Visual Modflow 在曲周县地下水数值模拟中的应用

张大龙 闫卫 金喆

(1.河北工程大学资源学院，河北邯郸 056038;2.邯郸慧龙电力设计研究有限公司，河北邯郸 056035)

0 引言

水资源是人类生产、生活不可缺少的自然资源，也是生物赖以生存的首要因素。地下水资源作为水资源的一个重要组成部分，在我国城镇生活和工农业用水方面起着举足轻重的作用，然而淡水资源短缺、地下水超采、水体污染日趋严重，已成为当今社会面临的最严重问题之一［1，2］。合理地开发、利用和保护地下水资源，已成为当务之急［3-5］。

本文以河北曲周县为例，在分析了曲周县的地质、水文地质条件的基础上，采用Visual Modflow软件开展对曲周县地下水的数值模拟研究。

1 区域概况

曲周县位于河北省南端，邯郸市城区的东北部。区域可分为南、北两个单元，南部以漳河冲积、湖积物为主，北部则以沙河、洺河冲积物为主。全新统Q4底界埋深为40 m～60 m，上更新统Q3底界埋深为170 m～220 m，中更新统 Q2底界埋深为280 m～320 m，下更新统Q1底界埋深为370 m～420 m。第四系含水岩层中，储存有浅层淡水、咸水和深层淡水三种类型的地下水。

2 地下水流数值模拟

采用从国外引进的水资源计算评价软件Visual Modflow，这是一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件。

2.1 研究区水文地质概念模型

模拟范围为曲周县全部行政区域，包括曲周镇、槐桥乡、白寨乡等10个乡镇。模拟面积共计667 km2，其中滏西平原区25 km2，黑龙港平原区642 km2。

地下水流从空间上看以水平运动为主，地下水流动符合达西定律，因此将地下水流概化为平面二维流。地下水流系统的补给、排泄在不同的时间、空间上存在明显差异，因此地下水流系统为非稳定流。综上所述，在本次模拟中，水文地质概念模型概化为非均质各向同性二维非稳定流模型。

2.2 地下水流数学模型

依据渗流连续性方程、达西定律，上述地下水流系统可用以下偏微分方程及其定界条件进行描述，如式(1)所示:

式中:H——地下水水头，m;

T——含水层导水系数，m/d;

μ*——含水层给水度(无量纲);

W——垂向水量交换项，m/d;

Q——地下水开采量抽水率，m3/s;

D——计算区域;

Γ1——已知水头的第一类边界;

Γ2——已知流量的第二类边界;

H0(x，y)——初始时刻水头分布函数，m;

φ1(x，y，t)——第一类边界上的已知水位函数，m;

q(x，y，t)——第二类边界上的已知流量函数，m3/s;

t——时间。

2.3 地下水数值模拟模型求解方法

图1 模拟区域剖分图

采用Visual Modflow对模拟区域进行矩形网格剖分，网格的长宽均为500 m，共剖分为96行，73列，剖分出网格总数量为7008个，其中有效单元格为2668个，区域剖分图如图1所示。区域Ⅱ为无效单元格不纳入计算范围，其他均为有效单元格，如图1所示。

模型中需要用到的参数包括渗透系数K，给水度μ*。每个水文地质参数分区中，各参数的初值依据各个勘察和研究阶段所进行的抽水试验成果确定，表1列出了各参数初值。

表1 水文地质参数初值表

2.4 参数识别与模型验证

模型识别阶段，在研究区域内，分散选择4个观测点(曲52，曲56，曲63，曲78)，模拟水位与实测水位拟合曲线见图2。从图中可以看出，所建立的水文地质概念模型以及数学模型是基本合理的，渗透系数(K)、给水度(μ*)识别结果如表2所示。

图2 模型识别期观测孔水位过程拟合曲线

表2 水文地质参数识别结果

图3 模型验证期观测孔水位过程拟合曲线

通过模型识别工作，给出了各水文地质分区的渗透系数、给水度等参数值，为了全面验证模型，还需要通过其他时段的实测资料，对模型的可靠性进行进一步的验证。

选取2011年作为模型的验证时段。同样选取上述4个监测井，进行水位拟合，拟合曲线见图3。

通过对模型进行的识别和验证，表明模型的建立符合研究区的实际水文地质条件，地下水动态过程一致，水位拟合结果符合规定，误差满足要求。

3 结语

1)依据水文地质条件、水资源开发利用等情况将模拟区域进行参数分区，在参考各个勘察和研究阶段所进行的抽水试验成果的基础上，确定各分区的水文地质参数初值。

2)对模型进行识别时，应通过自动与手动相结合的方式，多次地调整水文地质参数，得到了能够较真实反映实际水文地质条件的参数。

3)通过模型验证期观测孔水位过程拟合曲线表明，模型的建立符合研究区的实际水文地质条件，地下水动态过程一致，水位拟合结果符合规定。

［1］方 茜，任晓力.河北省地下水开发状况研究［J］.河北建筑科技学院学报，2005，22(1)：4-5.

［2］郭秀娟.Visual Modflow在长春市地下水数值模拟中的应用［J］.吉林建筑工程学院学报，2012，29(1)：75-78.

［3］石少洲，沈智慧.地下水资源计算评价应用软件开发与实践［J］.河北建筑科技学院学报，2000，17(4)：66-69.

［4］李文跃，张 博，洪 梅，等.Visual MODFLOW在大庆龙西地区地下水数值模拟中的应用［J］.世界地质，2003，22(2)：161-165.

［5］丁继红，周德亮，马生忠.国外地下水模拟软件的发展现状与趋势［J］.勘察科学技术，2002(1)：37-42.