变密度地下水流溶质运移模型及其海水入侵模拟应用
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RESOURCES/WESTERN RESOURCES2020年第五期水文地质、环境地质、工程地质海水入侵是指滨海地区地下水位大幅度下降出现的海水和淡水交融界面向陆地方向移动的现象[1,2]。
近30年来,中国至少有十几个滨海城市地区发生了海水入侵[3],海水入侵已经成为沿海城市急需解决的热点问题[4]。
莱州湾地区作为山东重要的渔业基地,海水入侵问题也较为严峻[5]。
海水入侵造成了地区海水倒灌,引发土壤盐渍化,造成了滨海农田减产显著[6,7]。
莱州湾东岸平原区地下水矿化度、Cl -浓度等随海水入侵而不断升高,部分地区水质已远不符饮用甚至灌溉标准,而因工农业需水量大及水文地质条件限制,地下咸水的持续开采造成了恶性循环[8]。
针对莱州湾地区海水入侵问题,黄磊[3]、陈广泉[9]等学者近几十年持续进行调查评价。
本文以实际调查和水文地质资料,对当前海水入侵造成的地下水咸化现状进行评价,利用VisualModflow 建立地下水数值模拟对莱州湾东岸地区海水入侵未来发展趋势做出预测,为今后当地的生产发展及用水提供一定参考。
1.研究区概况图1研究区位置图研究区(37°10′~37°20′N,119°46′~120°00′E )位于山东省莱州市西北部莱州湾东岸,程郭镇以西至莱州湾沿岸,莱州市区以北到过西地区(图1)。
研究区地势南高北低,东高西低,以构造剥蚀丘陵和冲积海积平原为主[10]。
区域平均降水量619.1mm,各类含水层发育厚度不大,区域自然地理状况、水文地质背景及人类生产生活等因素共同影响着地下水的循环。
根据赋存条件对区内地下水分区,北部和莱州湾沿岸大部分地区为孔隙水含水区,东南部莱州市区附近为基岩裂隙含水区。
2.研究区海水入侵现状2.1莱州湾地区海水入侵发展史莱州湾地区海水入侵始于1976年,随后十几年海水入侵发展迅速,在降水剧减、地下水人为超采、工程活动等因素共同影响下[5,11],80年代末莱州湾地区成为国内极为典型的海水入侵严重地区。
浅析地下水数值模拟的研究与应用李鹭【摘要】地下水对于人类社会的进步和发展具有重要意义,地下水数值模拟现已成为研究地下水各种问题的重要手段.文章分析了地下水数值模拟的发展历程,总结了地下水数值模拟的步骤以及常用的方法;简要介绍了当今常用的地下水数值模拟软件,并着重分析了Visual MODFLOW、GMS、FEFLOW这3款软件;介绍了常用的地下水数值模型,分析了地下水水流数值模拟及地下水污染物运移数值模拟的研究应用进展情况;最后对地下水数值模拟的发展中应注意的问题提出了相关建议.【期刊名称】《江西化工》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P133-136)【关键词】地下水;数值模拟;研究应用【作者】李鹭【作者单位】东华理工大学水资源与环境工程学院,江西南昌330013【正文语种】中文引言水资源是人类生存和发展必不可少的资源,其对促进社会进步和经济发展具有重要意义。
地下水是水资源的重要组成部分,是中国城市生活和工农业用水的重要供水水源[1]。
当今世界所面临的人口、资源、环境三大问题都直接或间接地与地下水有关。
但是,局部地区因地下水的不合理开采,也导致产生了含水层疏干、降水漏斗扩大、地下水污染、海水入侵、地面沉降等环境地质问题。
随着电子计算机和数值方法的发展,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过程发生、发展的重要手段[2]。
利用数值模拟软件对地下水流及地下水污染物等问题进行模拟,以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法[3]。
1 地下水数值模拟地下水的数值模拟是随着地下水资源的定量评价深入研究而发展起来的。
应用数值模型模拟地下水流特征和溶质运移情况逐渐成为此研究领域的一种重要方法,并受到业内人士重视并加以广泛应用[4]。
地下水数值模拟的发展大概经历了三个阶段[5]:即1935年至1950年以解析法为主的第一时期;1950年至1960年,以基于达西定律与电学欧姆定律间相似性所研发产生的电网络模拟为主的第二时期;1965年至今,以数值模拟为代表的第三时期。
第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.014基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治张㊀迪1,2,王㊀莹3,郑小康1,曹智伟1(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南郑州㊀450003;2.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京㊀210023;3.黄河水文水资源科学研究院,河南郑州㊀450003)摘要:为减缓大沽河流域水资源短缺的现状,提出了一个新的多目标优化框架,用于优化管理流域现有的多级拦河闸坝蓄水工程措施和地下水开采策略㊂通过耦合校准的数值模型与概化的河流子程序包,模拟河流蓄水时大沽河-地下水间水力联系,重点关注最小化海水入侵程度㊁最小化河流渗流和最大化地下水允许开采量3个目标之间的权衡关系㊂采用NSGA-Ⅱ来搜索优化模型在不同气候条件影响下的帕累托最优解㊂优化结果表明,为了缓解海水入侵,在降水不足年份,靠近海水入侵区的闸坝应提高其蓄水位0.5~1.5m,其余闸坝应降低其蓄水位至少1m;4个县级行政分区在地下水压采约束下,年开采量在降水较少年份应比降水较多年份浮动调整120万~150万m 3甚至更多㊂本文优化框架和调控策略可为人类活动强烈的其他沿海含水层管理提供重要借鉴㊂关键词:海水入侵;沿海含水层;多目标优化;河道筑坝蓄水中图分类号:P641㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0971-13收稿日期:2023-05-09;网络出版日期:2023-10-11网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231010.1401.004基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFC3204305)作者简介:张迪(1991 ),男,山东滕州人,工程师,博士,主要从事水资源管理方面研究㊂E-mail:dzhang@海水入侵已成为一个全球性地质灾害问题㊂相关研究表明,在美国㊁日本㊁澳大利亚及中国等50多个国家和地区均出现了不同程度的海水入侵[1-3]㊂随着海岸带的不断治理开发,社会㊁经济和环境效益的平衡已成为海水入侵防治的重要环节,提出了受海水入侵影响地区地下水资源的多重管理目标,即要尽可能多地对地下水资源开发利用,又要尽可能地对海水入侵程度进行控制,同时以最小的代价达到防止和减轻海水入侵的目的㊂基于多目标进化算法的模拟-优化技术已广泛应用于搜索最优的地下水开采方案,以满足基本供水需求与防治海水入侵等目标[4-8]㊂科学管理沿海地区水资源,实现地表水-地下水联合开发利用,是防止海水入侵加剧并缓解淡水资源供需矛盾的根本前提[9-10]㊂大沽河滨海地下含水层是青岛市重要的地下水源地,自20世纪80年代起,李哥庄一带因过度开采地下水,造成大量地下水降落漏斗,中心水位已降至海平面以下5m,受海潮高水位的压差影响,造成大沽河南端和东南边缘的海水入侵㊂与此同时,南庄东风闸由于管理不善,在大潮时海水顺河上溯至何营庄,距离入海口长达12km 以上,导致海水倒灌入渗,加剧了当地地下咸水形势,含水层受海水侵入的面积由1981年的7km 2扩大到1998年的70km 2㊂为解决地下水超采造成的海水入侵㊁水环境恶化等问题,已采取了许多有效的水利工程保护措施,如修建麻湾庄地下截渗墙㊁河道工程措施(拦河闸与橡胶坝)等,通过蓄水补源㊁人工回归补源以及物理阻隔等使海水入侵趋势趋于稳定[11-13]㊂针对大沽河流域的海水入侵问题,已有大量关于水化学[14-15]㊁水循环动力学[16]㊁海水入侵数值模型[17-18],以及截渗墙和地下坝参数影响等方面的研究[19-22]㊂然而,相关研究并未将河流梯级筑坝作为地表水-地下水联合开发利用进行蓄水补源的一种有效方案,来减缓海水入侵[23-25]㊂本文针对大沽河流域地表水-地下水联合开发利用减缓海水入侵的问题,在海水入侵数值模型全局敏感性分析及其对滨海含水层管理启示的研究成果基础上[11],考虑干流已建14座闸坝拦蓄补源减缓海水入侵的可行性,提出河流闸坝蓄水条件概念模型并进行适用性验证;进而构建地表水-地下水联合调控的海水入侵972㊀水科学进展第34卷㊀优化框架并对气候变化条件下海水入侵防控策略进行分析,为沿海地下水系统的优化管理提供科学决策依据和技术支撑㊂1㊀研究区简介1.1㊀区域概况大沽河流域滨海含水层是青岛市的重要供水水源地,辖即墨市㊁莱西市㊁平度市和胶州市4个县级行政区,面积约613km2㊂研究区多年平均降水量为570.23mm㊁蒸发量为964.74mm,东侧紧临桃源河,含水层在此处尖灭,桃源河与研究区内地下水无直接水力联系㊂区内大沽河干流建有拦河闸坝14座,沿干流方向依次为许村㊁江家庄㊁庄头㊁程家小里㊁孙洲庄㊁沙湾庄㊁袁家庄㊁移风㊁崖头㊁大坝㊁岔河㊁引黄闸㊁贾疃和南庄,干流河道长179.9km㊂研究区土地利用类型主要包括旱地(460.68km2)㊁居住地(97.75km2)㊁商服建设用地(7km2)㊁河流(35.5km2)㊁坑塘(8.12km2)㊁林地(2.17km2)和未利用土地(4.78km2);地下水开采主要是农业灌溉及工业-生活开采(图1)㊂图1㊀大沽河研究区域概况Fig.1Overview map of Dagu River basin㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治973㊀研究区出露的地层主要有第四系松散地层及下伏的中生代白垩系王氏组(K2w),第三系为隐伏地层㊂第四系地层广泛分布于区内现代河谷两侧㊁山前㊁河流入海处及准平原地区,为更新-全新统冲积㊁洪积㊁冲洪积㊁残坡积㊁海积㊁海陆交互堆积及人工堆积等松散堆积层㊂其中,冲积和冲洪积层最具供水意义,厚度一般为3~20m,多具双层结构,上部为黏质砂土及砂质黏土,下部为不同粒径的砂及砂砾石层,其中有泥质夹层,边缘地带有坡积层楔入,结构较为复杂㊂河流愈小,砂层愈薄,分选性差,相变大;上游为花岗岩分布区,砂层颗粒较粗;在河口附近及近海洼地,冲积层中常有海相沉积夹层,岩性为淤泥㊁淤泥质黏土㊁淤泥质砂等,厚度一般小于5m㊂1.2㊀水文地质概念模型大沽河滨海含水层储水介质由渗透性不同的2个地层组成,上部为渗透性较低的砂质黏土,地下水主要赋存于下部渗透性较大的砂砾石中,沿大沽河东西侧呈带状分布,遵循达西定律㊂地下水流数值模型的边界条件概化参见文献[11],对于溶质运移模型,海水入侵区属于基岩海岸带,海水沿大沽河河道上溯,将南部边界视为给定浓度边界,依据2010年典型区水质采样数据赋值,东西边界视为零通量边界,北界视为给定水头边界㊂地下水位和水质监测井没有分层,但部分或完全穿透含水层㊂具体边界条件及初始浓度如图2所示㊂图2㊀研究区水文地质概念模型Fig.2Hydrogeological conceptual model of the study area2㊀研究方法2.1㊀河流筑坝蓄水概念模型过去几年,由于降水偏少,研究区内的拦河闸坝并没有进行科学规范的蓄水管理㊂但自2020年以来,由于降水充足,应考虑对其进行优化管理,实现沿海含水层地表水和地下水的联合利用,河流筑坝蓄水是满足淡水需求同时能缓解海水入侵的可行选择㊂974㊀水科学进展第34卷㊀拦河闸和橡胶坝均为可控建筑物,需根据调度规则设置不同的启闭状态及触发条件,其过流方式分为溢流型和底流型㊂溢流型相当于一个顶高程可变的堰,沙湾庄橡胶坝㊁岔河橡胶坝等可概化为溢流型;底流型相当于一个垂直闸门,孙洲庄拦河闸㊁移风拦河闸等可概化为底流型㊂水工建筑物的调度运行是根据控制点的值来确定闸门的高程或流量,如图3所示是闸坝未蓄水和蓄水时的2种不同状态,拦河闸门开启以及橡胶坝未充气时,河流处于未蓄水状态;反之拦河闸门关闭以及橡胶坝充气时,河流进行蓄水㊂图3㊀研究区内拦河闸坝蓄水与否河道剖面示意Fig.3Two different states of the river damming system河流补给地下水或排泄地下水由河流与地下水两者之间的水力梯度所决定㊂使用MODFLOW河流子程序包来模拟地表水与地下水系统间的水量交换㊂与MODFLOW保持一致的是,在每次计算迭代开始时,将代表河流渗流的项添加到包含河流河段的每个单元的流动方程中;不同的是,在拦河闸坝处于蓄水状态时,每次迭代时河段渗流长度的选取,由闸坝上游也就是闸坝后的最新河水位值与所在计算单元的河床底板高程值比较判断得到㊂这个过程在每次迭代的开始时完成,判断所用的地下水水头值是来自前一次计算迭代的值㊂具体数学控制方程描述见文献[26]㊂2.2㊀海水入侵模型的适用性验证基于已有海水入侵数值模拟结果得出[11],在降水量较少的年份,麻湾庄截渗墙南北两侧地下水位低于截渗墙顶部高程(0m)时,南北两侧处于2个相对独立的地下水流子系统,流场和浓度场均呈现出截渗墙南北两侧没有水力联系㊂为了验证模型在降水量较多的年份模拟结果的准确性,在2010-01-01/2018-06-01模型校验参数的基础上,结合河流筑坝蓄水条件概念模型以及后期监测数据和不同闸坝蓄水位的收集将模拟期更新至2021-01-01,对模型的适用性进行验证,评价所构建的海水入侵模型在不同降水条件下对地下水流场及浓度场的刻画㊂模型精度采用3个性能标准来评价:相关系数(R)㊁均方根误差(E RMS)和平均绝对误差㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治975㊀(E MA)㊂如图4所示,整个模拟期内全区地下水流模型的R为0.98,E RMS为1.06m,E MA为0.84m㊂选取的典型地下水位观测井在整个模拟期内,模拟水位与实测水位的变化趋势一致㊂图4㊀地下水流数值拟合结果Fig.4Comparison of the calculated and observed groundwater levels at the observation well locations如图5所示,在整个模拟期内,研究区海水入侵数值模型的R为0.91,E RMS为89.49mg/L,E MA为73.89mg/L㊂选取的典型观测井在整个模拟期内,模拟Cl-质量浓度变化与实测Cl-质量浓度的变化趋势基本一致,模拟结束时刻的Cl-质量浓度场分布见图6㊂从图6中可以看出,截渗墙北侧及下游东南侧的海水入侵程度较降水量偏少的2018年明显改善,海水入侵面积由2018年6月的53.84km2缩减为51.13km2㊂由于2020年异常充足的降水入渗及河流侧向补给使得地下水位抬升显著,形成水力屏障,在天然地下水的排泄作用下向后自然驱退海水入侵,再次验证了所构建的海水入侵模型可以准确地刻画不同降雨作用下的浓度场,进一步证实所构建的海水入侵模型能较好地刻画2010年至2020年的海水入侵物理过程;以及通过拦河闸与橡胶坝截获地表水体,可以增加地下水补给来源,抬升地表水水位以补给地下水,进而增加地下水流场水力梯度,达到增加地下水向海排泄量的作用,减缓海水入侵㊂图5㊀海水入侵数值拟合结果Fig.5Comparison of the calculated and observed Cl-concentration at the observation well locations976㊀水科学进展第34卷㊀图6㊀模拟结束时刻(2021-01-01)研究区Cl-质量浓度场分布Fig.6Spatial distribution of the simulated Cl-in the main modeled aquifer at the end of the simulation period(1January2021) 2.3㊀多目标优化问题求解算法由于非支配排序遗传算法(NSGA)的非支配排序在时间上的复杂度为O(MN3)(M为目标函数个数,N 为种群大小),当优化问题的种群规模较大时会导致排序的速度较为缓慢,同时NSGA利用共享函数来达到解的均匀分布,这是一种依赖于共享参数σshare的选择,其复杂度高达O(N2)㊂为此,采用带精英策略的快速非支配排序算法NSGA-Ⅱ[27],其在时间上的复杂度为O(M(2N)2),排序速度相比于NSGA的O(MN3)有较大幅度的提升㊂而且,NSGA-Ⅱ采用精英策略,保证不放弃寻找到的最优解,搜索性能从而提高,此外重新定义拥挤距离代替共享参数㊂NSGA-Ⅱ算法具体流程概述如下:(1)采用拉丁超立方抽样生成1个数量为N的随机初始种群并进行非支配排序,然后利用遗传算法的选择㊁交叉和变异生成第1代子代种群;(2)从第2代开始,合并父代与子代种群得到新父种群后进行非支配排序及拥挤度计算,按照非支配排序和拥挤度大小选取合适个体组成新父种群;(3)对新父种群进行选择㊁交叉㊁变异得到新的子代种群;重复执行上述过程,直到程序判别终止㊂2.4㊀控制海水入侵的地下水优化管理框架当考虑利用现有闸坝蓄水补源减缓海水入侵时,坝后蓄水高度可以调整挡板来人为控制,但通常只是决策者经验判断,缺乏科学的调控策略㊂决策者通常倾向于尽可能地增加地表水对地下水的补给去减缓海水入侵程度,但这与满足更多的地表水引水灌溉的现实需求相矛盾㊂决策者不知道最有效的河流蓄水高度,需要提出多个目标对地表水引水灌溉和地下水补给进行权衡,以缓解海水入侵㊂此外,为了有效控制海水入侵程度,山东省政府对地下水资源的开采实行了严格压采措施㊂然而,这种限制与经济社会发展对水资源不断增加的需求相矛盾㊂为了在不同气候条件下实现含水层系统相互矛盾目标(地下水开采量㊁河流入渗补给量和海水入侵程度)之间更好的权衡,构建控制海水入侵的地下水优化管理框架,以达到研究区合理的水资源需求与减缓海水入侵的管理目标㊂优化管理框架包括数值模拟模型模块㊁目标函数评价模块和优化求解模块㊂其中,模拟模型模块是利用变密度流模拟程序(SEAWAT)对海水入侵进行动态模拟;目标函数评价模块包括一系列的管理目标(最小化㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治977㊀管理期末含水层溶质质量比㊁最小化河流入渗补给量以及最大化地下水开采量)和一系列的约束条件(14个拦河闸坝对应的不同蓄水高度㊁海水入侵面积约束㊁滨海地下水需水量约束);优化求解模块采用NSGA-Ⅱ算法进行优化计算㊂数值模拟模型模块通过个体决策变量与优化计算模块相耦合,目标函数评价模块通过个体状态变量与数值模拟模型模块相耦合,优化求解模块读取目标函数评价模块计算的目标函数值使两者相联结㊂在模拟-优化的框架下,通过重复调用数值模型输出状态变量(浓度等)计算目标函数与判断约束条件㊂相应的目标函数和约束条件的数学表达式为:min J1=M end/M ini(1)max J2=ðN n=1ðT t=1Q n,t(2)min J3=ðN n=1ðT t=1S n,t(3)H minɤH n,tɤH max㊀㊀n=1,2, ,N;t=1,2, ,T(4)ðI i=1ðT t=1Q i,tɤQ cons㊀㊀i=1,2, ,I;t=1,2, ,T(5)S endɤS ini㊀㊀㊀㊀S=ðN g g=1P g A g(C gȡ250mg/L,P g=1,P g=0)(6)式中:J1为第1个目标,表示管理期末主含水层中溶质质量占初始状态的百分比;M ini和M end分别为管理期开始和结束时主含水层中的总溶质质量,其中管理期共5a;J2为第2个目标,表示年均地下水开采总量;Q i,t为第t个管理期第i个生产井的抽水量;J3为第3个目标,表示年均河流入渗补给地下水量;S n,t 为第t个管理期第n个河段的河流入渗量;H n,t为第t个管理期第n个河段的闸坝上游一侧水头;H min㊁H max分别为每个闸坝的最低和最高蓄水位;Q cons为地下水年开采总量不能超过的规定红线值,即现状年均地下水开采量的80%;S end为管理期5a结束时海水入侵面积;S ini为2021-01-01初始状态海水入侵面积; g为网格编号;N g为网格总数;P g表示所有模型网格的Cl-质量浓度(C g)是否超过允许浓度250mg/L, P g=1则为是,P g=0则为否;A g为网格面积㊂管理期结束时海水入侵面积超过规定值,表明违背了海水入侵约束条件的范围,也就是说,从决策可行的角度来看,管理方案是不被采纳的㊂优化的地下水开采量为年地下水总开采量按比例分配至每个应力期㊂多目标优化算法参数设置为种群大小200,代数100,交叉概率0.8,突变概率0.05㊂决策变量的取值范围见表1㊂表1㊀输入管理模型的决策变量取值范围Table1Ranges of decision variables input to the management model978㊀水科学进展第34卷㊀3㊀气候变化条件下控制海水入侵的地下水优化管理3.1㊀降水频率预测方案基于皮尔逊Ⅲ型频率曲线对从国家气象信息中心获得的大沽河研究区过去30a(1989 2018年)的降水数据进行频率分析,得出了分别对应于特丰水年㊁偏丰水年㊁平水年㊁偏枯水年和特枯水年的5种不同降水场景㊂这里,特丰水年㊁偏丰水年㊁平水年㊁偏枯水年和特枯水年的气候条件对应于降水频率曲线的输出分别用S1 S5对应表示,其频率分别为12.5%㊁37.5%㊁50.0%㊁62.5%和87.5%㊂变差系数(C v)和偏态系数(C s)分别设定为0.3和0.75㊂S1 S5的年降水量分别为856.0㊁749.6㊁614.4㊁494.0和424.6mm㊂3.2㊀三维多目标优化结果与管理启示NSGA-Ⅱ在规定的100代时被终止,对所有获得的解进行Pareto排序㊂与S1 S5的不同气候情景相对应的Pareto前沿分别由955㊁889㊁1153㊁1006和995个最优方案组成,它们定义了海水入侵程度㊁地下水开采总量和河流入渗补给量3个目标之间的相互权衡㊂在每个主轴上,黑色箭头表示每个目标的优化方向(备选方案)㊂图7表明,所有的3维Pareto最优解都覆盖了广泛的权衡面,其中,0.8251<J1<0.8902, 4730万m3<J2<5650万m3,970万m3<J3<6380万m3㊂优化前对应于当前方案(S0)的3个目标的值分别为1㊁7100万m3㊁3880万m3㊂在干旱年份,降水带来的入渗补给量不断减少,导致地下水位呈下降趋势,海水和淡水的压力差增大,海水入侵程度严重,而在降水较多的年份则相反㊂值得注意的是,在河流对地下水渗流补给最小化㊁地下水开采总量最大化的前提下,与初始状态相比,S1 S5所对应的海水入侵程度均得到有效缓解㊂此外,从图8中可以看出,地下水开采量不能超过当地政府规定的80%的现状红线㊂同时,与现行方案相比,河水的渗漏量较少,这意味着有更多的地表水可供灌溉和生活使用,推动了地下水开采成本的节约㊂特别是,当地农民目前每立方米需要支付0.12~0.33元(青岛市物价局2017年数据)来提取地下水用于农业灌溉㊂因此,目前的管理方案显然是不理想的,需要通过多目标优化框架寻求权衡解㊂在多数情况下,从由数百个最优方案组成的大型方案集中选择首选方案对决策者来说是困难的,通常取决于决策者的优先权或效用㊂从图9(a)可以看出,在不同的气候情景下,通过多目标优化管理得到的坝后水头与现行方案相比有了很大的变化㊂为了缓解海水入侵,在降水不足的年份,靠近海水入侵区的闸坝至少要将其蓄水位提高0.5~1.5m,而其他闸坝则需将其蓄水位至少降低1m㊂南庄橡胶坝和贾疃橡胶坝在5种不同的气候情景下都呈现出将坝后水位提高到挡板最高点的必要性,即坝后河水水位抬升至尽可能高度;对于岔河橡胶坝和引黄闸,在降水量不足的年份,由于入渗补给的减少,为了尽量减少海水入侵程度,蓄水位应该比降水量充足的年份提高;对于大坝橡胶坝及其北部的其余闸坝,由于距离海水入侵区域较远,对海水入侵过程不敏感,相对于目前的方案,应降低蓄水位,以减少河流对地下水的渗流补给,进而满足从现有地表水中引出更多灌溉和生活用水的需要㊂从所选方案1㊁4㊁7㊁10㊁13相对应的河流渗流情况表明,在干旱年份,需要更多的河流渗流补给来缓解海水入侵,然而,这实际上是不可能的,因此有必要实行严格的节水措施㊂图9(b)表明,在限制地下水开采的约束条件下,4个县级行政分区的地下水年开采量在降水较少的年份应比降水较多的年份浮动调整120万~150万m3甚至更多㊂由于胶州地区位于海水入侵典型区,对海水入侵过程的影响较大,因此,降水较少的年份与降水较多的年份相比,胶州地区的地下水开采量应有所下降;在5种不同的降水情景下,平度地区在不超过红线的情况下,可以尽可能多地抽取地下水来满足经济和社会发展,即地下水抽取量可以达到2.4ˑ107m3/a;另外,对于即墨和莱西地区,在降水量相对较少的年份,㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治979㊀图7㊀研究区5种不同降水场景3个目标之间权衡的Pareto前沿Fig.7Pareto-front defining the tradeoffs among three objectives under five different precipitation scenarios in the study area可以适度增加地下水开采量,不仅可以满足胶州地区需要大幅减少开采量的海水入侵防控措施,还可以满足地下水开采总量与研究区的地下水需求相一致的目标㊂总之,政策制定者必须认识到在一系列复杂的限制条件下,地表水和地下水的联合利用对于控制海水入侵的权衡策略㊂980㊀水科学进展第34卷㊀图8㊀研究区5种不同的降水场景对应的典型方案Fig.8Typical scenarios corresponding to five different precipitation scenarios in the study area图9㊀5种不同降水场景下各闸坝蓄水位和4个县级行政开采区地下水开采总量的变化Fig.9Variations of impoundment-water head behind each dam and total pumping rates from four county-level administrative subdomains under five different precipitation scenarios㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治981㊀4㊀结㊀㊀论本文结合国内外研究成果与资料分析,在大沽河流域滨海含水层建立了考虑河道工程措施的变密度地下水数值模拟及优化管理模型,为沿海地区地下水资源的优化配置及海水入侵防控提供理论框架与科学决策依据,主要结论有:(1)该模型能够刻画研究区含水层咸淡水过渡带在不同降水条件下海水入侵的物理过程㊂(2)目前的管理方案是次优的,利用NSGA-Ⅱ求解的最佳权衡策略可以实现最佳效用㊂(3)南庄橡胶坝和贾疃橡胶坝需将坝后蓄水位抬升至隔水挡板的最高点,岔河橡胶坝和引黄闸在降水量不足年份应比降水量充足年份蓄水位抬高,大坝及其北部其余闸坝均应降低蓄水位㊂(4)胶州地区在降水量较少年份应减少地下水开采;平度地区在不超过压采量红线的情况下,应尽可能多地抽取地下水;即墨和莱西地区,在降水量相对较少的年份,可以适度增加开采量㊂参考文献:[1]郭占荣,黄奕普.海水入侵问题研究综述[J].水文,2003,23(3):10-15,9.(GUO Z R,HUANG Y prehensive study on seawater intrusion[J].Hydrology,2003,23(3):10-15,9.(in Chinese))[2]WERNER A D,BAKKER M,POST V E A,et al.Seawater intrusion processes,investigation and management:recent advances and future challenges[J].Advances in Water Resources,2013,51:3-26.[3]KINZELBACH W,BAUER P,SIEGFRIED T,et al.Sustainable groundwater management:problems and scientific tools[J]. Episodes,2003,26(4):279-284.[4]WANG Z C,YANG Y,WU J F,et al.Multi-objective optimization of the coastal groundwater abstraction for striking the balance among conflicts of resource-environment-economy in Longkou City,China[J].Water Research,2022,211:118045. [5]高玉芳,陈耀登,张展羽.沿海地区地下水模拟优化管理模型[J].水科学进展,2010,21(5):622-627.(GAO Y F, CHEN Y D,ZHANG Z Y.Simulation-optimization modeling for groundwater management in coastal areas[J].Advances in Water Science,2010,21(5):622-627.(in Chinese))[6]林锦,郑春苗,吴剑锋,等.基于遗传算法的变密度条件下地下水模拟优化模型[J].水利学报,2007,38(10):1236-1244.(LIN J,ZHENG C M,WU J F,et al.Ground water simulation optimization model based on genetic algorithm under varia-ble density conditions[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(10):1236-1244.(in Chinese))[7]YANG Y,SONG J,SIMMONS C T,et al.A conjunctive management framework for the optimal design of pumping and injection strategies to mitigate seawater intrusion[J].Journal of Environmental Management,2021,282:111964.[8]LUO Q K,WU J F,YANG Y,et al.Optimal design of groundwater remediation system using a probabilistic multi-objective fast harmony search algorithm under uncertainty[J].Journal of Hydrology,2014,519:3305-3315.[9]吴吉春,吴永祥,林锦,等.黄渤海沿海地区地下水管理与海水入侵防治研究[J].中国环境管理,2018,10(2):91-92.(WU J C,WU Y X,LIN J,et al.Study on the groundwater management and seawater intrusion prevention in the coastal are-as of the Bohai Sea and the Yellow Sea[J].Chinese Journal of Environmental Management,2018,10(2):91-92.(in Chi-nese))[10]陈飞,徐翔宇,羊艳,等.中国地下水资源演变趋势及影响因素分析[J].水科学进展,2020,31(6):811-819.(CHEN F,XU X Y,YANG Y,et al.Investigation on the evolution trends and influencing factors of groundwater resources in China[J].Advances in Water Science,2020,31(6):811-819.(in Chinese))[11]ZHANG D,YANG Y,WU J F,et al.Global sensitivity analysis on a numerical model of seawater intrusion and its implicationsfor coastal aquifer management:a case study in Dagu River basin,Jiaozhou Bay,China[J].Hydrogeology Journal,2020,28(7):2543-2557.[12]ZHENG T Y,ZHENG X L,CHANG Q P,et al.Timescale and effectiveness of residual saltwater desalinization behind subsur-。
地下水溶质运移数值模型(资料性附录)水是溶质运移的载体,地下水溶质运移数值模拟宜在地下水流场模拟基础上,因此地下水溶质运移数值模型包括水流模型和溶质运移模型两部分。
DJ 地下水水流模型非均质、各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统:1)控制方程σ∂h ∂hy 3(“∂h}∂(∂h ∖S,—=—K v —+—K Y —+—K ——+/∂t 3xI ∂x)为('∂y JAzI ~∂z)式中:SS 一一给水度[I/];h --- 水位[1];Kχf Ky,Kz ——分别为X,y,Z 方向上的渗透系数[EΓ∣];T 一一时间[T ];Qs 一一源汇项m注:方括号[]中的符号为量纲,以下同。
2)初始条件h(x y y 9z y t)=Zz 0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω,/=O 式中:4*,y ,z)——已知水位分布:Q ——模型模拟区。
3)边界条件:第一类边界: 〃(x,y,z√)∣「=Λ(x,y,z√)(x,y,z)∈Γ1,r≥O式中:r '一一类边界; h(x,y,z,t)一一类边界上的己知水位函数。
第二类边界:式中:「2 --- 二类边界;∂nq(x,y,Z) (x,y,z)∈Γ2κ——三维空间上的渗透系数张量;nn——边界r2的外法线方向;q(x,y t z)——二类边界上已知流量函数。
第三类边界:r(k(h-z)-+ah)=q(x,y,z)加r3式中:0一一系数;「3一—二类边界;k一一三维空间上的渗透系数张量;n——边界G的外法线方向;q(x,y f z)——三类边界上已知流量函数。
D.2地下水水质模型1)控制方程R啜喘[吗(他C)Fe—/〜元式中:R——迟滞系数,无量纲Pb SC~Θ~∂Cph——介质密度IM1-3];θ——介质孔隙度,无量纲;C——组分的浓度[M1,];亍一一介质骨架吸附的溶质浓度[M1,];t——时间[T];X,y,Z一—空间位置坐标[1];Dij——水动力弥散系数张量[1?T」];Vi——地下水渗流速度张量[EΓ∣];q s——源和汇[T∣];CJ一一源或汇水流中组分的浓度[M1";4一一溶解相一级反应速率[T」];4一一吸附相一级反应速率[Tj]。
中国地下水污染模拟预测标准体系研究现状魏亚强; 陈坚; 文一; 李璐【期刊名称】《《环境污染与防治》》【年(卷),期】2019(041)011【总页数】6页(P1387-1392)【关键词】地下水; 模拟; 污染; 预测; 标准【作者】魏亚强; 陈坚; 文一; 李璐【作者单位】生态环境部环境规划院北京 100012【正文语种】中文地下水污染防治是保护人类用水安全至关重要的任务。
地下水数值模拟能够为地下水污染防治工作提供技术支撑,是地下水污染防治工作不可忽视的一部分。
数值模拟提供了精确定量刻画地下水渗流和溶质运移过程的手段。
自1856年法国工程师达西根据砂槽实验提出的达西公式后,地下水规律定量刻画技术经历了稳定流、非稳定流的解析研究阶段、物理模拟方法研究阶段和计算机数值模拟研究阶段,逐渐向高精度、高效率的方向发展[1-2]。
随着我国对地下水生态环境愈发重视,地下水数值模拟在地下水污染防治不同阶段工作中的重要作用日益凸显。
在地下水环境风险评价阶段,地下水污染模拟预测前衔接地下水污染调查评估工作,基于前期地下水质量评价和污染评价成果,进一步完善资料收集工作、确定污染范围和程度、识别主要污染物、定位污染源和污染受体、分析污染迁移途径、提出污染迁移概念模型,使用数学模型模拟预测污染物的迁移转化趋势。
在污染地块开展地下水修复阶段,数值模拟对不同的修复方法进行效果预测,为修复技术可行性分析提供支撑。
地下水污染模拟预测成果可为环境管理的决策者制订地下水污染防治方案提供扎实、可靠的依据。
然而,由于含水介质具有天然复杂特征,地下水采样和监测难度高,对模拟技术在辅助识别地下水中污染物运移途径、定量计算水流和溶质运移等方面的依赖程度高。
近几十年来,我国水文地质工作者应用数值模拟技术解决了一批供水水源地的资源评价、矿坑涌水量预测、区域地下水资源评价、海水入侵、污染物在地下水中运移等问题,但范围有限,数值模拟技术没能在全国得到广泛应用。
大连周水子海水入侵区地下水多目标优化管理模型赵洁;林锦;吴剑锋;杨蕴;吴吉春【摘要】将改进后的遗传算法GA(添加了小生境、Pareto解集过滤器等模块)与变密度地下水流及溶质运移模拟程序SEAWAT-2000相耦合,新开发了变密度地下水多目标模拟优化程序MOSWTGA.将MOSWTGA应用于求解大连周水子地区以控制抽水井所在含水层不发生海水入侵为约束的地下水开采多目标优化管理模型,得到地下水最大开采量与海水入侵面积之间一系列Pareto近似最优解.研究成果不仅为实行合理的地下水资源配置提供了科学的实用模型,同时也为解决多个优化目标下的变密度地下水优化管理问题提供高效可靠的模拟优化工具,具有重要的潜在环境经济效益.%A multi-objective simulation-optimization groundwater management code,namely MOSWTGA,is developed by coupling an improved genetic algorithm (adding probabilistic niched technique and the Pareto solution set filter) with a density-dependent groundwater flow and solute transport simulator,SEAWAT,to obtain the optimal strategies for utilization of groundwater resources.The MOSWTGA is used to solve the multi-objective simulation-optimization model for optimal groundwater abstraction strategies while preventing the pumping aquifer from seawater intrusion in the Zhoushuizi district of Dalian,and a set of Pareto nearoptimal solutions of tradeoffs between the maximization of the total pumping rate and the minimization of the extent of seawater intrusion are obtained.This study,based on the real hydrogeology parameters and groundwater abstraction conditions,provides a practical framework for implementing a reasonable allocation of groundwater resource,as well asan efficient and reliable tool for solving density-dependent groundwater optimization management models associated with multipleobjectives,potentially leading to significant environmental and economic benefits.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2017(044)005【总页数】8页(P25-32)【关键词】MOSWTGA;海水入侵;多目标模拟优化;地下水开采方案;遗传算法【作者】赵洁;林锦;吴剑锋;杨蕴;吴吉春【作者单位】表生地球化学教育部重点实验室/南京大学地球科学与工程学院水科学系,江苏南京210023;南京水利科学研究院,江苏南京 210029;南京水利科学研究院,江苏南京 210029;表生地球化学教育部重点实验室/南京大学地球科学与工程学院水科学系,江苏南京210023;河海大学地球科学与工程学院,江苏南京 211100;表生地球化学教育部重点实验室/南京大学地球科学与工程学院水科学系,江苏南京210023【正文语种】中文【中图分类】P641.8海水入侵是滨海含水层地下水污染最普遍的形式之一,全球众多沿海地区的含水层均已遭受不同程度的海水入侵[1~2]。
地下水资源勘查中的模型模拟技术在当今社会,水资源的重要性不言而喻。
而地下水资源作为水资源的重要组成部分,其勘查工作对于合理开发、利用和保护地下水资源具有至关重要的意义。
在地下水资源勘查中,模型模拟技术凭借其强大的功能和独特的优势,正逐渐成为不可或缺的重要手段。
地下水资源勘查的主要目的是了解地下水的赋存状态、运动规律以及水质特征等,从而为水资源的开发利用提供科学依据。
然而,由于地下水系统的复杂性和隐蔽性,传统的勘查方法往往存在一定的局限性。
例如,单纯依靠钻孔取样和水文地质试验,难以全面、准确地揭示地下水系统的时空变化特征。
而模型模拟技术的出现,则为解决这些问题提供了新的思路和方法。
模型模拟技术是一种基于数学原理和计算机技术,对地下水资源系统进行定量描述和预测的方法。
它通过建立地下水系统的数学模型,将复杂的水文地质过程转化为数学方程,并利用计算机进行求解和模拟。
这样一来,就可以在不同的条件下,对地下水系统的动态变化进行预测和分析,为地下水资源的管理和决策提供有力支持。
在地下水资源勘查中,常用的模型模拟技术主要包括水流模型和溶质运移模型。
水流模型主要用于模拟地下水的流动状态,包括地下水位的变化、地下水流量的分布等。
而溶质运移模型则用于模拟地下水中溶质(如污染物、矿物质等)的迁移和扩散过程,对于评估地下水水质和污染防治具有重要意义。
以水流模型为例,其建立通常需要以下几个步骤:首先,要对勘查区域进行详细的水文地质调查,了解地层结构、含水层特性、边界条件等基本信息。
然后,根据这些信息,选择合适的数学模型和求解方法。
常见的水流模型有有限差分法、有限元法和边界元法等。
接下来,利用现场观测数据和试验结果对模型进行参数率定和验证,确保模型的准确性和可靠性。
最后,在模型验证通过后,就可以利用模型进行不同情景下的预测和分析。
溶质运移模型的建立过程与水流模型类似,但需要考虑更多的因素,如溶质的来源、吸附解吸作用、化学反应等。
地下水模拟系统(G MS )软件祝晓彬(南京大学地球科学系,南京 210093)摘要:国外在应用通用标准软件进行地下水数值模拟时,G MS 软件以其友好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及其优良的三维可视效果正受到人们越来越广泛的应用。
本文在对G MS 软件各模块进行简单介绍的基础上,对其优缺点进行了分析。
并结合实际应用经验,列举了该软件在使用过程中常遇到的一些典型问题,以供使用G MS 软件的工作人员借鉴。
关键词:G MS 软件;地下水;数值模拟中图分类号:P64112 文献标识码:A 文章编号:100023665(2003)0520053203收稿日期:2003204209;修订日期:2003205230作者简介:祝晓彬(19802),男,博士研究生,研究方向为地下水数值模拟。
E 2mail :jcwu @ 地下水模拟系统(G roundwater M odeling System ),简称G MS ,是美国Brigham Y oung University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合M ODF LOW 、FE MW ATER 、MT3DMS 、RT3D 、SE AM3D 、M ODPATH 、SEEP2D 、NUFT 、UTCHE M 等已有地下水模型的基础上开发的一个综合性的、用于地下水模拟的图形界面软件。
其图形界面由下拉菜单、编辑条、常用模块、工具栏、快捷键和帮助条6部分组成,使用起来非常便捷。
由于G MS 软件具有良好的使用界面,强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果,目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件。
1 G MS 各模块简介功能十分齐全的G MS 除了包含上述M ODF LOW 、FE M W A TER 、MT 3D MS 、RT 3D 、SE A M3D 、M ODP A TH 、SEEP 2D 、NUFT 、UT CHE M 等主要计算模块外,还包含PEST 、UC ODE 、M AP 、B oreh ole Data 、TI Ns 、S olid 等辅助模块。
地下水数值模拟的研究与应用进展地下水数值模拟是指利用数学模型和计算机技术对地下水系统进行模拟和预测的方法。
它可以模拟地下水的流动、溶质迁移、热传导等过程,为地下水资源管理、地下水污染控制、地下工程设计等提供科学依据。
本文将对地下水数值模拟的研究与应用进展进行综述。
地下水数值模拟的研究始于20世纪60年代。
当时,由于计算机技术的发展和对地下水资源的需求日益增加,人们开始将数学模型应用于地下水系统。
最早的地下水模型是基于二维的Darcy定律和扩散方程,模拟了地下水的流动和溶质迁移过程。
随着计算机技术的提高和数学模型的完善,地下水数值模拟逐渐发展成为一个成熟的学科领域。
在地下水数值模拟中,常用的数学模型包括流体流动模型、溶质迁移模型和热传导模型。
流体流动模型描述了地下水的流动过程,可以用于预测地下水的流向和流速。
溶质迁移模型描述了地下水中溶质(如污染物)的迁移过程,可以用于预测地下水的污染扩散。
热传导模型描述了地下水中热的传导过程,可以用于预测地下水的温度变化。
地下水数值模拟的应用非常广泛。
在地下水资源管理方面,地下水数值模拟可以用于评估地下水资源的可持续利用性,预测地下水位和地下水补给量,指导地下水的开发和利用。
在地下水污染控制方面,地下水数值模拟可以用于评估地下水污染的危害程度,分析污染源的扩散规律,指导地下水污染的治理和修复。
在地下工程设计方面,地下水数值模拟可以用于评估地下水对工程的影响,指导地下工程的布置和施工。
随着计算机技术的不断进步,地下水数值模拟的精度和效率也在不断提高。
传统的二维模型正在逐渐向三维模型发展,三维模型能更准确地模拟地下水流动和溶质迁移过程。
地下水数值模拟还与其他学科相结合,如地质学、水文学和生态学等,形成了多学科交叉研究的新趋势。
地下水数值模拟可以与地质信息系统(GIS)相结合,实现地下水资源管理的空间分析和决策支持。
地下水数值模拟是一门重要的科学研究领域,它在地下水资源管理、地下水污染控制、地下工程设计等方面具有重要的应用价值。