基于FEFLOW的地下水源地数值模拟研究
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基于FEFLOW的地下水源地数值模拟研究
摘要对朝阳市建平地区地下水水源区水文地质条件进行分析、概化，建立研究区的数学模型，并对数学模型参数进行识别与验证，计算各种水均衡项，以为水资源论证提供水资源量数据支撑。
关键词地下水水源区；数值模拟；FEFLOW
1模型介绍
FEFLOW（Finite Element subsurface FLOW system）是有限元地下水数值模型的杰出代表，由德国WASY公司于1979年开发，经过不断改进，目前FEFLOW4.0版本已扩展为3D并应用于水流、溶质运移模拟的研究；1996—1998年间FEFLOW的数值性能和数据界面得到扩展，模型后处理器功能增强；进入21世纪以来，其版本已经升级到5.2，具备良好的GIS数据接口、优化的剖分网格技术及良好的可视化等优点。
2研究区范围
研究区范围为（即模拟计算区）建平县二道河的杨杖子至北台子一带，面积为2.67 km2。该范围根据建平县自来水公司第三地下水源地开采井的分布位置和区域水文地质条件划定。
3水文地质
3.1第四系地层
中更新统坡积—洪积层：该层分布面积小，在山前裙裾出露。岩性为亚黏土、黏土，颜色为棕黄色或棕红色，结构密实，黏塑性好，干时较硬，湿时较黏。局部含钙结核，结核形状不规则。其底部一般具有砂砾石透镜体或薄层，砾石是次棱角状，成分以安山岩、片麻岩为主，粒径范围在3～15 mm。
3.1.1上更新统（Q3）。①坡积—洪积层：分布于山前裙裾，岩性以含砾亚粘土，浅黄至黄褐色，结构密实，具黏塑性，垂直节理。厚度1.0～12.0 m。局部地区的岩性成分为含砾亚砂土，下部为砂砾石含粘性土，杂色。②冲积—洪积层：分布于河流一级阶地上，岩性以亚砂土和砂砾卵石层为主。亚砂土为淡黄至黄褐色，厚度8.0～18.0 m，有上游厚度较大、下游厚度逐渐变小的规律。砂砾卵石为黄褐色或杂色，结构松散，砂以粗砂为主，砾卵石岩性以安山岩、片麻岩为主，一般粒径10.0～30.0 mm，最大达100 mm[1-2]。
3.1.2全新统（Q4）。其冲洪积层分布在河床和漫滩，以粉土和砂卵石组成。
粉土仅在漫滩与阶地的结合部位零星分布，厚度不足0.5 m。砂砾卵石分布在河床及漫滩，砂以中粗砂，卵石岩性以安山岩、片麻岩为主，石英岩次之，一般粒径为20.0～40.0 mm，最大达300～500 mm，分选较差，磨圆一般。该层厚度为4.8～14.0 m。
3.2区域水文地质条件
3.2.1含水层的分布及特征。该区基岩主要为安山岩、片麻岩及碳酸盐岩类，在长期内外地质营力作用下，节理、裂隙发育，宽度1.0～5.0 mm，最宽者达20
mm，多为张开型，局部被泥浆充填。区内断裂发育，使不同时代的含水层系互相沟通发生水力联系。全区地下水为基岩裂隙水，日出水量2.0～50.0 m3，供水意义不大。
第四系坡积、洪积、冲积含水层：中更新统含水层按其成因可分为2组，其中下组岩性以安山岩、片麻岩为主，分选较好，磨圆较差，其厚度分别为0.7、0.5 m，埋深在60 m以下；上组层岩性为砂砾石，分选差，磨圆一般，一般含黏性土或黏土夹层，在霍家店一带山前裙裾分布，埋深在23.0 m以下，单井出水量10.0～15.0 m3/h。上更新统冲、洪积含水层以砂、卵石为主，卵石成分以安山岩、片麻岩为主，石英岩次之，一般粒径20～30 mm，高者150 mm，分选较差，磨圆一般，该层在山间河谷内广泛分布，厚度5.0～10.0 m，渗透系数65.0～93.45
m/d，单井出水量在霍家店为1 800～2 100 m3/d，在杨杖子为2 500～4 000 m3/d，单位涌水量为274.58～2 040.00 m3/d。全新统冲、洪积含水层分布在河床、漫滩区，岩性为卵石、圆砾，成分以安山岩、片麻岩为主，石英次之，分选较差，磨圆一般，多为次棱角状，一般粒径15～30 mm，高者达200 mm。该层厚度6.0～14.0 m，二道河谷段透水性好。
3.2.2地下水的补给、径流和排泄条件。①地下水的补给。区内地下水的补给途径有4种，即大气降水入渗补给、地表水补给、上游及两侧山前地下水的侧向径流补给与灌溉回渗补给。②地下水的径流和排泄。基岩裂隙水沿裂隙由高处向低处或压力消失点径流，到各自排泄基准面后以下降泉或上升泉的方式排出地面，成为地表径流。第四系孔隙水由上游向下游径流，天然条件下河谷两侧的孔隙水向河床径流，部分排泄基准面后流出地表，成为地表径流。部分地区的潜水埋藏深度小，以蒸发的形式进行排泄。
3.2.3地下水动态特征。按照埋藏条件划分，研究区内地下水为第四系潜水，水位埋深较浅，水温9.5～10.0 ℃。在漫滩及阶地边缘，地下水位受河水水位影响，动态类型为水文型，阶地及山前坡水位与河水无直接水力联系，与大气降水相关并见明显的滞后显现，动态类型为气象型。4、5月为枯水期，7—9月为丰水期，地下水年变幅在不同地貌单元上有所不同，在上、下游也有差别。
4地下水数值模拟模型
4.1地下水流数学模型及求解
地下水流数学模型：根据上述的水文地质概念模型进行分析，将研究区地下水流系统概化为非均质各向同性，二维非稳定地下水流数学模型。地下水流数学模型的求解可以采用微分方程的定解问题进行描述，该微分方程具体如下：
式中：h，B——分别为潜水位和含水层底板标高（m）；ε1（x，y，t），ε2（x，y，t）——分别为含水层的补给强度和排泄强度（m/d）；q（x，y，t）——第二类边界的单宽流量（m3/m·d）；K——渗透系数（m/d）；h0（x，y）——初始水位（m）；μ——潜水含水层储水系数（给水度）。
4.2水文地质概念模型
4.2.1模拟计算范围。根据建平县自来水公司地下水源井的分布位置和区域水文地质条件，划定模拟的计算区（即论证范围）[3-4]。
4.2.2模拟计算目的层及其水力特征。模拟的计算区孔隙含水层介质为中更新统、上更新统及全新统砂砾含卵石层，含水层厚度一般为10～20 m，各地段富水性及水文地质参数有一定的差异，故将计算目的层概化为非均质各向同性含水层。根据对模拟计算区地下水流场的综合分析，二道河的模拟计算区目的层地下水由西向东方向沿河道运移且与地形坡度方向及河水流向一致，地下水天然水力坡度变化较大。
模拟的计算区地下水系统符合质量守衡定律和能量守衡定律，在常温常压下地下水运动符合达西定律，地下水运动概化为平面二维非稳定流。
4.2.3边界条件概化。具体如下：①垂向边界概化。模拟的计算区目的层顶部以潜水面为界，通过包气带与外界进行水量交换，如地下水接受大气降水入渗补给、潜水蒸发排泄及灌溉回渗补给等。二道河模拟计算区底部为第四系下更新统泥砾，透水性及渗透性差，均概化为隔水边界。②侧向边界概化。二道河模拟的计算区的西部、西北及西南部地下水水力坡度较大，侧向补给区内地下水，概化为第二类流量补给边界，东部地下水沿河水流向及地形坡降流出，概化为第二类流量排泄边界。
4.3模型的识别及校正
选择2006年1—6月作为模型的识别时段，该时段历经枯水期和平水期，流场的特征能较好地反映出含水层系统的特性，选择2006年7—12月进行模型的校正，选取2006年6月初的流场进行拟合。道河子模拟的计算区流场拟合如图1所示。
根据地下水资源数值法计算技术要求，控制观测井地下水水位的观测值与模拟计算值的拟合误差应小于拟合计算期内水位变化值的10%。全区计算流场与实测流场基本吻合，实测水位与计算水位拟合误差在允许范围之内，表明所进行的含水层结构分析、边界条件概化，以及水文地质参数和源汇项的选取都是合理的，所建立的数学模型较为真实地刻画了研究区地下水系统的特征，仿真性强，可以
运用该模型进行模拟计算区地下水资源的预报。
5开采条件下地下水均衡分析
随着地下水开采量的增加，模拟计算区的地下水源汇项发生变化，从预测系列中选取降水频率接近20%、50%、75%和95%的4个典型年进行开采条件下的地下水均衡计算，结果见表1。
6结论
运用数值模拟手段，分析研究区地质情况、地下水动态变化规律，概化其水文地质条件，基于FEFLOW建立出能体现其真实面貌的水文地质结构模型，以准确预报未来地下水动态变化和可开采量，为今后研究提供参考[5]。
7参考文献
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