题之前，是进行区域地下水资源评价的重要手段，直到今天 还不失其重要意义。相似模型还有缝隙槽、水力积分仪。缝隙槽是两块平行板之 间粘性流体流动模拟装置，对二维地下水流动的研究是十分著名的。其基本依据 是，控制多孔介质中饱和带水流的微分方程与描述平行板之间窄缝内粘性液体流 动的微分方程之间的相似性。海莱绍( h e l e s h a w ) 于1 8 9 7 年和1 8 9 8 年首 第一章绪论 先提出这种模拟装置，前苏联学者扎马林( 3 蹦叩皿，e a ) 于1 9 3 1 年大概是第 一个应用它研究通过土坝的渗流。达赫莱尔( d a c h e r ) 于1 9 3 6 年使用这种装置 来研究地下水的流动。水力积分仪是卢利扬诺夫( j 驷h 棚o b ，b c ) 于1 9 3 7 年开 始使用。地下水数值模型作为方法的有限差分，应用在渗流理论研究是比较早的， 可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，但广泛使用还是在电子计算机被广泛应用之后， 沃尔顿( w 甜t o n ，w c ) 等人于1 9 6 1 年开始用数值模型分析地下水问题，梯森 ( t v s o n n h ) 等人于1 9 6 4 年开始应用于地下水模型进行地下水资源评价和管 理。 近3 0 多年来，地下水的开发利用得到了空前的发展，因而地下水资源评价 理论与方法也随着飞跃发展。特别是电子计算机的发展，使得以有限差分和有限 元为计算方法的地下水数值模型得到了迅猛发展，如德国 n q k 公司的含水层模 拟模型软件包a s m w i n ；u s e n v i r o m e n “p r o t e c t i o na g e n c y 的模仿物质在地 下流动、传输情况，以及最终结果的c s m o s 地下水模型软件；加拿大w j t e r l 0 0 5 水利软件公司的污染物传输模型c h e e m f l l l ) 【2 d ；美国地质调查局叫s g s ) 的专门 用于孔隙介质中三维地下水流数值模拟的模型m o d f l a w 等。其他学科的理论和 方法也被地下水资源评价所应用，如人工神经网络模型应用在地下水水质评价分 类中；热红外遥感技术应用于地下水资源的勘探与评价中；借助同位素技术， 确定补给的水源和区域，确定补给的过程，估计补给率和估计分散的排放率，能 够标绘特别是跨边界蓄水层的水的运移发生情况，改进对与邻近地表地下水体 的水力联系的评价，评估资源，能够证实通过传统水文学调研得到的结论等。地 理信息系统( g i s ) 应用于地下水的管理决策支持系统，应用于地下水的污染控 制，应用于区域地表水和地下水的联合研究，应用于设计和建立地下水水质监测 网，应用于编制水文地质图等。这些科学技术的发展和应用，使地下水资源评价 从小范围的局部地区扩展到大面积区域，使地下水资源调查评价发展到地下水系 统的评价管理”】。此外，在承压水的越流理论，潜水的延迟给水理论，裂隙空 隙水的双重空隙介质理论，地下水弥散理论，地下水水质模型，饱和与非饱和联 合数学模型，地下水资源系统分析等很多方面，均取得了显著进展。 我国在地下水资源评价方面的进展也是迅速的，在2 0 世纪5 0 年代，为新 兴的工业基地和城市供水，进行了许多城市厂矿供水水文地质勘察，如北京、包 头、西安和石家庄等市。自6 0 年代以来，在平原区为农田灌溉供水开展了大规 模的地下水资源勘探与开发，同时为解决基岩山区厂矿供水问题、缺水地区人们 饮水困难问题，寻找地下水源，并进行勘探开发p ”】。2 0 世纪8 0 年代，在全国 范围内开展了大规模的用水调查与水资源评价活动，取得了大量的研究成果。水 资源的各种研究工作相继展开，取得的研究成果和有关资料，为水资源的合理开 发利用提供了借鉴和依据。 地下水数值模型，已经得到迅速发展，能普遍用来研究地下水资源问题。与 第一章绪论 此同时，解析模型仍继续发展，并取得了一些新的突破。但是，就地下水资源评 价这一复杂问题而言，目前还没有一种万能的方法可供使用。这是地下水资源的 特点所决定的。因此，无论哪一地区，地下水资源评价都必须从调查水文地质条 件着手，根据要求，选择适宜的评价方法进行评价m “”。 1 3 建设目标及研究内容 本论文主要从水量和水质两方面对渔业园区及周边的地下水( 含井盐水) 资 源进行分析研究，同时考虑海水入侵，以及由于井盐水资源的开发对该地区生态 环境的影响问题，为合理规划现代渔业园区，实现渔业园区的可持续发展提供科 学依据。 具体内容包括： ( 1 ) 对地下水开发利用情况进行调查，了解研究区地下水( 含井盐水) 开 发利用现状； ( 2 ) 在收集前人工作成果资料的基础上，开展野外水文地质调查、勘察工 作，进行园区内井盐水开采井的坐标、高程测定，以及地下水水位和水质变化规 律监测； ( 3 ) 建立研究区地下水系统概念模型；建立、识别、验证并运行研究区模 拟模型，预报区域地下水流状态及水质变化趋势，从水量和水质两方面评价井盐 水资源的开采潜力。 ( 4 ) 提出优化开采方案和优化开采量，对开发和管理渔业园区井盐水资源 提出合理的建议。 第一章地理特j ：戍水殳地赝条件 第二章自然地理及水文地质条件 2 1 地理特性 2 1 1 地理位置 研究区位十渤海辽东湾西岸， j 二政区划隶属兴城_ 丁管辖，地理位置介j 二北 纬4 0 。3 1 1 8 ”- 4 0 。3 3 5 4 ”，东经1 2 0 。3 8 0 0 ”一1 2 0 。4 3 5 ，3 0 ”之n u 。全区东西长8 2 3 k m ， 南北宽5 3 1 k m ，幅员2 3 4 2 k m 2 。 区内交通便利，沈山铁路，沈山高速公路和 1 0 2 圈道员穿工作区，是连通关内外的交通要道，各市县均有公路相通。研究 区变通俯置见图2 1 。 2 1 2 气象气候 图2 1 研究区交通位置图 木区属暖湿带季j x l 型大陆性气候，年内p u 季分叫，多年平均年，i 温8 6 ， 最高7 l 温达3 6 ，最低气温达一2 0 。春季十旱少阿，盛行西南风；夏季炎热多 第二章地理特征及水文地质条件 雨；秋季少雨，温差大；冬季寒冷干燥，盛行西北风。 多年平均降雨量为5 9 5 r n m ，最小年份3 4 2 m m ，最大年份9 0 0 m m ，雨量多集 中于0 9 月。多年平均蒸发量1 4 7 2 5 r m 。冻结深度o 9 4 1 2 m 。 2 1 3 水文 甲河是流经研究区内唯一的河流。从西北方向入境，斜贯研究区中部，注入 渤海。研究区内河长7 2 5 0 m ，年均径流量o 4 2 8 亿m 3 ，径流量主要集中在6 9 月 份。 2 2 地质概况 本区位于滨海地带地势西北高，东南低，微向海滩方向倾斜，标高一般在 1 2 3 5 m 之间。由于人工养殖池塘呈串珠状展布，使地表凹凸不平。 微地貌为冲海积平原，甲河在工作区至西向东入海，河口及海湾处有砂咀， 砂坝等堆积地形，大部分土壤有盐渍化现象。 第四系松散堆积物( q 4 “) 分布厚度8 2 0 m ( 见图2 2 ) 。顶部主要分布一些 黄褐色、灰褐色粉土、细砂、中砂、粗砂等，呈松散状态，渗透性较好，厚度 3 5 m ；局部浅层埋藏淤泥及淤泥质粉质粘土透镜体，主要分布在园区东北部， 厚度不大：下部为砂卵石层，黄褐色，海积成因，卵砾含量3 0 5 0 ，粒径不 均，粗细交错，砾石成份较杂，冲海积成因，磨圆好，级配好，分选差，厚度较 稳定，一般为1 5 1 8 米。 在研究区大面积被第四系堆积物覆盖，白垩系义县组安山质火山角砾岩 ( k 1 y ) 仅在卧牛山一带出露，红褐色灰黑色，斑状结构，斑晶以假长石为主， 块状构造，风化裂隙发育。 2 3 水文地质条件 2 3 1 地下水的赋存规律 区内地下水含水层的特性，可将区域的含水层划分为基岩裂隙含水层组和松 散岩类孔隙含水层组。后者按含水层成因和结构特征分为冲洪积砂砾卵石含水岩 组、坡洪积砂砾( 碎) 石透镜体( 或薄层) 含水岩组和冲海积砂砾卵石含水岩组。 研究区含水层水文地质图及水文地质剖面图见图2 2 。 第二章地理特征及水文地质条件 ( 1 ) 冲洪积砂砾卵石淡水含水岩组 含水层顶部普遍覆盖着一层厚o 5 4 0 m 的全新统冲洪积亚砂土或亚粘土。 含水层底界深度5 2 5 m 。下伏太古界混合花岗岩及侏罗系安山岩。 按富水等级标准，可划分出三个富水等级分区： 水量丰富区。仅分布在朱家北一带和小英堡村南附近很小的范围内。含水 层厚度1 4 2 2 0 o m ，富水性强，单井涌水量2 0 0 0 一5 0 0 0 岔d ，水位埋深4 6 m 者居多，最大8 m 。 水量较丰富区。分布在曹庄、中兴屯、大英堡、朱家等大部分地区，分布 面积较大，含水层厚度较稳定多在1 6 2 3 m ，富水性较好，单井涌水量1 0 0 0 2 0 0 0m 3 d 。水位埋深5 7 m 左右，最大1 0 7 m 。 水量中等区。在研究区内主要分布在沿曹庄镇宽5 0 0 m 的南北向的狭长一 带，含水层厚度4 1 4 m ，最厚2 0 m 。含水层渗透性差异大，受地貌、含水层岩 性、厚度、结构的影响，富水性变化大，单井涌水量2 0 0 一9 0 0m 3 d ，在河流附 近单井涌水量可达2 0 0 0m 3 d 左右。地下水埋深多为3 5 m 。 ( 2 ) 坡洪积砂砾( 碎) 石薄层( 或透镜体) 含水岩组 分布于山前坡洪积裙和山间沟谷。在此次研究区只分布在七里坡南的山前一 带，面积不大。含水层由上更新统坡洪积砂砾( 碎) 石构成，多以薄层或透镜体 存在。分选、磨圆不好，含粘性土，部分砾石已风化。钻孔揭露厚度多为2 5 m ， 最大8 8 m ，局部无含水层，含水层渗透性较弱，渗透系数小于2 0 m d ，富水不均 匀，单井涌水量多小于5 0 0m 3 d ，仅在汇水条件好的地方稍有增加，属水量贫乏 地段。 ( 3 ) 冲海积砂砾卵石( 或混土) 含水岩组。 分布于沿海一带，地面标高小于3 m 。含水层之上覆盖以灰、灰褐色亚砂土 为主的冲海积层，厚度小于l m 。含水层下伏太古界混合花岗岩及中生代侏罗纪 安山岩。 含水层顶部为冲海积砂砾石，其下均为上中更新统冲洪积砂砾石，砂砾石混 土分选、磨圆不好，并夹有粘性土透镜体。含水层厚度变化大，最厚2 5 7 m ，薄 者小于6 m 。 地下水位埋深小于5 m ，渗透性变化大，k = 7 9 4 5 2 m d 。富水性受含水层 6 第i 章地理特 _ | ：及水文地质条件 厚度控制，变化较大，单井涌水景由1 0 0 m 3 d 至2 0 0 0 m 3 d 。 图2 2 研究区含水层水文地质图及水文地质剖面图 2 3 2 地下水的补径排条件 天然条件下，奉区地f 水补给来源主要为大气降水和上游地下水径流补给， 地卜水m 西北力向的山前地带向东南的海岸力向径流，主要排泄力式为流入海洋 和潜水蒸发。 该区的沿海一带海水与淡水之l 训无明显隔水层，海水与地卜淡水存存水力联 系，咸水呈楔状由海滩方l _ 向内陆淡水体侵入，形成个倾向陆地的咸淡水界面， 界面形态及延伸k 度，十要受陆地向海洋方向淡水径流量的影响，而地下淡水径 流量又受卜游开采和补给的控制。近年来，由丁升灌稻阳在咸淡水边界附近大最 开采地下水，在丌采期形成区域水位降，该区流向咸水方向的地下淡水径流量剧 第一葶地理特征殷水文地质条件 减；渔业凶区的建成和投产，人量开采井盐水，导致咸水界面内移，海水入侵。 以上多种原因影响r 研究区原有的地下水平衡关系，形成了新的补径排条件。 在原有的两项补给源大气降水入渗补给和上游地下水径流补给的基础 上，新增了甲河河道入渗补给量和海水入侵补给量。大气降水入渗补给仍然为区 域的地下水补给源之一。大气降水入渗补给量在时间上分布小均匀，多集中在6 9 月份。山于渔业b q 区井盐水的外采，区域地下水位的下降，甲河河水入渗成 为区域新的补给源之一。该项补给量除了与河水径流量有关外，还与时川和地段 有关：其f 段受地下水丌采的直接影响，入渗强度大些，上段则小些。而渔、i k 同 区在近海地，带咸水区的人量外采，使海水成为本区地下水最大的补给源。 目前条件下的地下水排泄方式，主要为农、i e 开采利养贿开采，及少量蒸发。 ， 。采量约l 吁总排泄量的9 0 以上。农业丌采在数黾和时间上是小连续非均匀的， 主要集。 】存5 9 月份，外采强度最大的地段位于咸淡水边界附近。 2 3 3 地下水动态特征 研究区地r 水动态f q 分为四种类型：入渗径流型：水位受季节变化影u 向明 显，在丰水期，地下水位随降雨量增大而增高，至枯水期水位逐渐衰减，如图 2 1 所示，该类型主要分布j 远离海岸且丌采不人的地区。潮汐效应型：地下 水水头随着海潮涨落而有规律的波动，如图2 4 所示。该种类型主要局限于沿海 图2 3 降水量与地下水位关系图 岸2 3 k m 的范同内。丌采动态型：长期集中丌采的地段，地下水动态主要受 开采控制，一般已形成较稳定的以外采井为中心的降落漏q 一，以小英馕观测井为 例，夏季因稻f f l = j | ：采，水位明显下降。如图2 5 所示。河道影响型：傍河地区， 第一章地理特征及水文地质条件 地下水1 ，地表水关系密切，地下水水位受河水位影响。总之，该区地下水动态受 降雨、海潮、河流和人工”采的影响，是上述四种动态类型中一种或几种影响的 叠加。 图2 4 近海观测孔潮汐观测曲线图 图2 5 小英堡村观测井水位动态曲线图 2 3 4 地下水化学特征 研究区地下水的化学特征主要受海水入侵的影响，以及地貌、含水介质， 水循环交替条件的控制。滨海半原自北西i _ 南东水化学类型由重碳酸氯钙钠型水 过渡到氯化物钠型水，矿化度山山前丘陵区小于0 3 9 1 增高至沿海区域1 5 2 0 9 l 。 随矿化度的增高，c 1 ，n a + 离子含量显著增高。见地卜水水化学类型表( 表2 1 ) 。 2 4 地下水开发利用现状 研究区地下水利用程度较高，主要用于农业灌溉、渔业养殖和乡村居民饮用 及牲畜用水量。年丌采地下水量为2 3 1 8 7 3m 3 。供水水源开采的丰要层化足松散 第二章地理特征及水文地质条件 岩类孔隙含水层，现状开采井的主要分布区域见图2 6 。 ( 1 ) 农业用水情况 研究区内稻田面积约4 0 1 4 8 6 亩，水田区内农灌井星罗棋布，农业开采井可 表2 1 地下水水化学类型表 取水地点水化学类型库尔洛夫式 四家集团南约5 0 0 米4 9 型( c l _ 一n a _ ) c ，s 篇 渔业园北区排水沟4 8 型( c l _ 一n a + + m f + ) c 氓。恐， 葫芦岛种苗繁育 4 8 型( c l _ 一n a + + m 9 2 + ) c 喏o o 。m 一坛。，。甓i ，。 中心东侧1 0 0 米 1 2 号井4 8 型( c l - 一n a + + m f + ) c 。甓赢。 大英堡村边稻田井 4 4 型( c l - 一c a 2 + + m 9 2 + ) c 。鬟急。 朱家小学对面 2 5 型( h c 0 3 一+ c l 一一c a 2 + c 嘛。屹。麦爰：舞。 人家扬井 + n a + ) 1 0 第：章地珲特 ：_ ：及水文地质条件 图2 6 研究区重点开采区分布略图( 2 0 0 5 年9 月) 达1 2 0 余眼。灌溉时间为5 月初j 三9 月下旬，农、【 | 采区卡要分布在远离海岸的 地段，此区农r r | 开采模数般为5 6 0 m 3 ( a - 市) ，研究区年均农、i k 丌采的地f 水总 量约为2 2 4 8 3 jm 3 。 ( 2 ) 渔业园区养殖用水情况 曹庄地段海岸线长1 5 9 k m ，为砾砂质海岸，冲洪积、冲海积松散沉积物延 伸至海底，为咸水提供了优越的赋存条件。渔业园区的养殖用水为海水倒灌与地 f 淡水的混合水，约，研究区丌采总量的9 0 。根据吲区现有的大棚数及h 需水 量，估算的养殖用水jr 采量约为5 6 2 1 0 4 m 3 d 。 ( 3 ) 乡村居民饮用及牲畜用水量 通过对研究区乡村居民人厂】计牲台数量的调查，根据用水定额计算，研究区 该项年用水量4 2 0 2 万m 3 。 表2 2 研究区现状地下水开采量单位：1 0 4 m 第二章地理特征及水文地质条件 2 5 海水入侵现状、原因与特征 海水入侵是一种缓变性地质灾害。它是指由于自然因素和人为因素的影响， 滨海地区水动力条件发生变化，地下淡水与海、咸水间的平衡状态遭到破坏，导 致海水或高矿化咸水沿含水层逐渐向内陆侵染，造成入侵带内水质恶化、生态环 境破坏的现象或过程。 随着研究区工农业的迅速发展，大量开采地下水，破坏了滨海一带地下水 的咸淡动态平衡，造成滨海地区不同程度的海水入侵。 研究区内海水入侵的形式是沿海岸线面状入侵和沿甲河线状及舌状入侵相 结合。受卧牛山的阻水作用，卧牛山东部入侵程度较弱。8 0 年代末，入侵范围 仅沿海岸线向内延伸1 2 k m 2 ，入侵范围如图2 7 所示。本次工作，通过对研究 区氯离子浓度的普查，以氯离子浓度超过2 5 0 m l 为海水入侵的指标，做出海水 入侵范围现状如图2 8 所示。 研究区海水入侵主要是由研究区地下水资源开发利用引起的。一者由于研究 区地下淡水资源的大量开发利用( 包括农业和农村用水) ，导致地下径流入海的 淡水减少；二者由于渔业园区井盐水的开采，地下水位持续下降，水动力条件发 生变化，由于滨海平原地势平坦，地下水位高程较小，围绕开采漏斗中心形成大 面积水位负值区，海水向淡水区反向径流，从而使咸淡水界面向内陆推进，造成 地下淡水咸化。 第一蒂地理特征及水文地质条件 图2 71 9 8 0 年代末海水入侵区域图 图2 8 现状( 2 0 0 5 年9 月) 海水入侵区域图 第一章 i | 究区数值模拟模型的建 第三章研究区数值模拟模型的建立 3 1 第四系松散堆积层含水系统三维立体模型 建市i 维市体模型，能清楚地呈现整个研究区含水层整体上的窄问组合关 系，更有利于认识研究区内的水文地质条件，同时也为建立研究区的数值模型进 行地下水位的预报奠定良好的基础m j 。 本区含水系统i 维立体模型的建立是在充分收集利用已有的地质资料和本 次勘测钻孔资料的基础上，利用g m s ( 地下水流模拟系统) 软件中s 0 l i d 模块， 采用钻孔问插值法进行的。考虑到各堆积层存区域j 一分布的不均匀性及其沉积年 代的一致性，对部分层位进行了概化。 小区含水系统的主要位于冲洪积平原及河谷中，面积较大。含水层颗粒较粗， 以冲洪积砂砾右，砂砾卵右混十为卡，最大颗粒直径1 0 0 一1 5 0 毫米。 乖直方向，上部全新统( q 4 ) 含水层为砂砾石为主，颗粒较l l 、卜部细，含水 量少，有定分选，多次棱角状，部分混圆状。中部上更新统( q 3 ) 含水层以砂砾 石为主混一定量土，分选磨圆不佳，部分砾卵石已轻度风化。底部中更新统( q 2 ) 以砂砾石混上为主，分选磨圆差，砾卵石风化较重。各小同时期的含水层白j 无隔 水层，构成统的含水体。 图3 1 研究区含水系统三维立体模型示意图 第三章研究l 芝数值模拟模型的矬世 图3 2 研究区含水系统结构透视图 研究区含水系统_ = _ 三维立体模型示意图及结构透视图见图3 1 和图3 2 。 3 2 水文地质概念模型 ( 1 ) 模拟计算范围 研究区位于兴城曹庄镇渤海两岸，数值计算区的范刚为曹序一大英毽以南， 曹庄一七罩坡( 上坡子) 以东，北西以与丘陵山区的接触边界为界，北东以渤海 海岸线为界。总面积2 3 4 2 k m 2 。计算区顶部边界为潜水面，底部边界为第四系 砂土和亚砂土含水层的下限。 ( 2 ) 模拟计算甘的层 研究区内的不i 司时期的含水层问无隔水层，具有统一水力联系的，因此将以 冲洪积砂砾石，砂砾卵石混土为主的含水层作为目的层。研究区内的目的层总体 山两向东呈逐渐变厚、南北到南变化平缓的趋势，整个区域含水层概化为砂砾卵 石层，西部山体隔水边界厚度o 6 m ，由西南向东北延伸8 k m ，呈平缓的“v ”字 形变化，最厚度达2 7 m ，东部边界含水层厚度为2 5 m 。自东南沿海向西北方向， 含水层厚度逐渐减少，但在研究区范刚内厚度变化幅度较小，一般在2 3 - 2 5 米之 问变化。此外，在研究区东南沿海边界的中部，有卧牛山和小孤山出露，高程分 别为3 0 3 米和1 3 3 米，岩性为安i ij 质火山角砾岩，其周罔含水层厚度向【体逐 渐尖灭“。 ( 3 ) 目的层水力特征 第三章研究区数值模拟模型的建立 根据对研究区地下水水位的观测，以及对地下水流场的综合分析概化，该目 的层地下水水流为二维层流。目的层接受西北部地下径流、甲河的渗漏、补给以 及东南沿海海水的侧向补给；目的层上部为亚砂土所覆盖，接受降水补给；研究 区内东北部种植大面积的稻田，存在灌溉回渗水：沿海地带呈串珠状的养鱼池塘 的渗漏补给。 ( 4 ) 边界条件概化 侧向边界：研究区是一个比较完整的水文地质单元，西南侧为基岩与第四系 的接触界限，概化为隔水边界；西北为地下水侧向流量边界；北部边界与地下水 流线基本平行，近似做零流量边界处理：东部是海边：界一定水头、定浓度的边 界。 垂向边界：上部边界为潜水面，是位置不断变化的水量交换边界，有降水入 渗、人工开采和农业灌溉回渗等；下部边界以白垩系义县组安山质火山角砾岩顶 板为界，概化为隔水边界。 3 3 地下水数值模型的建立及求解 3 3 1 地下水数学模型 根据该系统的结构特征，输入输出特征，边界和环境特征，可将本区地下水 流系统概化为非均质、各向同性、二维、潜水非稳定地下水流系统，用如下定解 问题来进行描述： 式中： 昙【世( 一印罢】+ 杀 k ( 矗一回等】+ 州t y ，f ) 一s ：( 墨y ，f ) = 警( 力d ，o蕊卵 卯讲”，一。 ( 石，y ，0 ) = o ( 茁，力 ( x ，) ，f ) l = 矗i ( x ，y ，r ) 砌叫罢卜孵出f ) d 阼 h ，四分别为含水层水位和底板标高( m ) ( x ，y ) d ( x ，y ) i 一，r 0 ( x ，y ) r 2 ，f o 毛( x ，y ，f ) ，占：( x ，y ，f ) 分别为含水层的补给强度和排泄强度( 耐d ) g ( x ，y ，f ) 第二类边界单宽流量( m 2 d ) 1 6 第三章研究区数值模拟模型的建立 足渗透系数洲d ) ； ( x ，y ) 初始水位( m ) ： 啊( x ，y ，f ) 第一类边界点水位( m ) ： 潜水含水层储水系数( 给水度) 含水系统二维溶质运移的定解问题为： 式中： 望d ；：；i 型= 詈 岛：塑! 丢趔 一詈 c ( 一一曰加k 卜c 矿 c ( pf ) = c 0 0 ，y ) c ( 矗y ，f ) = c 1 ( z ，y ) d i j 善：z y ) 。挑 ，曰分别为含水层水位和底板标高 c 地下水中的溶质浓度： 坳水动力弥散系数： 7 ，地下水的实际流速； c 源汇项的浓度： h 有效孑l 隙度； 韧始浓度； l - 一类边界浓度； ，二类边界浓度函数。 3 3 2 数学模型的求解 上述地下水流数学模型应用加拿大w m 开发的一套专门用于孔隙介质中地 下水三维有限差分可视化数值模拟软件s u a lm o d f l o w 软件求解。 3 3 3 空间离散 计算区面积为2 3 4 2 k m 2 ，采用v m o d 进行自动矩形网格剖分，共剖分矩形 第一章卅究k 数值模拟模型的建、， 网格中元2 9 2 8 个，每个睢元面积1 0 0 8 0 m 2 。模型的网格剖分见图3 3 。 3 3 4 时间离散 图3 3 计算区矩形剖分图 模拟期为2 0 0 5 年1 月1 同到2 0 0 5 午9 月7 日。根据地下水动态观测、农业 开采、灌溉f i i 渗以及海水的潮汐作用等因素，将模拟期划分以卜两个时段： 2 0 0 5 1 1 2 0 0 5 8 2 8 ( 2 4 0 d ) ，2 0 0 5 8 2 9 2 0 0 5 9 7 ( 1 0 d ) 。选取有较多水位观测 资料的时间段( 2 0 0 5 8 2 9 2 0 0 5 9 7 ) 进行数学模型识别，另一时间段( 2 0 0 5 1 ，1 2 0 0 5 8 2 8 ) 来进行数学模型的验证。 3 3 5 水文地质参数初值的确定和参数区划分 水次计算采用的参数初值有：渗透系数，给水度，降水入渗系数和弥散度。 根据区内的水文地质条件、各含水层的岩性，结合经验数据资料，确定奉区各层 含水层的水文地质参数7 。“。 ( 1 ) 渗透系数 研究区含水层颗粒较粗，以冲洪积砂砾石，砂砾卵石为主，最大颗粒直径为 第一章研究区数值模拟模型的建讧 1 0 0 1 5 0 m m 。根据已有资料兴城地区水文地质图中的富水性区域，来划分渗 透系数分区，如图3 4 所示。结合渗透系数经验数值确定研究区的渗透系数初始 值( 表3 1 ) 。 图3 4 研究区渗透系数分区 表3 1 研究区渗透系数初始值 分区编号渗透系数( m d )分区编i 渗透系数( m d ) i0v5 0 i t 2 0 6 0 i 3 0 5 0 4 08 0 ( 2 ) 给水度 根据研究区岩性利含水层导水性质，给水度的参数分区划分和渗透系数的分 区划分一致。根据区域水文地质图以及现场观测情况来确定出研究区的给水度值 ( 表3 2 ) 。 第二节研究k 数值模拟模型的建一 表3 2 研究区给水度初始值 分区编弓给水度( 叫d )分医编号给水度( m d ) i00 0 0 0 1vo _ 2 i io 1v 【0 2 2 l 0 1 v 0l o 1 2 o 2 5 ( 3 ) 降水入渗系数 根据兴城市1 9 5 6 年至2 0 0 0 年的降水资料，以及现场调查圈定的地表覆盖类 型，来确定研究区的降水入渗分| 又：，如图3 5 所示。结合研究区的岩，降类型，确 定研究区的降水入渗初始值( 表3 3 ) 。 图3 5 降水入渗系数分区图 表3 3 研究区降水入渗系数初始值 分医编寸降水入渗仞值分医编号降水入渗初 0o iv o 2 5o 2 i i 0 1 5 0 i i i 00 1 第三章研究区数值模拟模型的建立 ( 4 ) 灌溉水渗漏系数 灌溉水渗漏系数不仅与包气带岩性和厚度有关，而且与水稻不同生长期有 关。根据现场调查和所提供的兴城地区水文地质剖面图，确定出研究区的灌溉水 渗漏系数如表3 4 所示： 表3 4 研究区灌溉水渗漏系数初始值 ( 5 ) 弥散度 弥散度是海水入侵过渡带模型及其他地下水运移问题中最重要的参数之 一，它影响着过渡带或污染带的形状和范围。该项参数将通过模拟显著的溶质运 移过程来获取。 3 3 6 源汇项的确定及概化 研究区砂砾石含水层主要接受海水和地下径流侧向补给，灌溉回渗补给， 河床渗漏补给和降水入渗的补给。地下水主要消耗于人工开采。研究区内地下水 埋藏较深，蒸发量极小，可忽略不计。 ( 1 ) 海水和地下水侧向补给量 根据达西定律，各个流量边界段侧向径流量按如下公式计算： q ：= k - i b m - 蛆 式中： 包侧向径流量( 1 0 4 m 3 a ) ； k 含水层渗透系数( r r 们) ； ，水力坡度； b 断面宽度： m 含水层厚度； r 计算时间( d ) 。 根据上述公式，依据动态观测资料确定边界流量随时间段的变化趋势，根据 不同时期流场选取各段的水力梯度，根据给定的水文地质参数初值，计算随时间 变化的侧向补给( 排泄) 量。 第三章研究区数值模拟模型的建立 ( 2 ) 河流渗入补给量 天然条件下，河流渗入补给量随年份和丰枯季节变化。研究区内甲河常年补 给地下水。鉴于计算区内河流规模小，河床的宽度小，因此在模型处理时将其概 化为注水井，其注水强度则根据相应地段的地下水流场、河床底积物的渗透系数 及底积物的厚度计算得出。 ( 3 ) 大气降水入渗补给强度 降水入渗补给是本区地下水的另一补给源，其入渗量与降水量、潜水水位埋 深和包气带岩性有关。模型中，根据一年中一次降雨大于5 0 m m 所得的累计降水 总量，分区按不同的降水入渗系数以i 也c h a r g e 的形式面状补给地下水，每年 分丰、枯两个时段，丰水期r e c h a r g e 取降水入渗的平均值，枯水期取零。根 据入渗能力的不同，将计算区划分为8 个子区域( 图3 6 ) ，不同区域具有不同的 降水入渗系数。 ( 4 ) 地下水开采量 研究区现状开采量为2 3 1 8 7 3m 3 a 。地下水开采量主要为渔业园区养殖用水， 开采井盐水；其次为稻田灌溉用水和村民生活以及牲畜用水，开采淡水。 3 4 模型的识别和验证 3 4 1 数学模型的识别 数学模型的识别，就是利用实际观测的地下水位和模拟模型计算的水位进行 对比，经过反复改进和修正，使其相同或接近。本次模拟选择时间段2 0 0 5 年8 月2 9 日研究区水位作为识别的初始流场，2 0 0 5 年9 月7 日的水位作为对比流 场。采用的方法是先正演拟合水位，间接校正参数的方法。即根据2 0 0 5 年8 月 2 9 日2 0 0 5 年9 月7 日期间，地下水系统各输入项的统测资料和给出的参数 初值，运行模拟模型求解全区水位，通过调整参数取值，进行水位拟合。水位 拟合较好的参数组，即为所用参数组。 模型识别结果：由于对研究区进行了实地调查，对水文地质条件有比较清楚 的认识，各水文地质参数初值也比较客观，通过细致的调整参数、拟合流场，模 型取得了较好的结果。水位拟合如图3 7 所示，水位拟合的最大误差绝对值为 o 6 8 8 m ，平均误差绝对值为o 4 6 6 m 。由于现场条件所限，水位观测井离开采井 第二争研究区数值模拟模犁的挫 不远，水位受到开采