银川市北郊地下水开采区水流数值模拟.pdf

1 银川市北郊地下水开采区水流数值模拟银川市北郊地下水开采区水流数值模拟 宗原 1 赵峰2 赵坚1 宗志聪3 1 河海大学 南京 210098 2 松辽流域水资源保护局 长春 130021 3 吉林省水利水电勘测设计院 长春 130021 E mail zongyuan0113 摘摘 要要 本次数值模拟是针对银川市北郊地下水开采区 建立系统的地下水流数值模拟模 型 在数值模拟时 采用 Visual MODFLOW软件 将该区分为 5层 三个含水层中间各夹 有一个弱透水层 这样 可以更好的反映各含水层之间的相互关系 较大程度地减少了人 为因素引起的误差 利用此模型进行拟合计算 结果显示该模型较符合实际情况 关键词 关键词 地下水开采区 数值模拟 1 引言引言 银川市北郊是银川市西夏区地下水水源地 西夏区地域广阔 建设条件优良 随着改 革开放及我国国民经济建设向西部倾斜政策的实施 西夏区也迎来了前所未有的发展遇 妥善解决工业发展与地下水水源地之间的矛盾 解决地下水资源可持续利用及水资源保护 问题 以促进当地社会经济的发展 近几年来 对当地地下水系统的模拟进行了许多研 究 但仍存在着一些问题 当地地质条件复杂 以往在该研究区所建立的水文地质模型多 仅表示三个含水层 为二维或准三维流 甚至是一个分为三层的统一含水系统 对弱透水 层在其中的作用反映的不够 所反映的情况不能很好的代表原有条件 本次在数值模拟 时 将该区分为 5 层 三个含水层中间各夹有一个弱透水层 可以更好的反映各含水层之 间的相互关系 计算模型更符合实际情况 2 水文地质概况水文地质概况 北郊地下水开采区位于银川冲洪积平原中部 第四系以来在基底构造和新构造运动的 控制下 一直处于沉降状态 经过漫长的地质时期 盆地内堆积了巨厚的第四系松散沉积 物 据石油钻探资料 在盆地中心部位第四系松散沉积物厚达 1009m 多层巨厚的松散沉 积 具备了良好的地下水赋存条件 因而形成了丰富的地下水储水盆地 各含水组间的隔 水层 除第 含水岩组间分布有较为稳定的粘性土层隔开外 第 含水岩组和第 含水岩组间的隔水层在垂直方向上厚度变化大 在水平方向上其连续性也不稳定 在局部地段形成天窗 两含水岩组存在着密切的水力联系 依据本次扩充勘探资料 原北 郊地下水开采区勘探资料及结合前人成果 根据区域水文地质条件 含水层和隔水层的分 布情况 结构 岩性 水理性质以及开采利用条件 可将扩充勘探区 270m深度内的含水 层归并划分为三个含水岩组 每一含水岩组将由若干个相互具有水力联系的含水层组成 尤其是第 含水岩组之间不稳定的隔水层 以致地下水在局部地段相互贯通 具有 同一水头和相同的水文地质特征 3 水文地质概念模型的建立水文地质概念模型的建立 研究区处在银川平原中段 数值计算区的范围为宁光厂 平伏桥三队一线以北 贺兰 县牧场 农牧场教导队一线以东 南梁农场二队 南梁农场三队一线以南 南梁农场五 队 西湖农场一线以西 研究区面积为 24 6366万平方米 本次预测计算南部为水头边 2 界 东部潜水区以黄河为隔水边界 第二 第三承压水区与第三系泥质岩层接触作为隔水 边界 西部以细粒带作为零流量边界 北部边界为流量边界 计算区底部边界为埋深约 270m的第三系泥质岩层 为隔水底板 计算区的上部边界有降雨入渗 灌溉回渗的补给 并有蒸发 人工开采等排泄 其中 人工开采主要为农业灌溉开采 城市及生活供水开采 在计算时将降雨入渗及灌溉回渗补 给 农业灌溉开采概化为面状强度输入模型 将城市供水开采井作为开采点井输入模型 依据含水层分布状况 将本区基岩以上概化为 5 层 第一含水岩组 岩性为褐色粘砂 土 砂粘土和粘土层 含水层在垂直和水平方向上较为稳定 其厚度在 21 3 56 9m 第三 含水层组 岩性以灰色 深灰色 灰黑色细砂 粉细砂为主 分布较为连续 厚度一般在 104 115m 第五含水岩组位于第三含水岩组之下 由于二者在垂直和水平方向都没有完 整的隔水层 含水层的岩性 厚度与第三含水岩组相差不大 第二层岩性主要为粘砂土 砂粘土 分布较为连续 厚度一般为 10 20m 具有西向东变薄和有南向倍增厚的规律 第四层为粘砂土 局部缺失 厚度一般 1 10m 4 地下水流数值模型的建立及解法地下水流数值模型的建立及解法 用如下定解问题来描述上述水文地质概念模型 式中 Bh 分别为含水层水位和底板标高 m 1 tyx 2 tyx 3 tyx 分别为含水层的补给强度 蒸发强度和开采 强度 m d zyx 节点坐标 m K 渗透系数 m d T 传导系数 m2 d 0 zyxh 初始水位 m 1 tzyxh 第一类边界点水位 m 潜水含水层储水系数 给水度 承压含水层弹性释水系数 k Q 第 k 井 kk yx的地下水开采量 m3 d n 开采井数 D 计算区范围 5 数学模型的识别与验证数学模型的识别与验证 研究区的面积大小 建模的相对坐标范围为 x 方向 570000 644000 y方向 4222000 4285000 z 方向 842 1700 采用 Visual MODFLOW 对研究区进行自动矩形网格 0 0 0 11 0 1 321 1 tzyxtzyxhtzyxh Dzyxzyxhzyxh tDzyx t h yyxxQ tzyxtzyxtzyx z h BhK zy h BhK yx h BhK x kk n k k 3 剖分 每层剖分 149 行 127 列 剖分网格 10708 个 五层共剖分矩形网格单元 53540 个 每个剖分网格单元的面积为 500 500m2 模型的网格剖分见图 1 图 1 研究区剖分图 模型识别期为 2004 年 1月到 2004 年 6 月 根据地下水动态观测 降水特征 农业开 采及灌溉回渗等因素 将模型识别期按月份划分为 6 个时段 根据区内的水文地质条件 各含水层的岩性 结合已有资料 将本区各层含水层的参 数分区 参数初始值见表 1 表 1 参数初始值 kx ky kz Ss Sy Eff por Tol Por 1 2 00E 01 3 00E 01 2 50E 01 0 2 0 3 0 3 0 3 2 1 1 1 00E 07 0 001 0 001 0 05 0 05 3 8 10 0 008 0 1 0 1 0 15 0 15 4 8 8 0 004 0 08 0 08 0 1 0 1 5 7 7 1 00E 07 0 01 0 01 0 1 0 1 6 5 10 3 50E 02 0 3 0 3 0 25 0 25 7 5 10 1 00E 02 1 00E 06 1 00E 060 1 0 1 8 0 0001 0 0001 1 00E 09 1 00E 06 1 00E 060 18 0 2 9 10 15 1 00E 02 5 00E 07 5 00E 070 18 0 2 10 3 3 0 5 0 001 0 001 0 001 0 002 利用水位动态观测井的水位实测值与模型的计算值进行比较 调整模型的水文地质参 数 直至拟合效果较好为止 识别后的参数见表 6 3 4 表 2 识别后参数值表 kx ky kz Ss Sy Eff por Tol Por 1 2 00E 01 3 00E 01 2 50E 01 0 2 0 3 0 3 0 3 2 1 1 1 00E 07 0 001 0 001 0 05 0 05 3 8 10 0 008 0 1 0 1 0 15 0 15 4 8 8 0 004 0 08 0 08 0 1 0 1 5 7 7 1 00E 07 0 01 0 01 0 1 0 1 6 5 10 3 50E 02 0 3 0 3 0 25 0 3 7 5 10 1 00E 02 1 00E 05 1 00E 05 0 1 0 1 8 0 0001 0 0001 1 00E 09 1 00E 05 1 00E 05 0 18 0 2 9 10 15 1 00E 02 0 0005 0 0005 0 18 0 2 10 0 005 0 005 1 5 E 6 0 0001 0 0001 0 001 0 001 模型识别期地下水位拟合情况如图 2 图 2 模型识别期地下水位拟合图 从拟合的结果看 计算结果拟合程度比较好 40 的观测孔计算水位与观测水位误差 小于 0 5m 80 的观测孔的观测水头与计算水头误差在 1m以内 说明该模型中的各参数 能较好的反映研究区内的水文地质条件 故该模型可用来进行银川北郊地下水开采区地地 下水位的预报 为了进一步验证数学模型和识别其仿真性的可信度 利用地下水动态监测资料 2004 年 7 月至 2004 年 12 月 对模型进行检验 运行验证模型 验证时段末刻的计算水位与观测水位拟合情况如图 3 5 图 3 模型验证期地下水位拟合图 通过对地下水位的计算值与实测值的拟合误差进行统计 84 6 的观测孔水位误差小 于 1m 46 1 的观测孔水位误差小于 0 5m 说明含水层结构 边界条件概化 水文地质参 数的选取及源汇项的确定都是合理的 所建立的数学模型能较真实地刻画研究区的地下水 系统特征 仿真性强 6 结论结论 1 本次数值模拟对银川市北郊地下水开采区水流进行了较精确的模拟 较大程度上的避 免了人为因素的不利影响 2 从本次数值模拟结果可以看出 所建立的水文地质概念模型是合理的 符合北郊地下 水水源地的实际情况 可用于实际 3 北郊地下水开采区经一期扩勘后 基本查明开采目的层第 含水岩组的情 况 但对第IV含水层组的勘探资料缺乏 更无水位监测资料 难于确定开采条件下对第IV 含水岩组的越流补给量 本次数值模拟将本区概化成 5 层水文地质模型 没有考虑第IV承 压含水层对上层含水层的越流补给 导致第IV含水岩组计算水位偏低 降深偏大 但增加 了第三含水层组的保证程度 建议今后加强对第IV含水层的勘探工作 使数值模拟更符合实 际情况 4 在水源地开采后 健全地下水检测机构 建立监测网点 对地下水水位 水质的发展 趋势进行监测 同时做好预报工作 以便及时进行调整 采取措施 以保证水源地长期开 采和使用 6 参考文献参考文献 1 王晓梅 朱国荣 苏锡常地区主采层地下水流数值模拟 J 水文地质工程地质 1998 25 4 5 7 2 束龙仓 朱元生 地下水资源评价中的不确定性因素分析 J 水文地质工 程地质 2000 27 6 6 8 3 林学钰等 石家庄市地下水资源的科学管理 长春地质学院学报 增 刊 1987 12 4 李俊亭 地下水流数值模拟 M 地质出版社 1989 9 5 薛禹群 地下水动力学 M 地质出版社 1997 6 陈崇希 林敏 地下球动力学 M 中国地质大学出版社 1998 7 MODFLOW 公司 三维有限差分地下水流模型 郭卫星 卢国平译 M 南京大学出版杜 1998 8 Fruhauf M Combining Volume Rendering with Line and Surface J Rendering Proceedings of Euro graphics Netherlands 1991 The numerical simulation for the exploitation area in Yinchuan city northern suburb Zong Yuan1 Zhao Feng2 Zhao Jian1 Zong Zhicong3 1 Hohai University Nanjing 210098 2 Songliao River Basin water Resources Protection Bureau Changchun 130021 3 China Jilin Survey and Desin institute of water Conservancy and Hydropower Changchun 130021 Abstract The numerical simulation is for the exploitation area of Yinchuan city northern suburb establish a numerical simulation model system of groundwater While the simulation use Visual MODFLOW software divides the area into five layers one weak aquifer is trapped between each two of three aquifer