MODFLOW在宿迁市地下水资源评价中的应用

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图 2 含水层的空间离散 Fig. 2 Spacial discreti zation of aquif er
1- 含水层边界 ; 2- 有效计算单元 ; 3- 无效计算单元
( 3)输入数组的准备 在 MODF LOW 中 ,数据的输入比较特殊 ,必须按 规定准备输入文件 ,除了常数之外 ,每组数据之前均应 有一输出控制行 ,再按控制行的要求输入数据。
( hmi , j, k -
h ) m- 1 i , j, k
/( tm
-
tm- 1 )
( 2)
其中: CR 为相邻格点之间的水力传导系数 ( L2 T- 1 ) ; h 为计算单元之水头 ( L) ; P 为与外部源汇有关的常数 ( L2 T- 1 ) ; Q为与外部源汇有关的常数 ( L3 T- 1 ) ; S S 为 计算单元的 贮水率 ( L- 1 ) ; tm 为时间段结束时 的时间 ( T )。
Abstract: G round w ater is main w ate r supply in Suqian City, because ex ploitatio n and distributio n are ir ra tio nality in the pa st, many different cones o f depressio n hav e fo rmed in w hole area , a nd its ar ea is ex tending . In o rder to reinfo rce g ro und wa ter r eso urce manageme nt , ex ploit a nd utilize ra tio na lly and pro tect g r ound w ater resource effectiv ely , inv estiga tio n and ev alua tio n o f g ro und wa ter r eso urce must be do ne. M O DF LOW model is used to simulate g round w ater lev el and w ate r quantity and fo recast in this pa per. O n the basis of r esults, the ex ploitatio n pr ojec t w as co nstituted. The ex ploitation amo unt a nd distribution sho uld be optimized, the ce nte r wa ter lev el of cone of depr essio n should be effectiv ely contr olled while the max ima l ex ploitation a mount ca n be acquir ed. It prov ides fo undation for th e g ro undw ater resources manag ement o f the ar ea. Key words: M O D FLO W mo del; g r oundw ater reso urce; the co ne o f depressio n; pro g ramming ex ploitatio n a mount
2000年第 6期
水文地质工 程地质
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MODFLOW在宿迁市地下水资源评价中的应用
周念清 1 ,朱 蓉 2 ,朱学愚 1 ( 1.南京大学地球科学系 ,南京 210093; 2.浙江大学地理系 ,杭州 310013)
摘要: 地下水是宿迁 市主要的供水水源 ,过去由于开 采布局不合 理 ,在 全区已形成 多个大小不 等的降落 漏斗 ,且 面积在 不断扩大。为了加强地下水资源的管理 ,合理开发利用 和有效保护地下水资源 ,必须进行地下水 资源的调查与评价。本文 采用 M OD FL OW 模型对全区的地下水位和 水量进行模拟和预 报。在此基础 上制定合理的开采 方案 ,通过 对开采量的优 化和合理 分配 ,在获得 最大开采量的同时 ,有效地控 制降落漏斗区水位 的下降 ,为该 地区地下水资源 的合理开发 利用提 供了依据。 关键词: M O DF LOW 模型 ;地下水资源 ;降 落漏斗 ;规划开采量 中图分类号: P641. 8 文献标识码: A 文章编号: 1000-3665( 2000) 06-0009-04
壤中空气的流动、抽水引起的地面沉降等的模拟 ,在国 外应用比较广泛 ,但在国内具体应用尚不多见。此次采 用 MODF LOW 模型对宿迁市地下水资源进行了计算 和评价 ,作了一次尝试 ,收到了比较理想的效果。
2 宿迁市地下水资源开采现状
2. 1 水文地质条件 宿迁市位于江苏省北部 ,由宿豫、沭阳、泗阳、泗洪
m i , j, k
+
CVi , j, k-
1 2
h , h m
m
i, j ,k- 1 i, j ,k
++
C Ri ,j ,k+
1 2
h , h m
m
i, j, k+ 1 i, j, k
+
P h + m i, j ,k i, j ,k
Qi, j ,k =
SSi , j, k (ΔrjΔciΔvk )
及宿城区组成 ,总面积 8643. 7km2 ,其中地表水域面积 1714. 73km2。区内地形西高东低 ,以平原为主 ,部分为 丘陵 ,东西部高差 10～ 15m。区内有四条河流: 淮、沂、 沭、泗河穿境而过 ,另有大运河由北西向南东途经该区 域 ,常年水位为 9～ 9. 5m。区内还有洪泽湖和骆马湖 , 洪泽湖正常水位 12. 5m。北西— 南东向废黄河垅状高 漫滩形成地表水的天然分水岭。地下水主要是赋存在 砂砾石含水层中的孔隙水及少量的裂隙水。研究区含 水层系统划分为潜水含水层、微承压含水层 (Ⅰ )和第 Ⅱ 、Ⅲ 承压含水层 ,由于第Ⅱ 、 Ⅲ 承压含水层的水力联
收稿日期: 2000-03-28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目 ( 49772162) 作者简介: 周念清 ( 1964-) ,男 ,汉族 ,曾参加过秦 山三期核电工 程及江苏核电站工 程等大型建设项目 前期研究论证工作。主要 从事地下水资源的评价与模拟 ,现为南大在读博士生。
其程序运行框图如图 1所示。 MODF LOW 还 可用于裂隙介质 中水流运动、土
方程 ( 1)加上相应的初始条件和边界条件 ,构成描 述地下水流动系统的数学模型。采用向后有限差分法 , 对上述数学模型进行离散 ,即可获得计算单元 ( i , j , k ) 地下水渗流计算的有限差分公式。如果所有的流量项
均以某一时间段长的结束时间 tm 为准 ,则有:
表 1 地下水开采现状一览表 Table 1 Schedule of ground water exploitation actuality
2 72
0. 15 0. 07 0. 13 0. 10
1. 929 1. 916 1. 374 5. 374
704. 09 699. 34 501. 51 1961. 51
0. 41 0. 30 0. 27 0. 71
7. 6(市党校 ) 10. 8(县家禽厂 ) 16. 6(众兴酒厂 ) 12. 3(植物油厂 )
1 MODFLOW模型介绍
MODF LOW (“ Modular Three-di mensio nal Fini te-dif ference Gro und-w at er flow m odel”的简称 ) 是 由美国地质调 查局 ( U. S. Geological Surv ey )的 Mcdonald和 Harbaugh 于 80年代开发的一套专门用于孔 隙介质中地下水三维有限差分法数值模拟软件。它由 一个主程序和一系列相对独立的子程序包组成。模型 采用模块化结构 ,将各种功能相似的子程序组合成子 程序包 ,如单元间渗流、河流、补给、井流、排水沟渠、蒸 散法、通用水头边界、迭代求解及工具子程序包等 ,用 户可以根据实际需要选用其中的某些子程序包进行地 下水运动的数值 模拟。M ODFLOW 数值模拟过程 包 括三大循环: 应力期循环、时间段循环、迭代求解循环 ,
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水文地质工程地质
2000年第 6期
开始运行
定义 ( D F)
内存分配 ( A L) 输入处理 ( RP)
应力期 ( S T)
输入处理 ( RP)
时间控制 ( A D)
环
循
代
环
迭
循
期环
力循
应段
间
时
建立方程 ( FM ) 近似求解 ( AP)
No
Cl os来自百度文库e
Yes 输出控制 ( O C)
4 模型求解
本次计算区域在空间上剖分为三层、 30行、 24列 , 共 2160个单元。其中: 定水头单元 50个 ,无效计算单元 1113个 ,变水头计算单元 (即有效计算单元 ) 997个 ,研 究区剖分图如图 3所示。行间距 (ΔCi )和列间距 (Δrj )均 为 500m,厚度 (Δvk )视具体情况而定。本次计算调用的 外应力子程序包有: 水井子程序 ( W EL)、补给子程序 包 ( RC H)、河流 子程 序包 ( RIV ) 以及蒸 发子 程序 包 ( EV T) ,求解过程则调用“预调共轭梯度法 PCG”子程 序包 , 并与强隐式 差分 ( SIP)和松 弛差分迭代 法 ( SO R)进行了对比。整个模拟过程分为 12个应力期 ,每 个应力期为 1个月。同一应力期中所有外部源汇项的强 度保持不变 ,其中每个应力期又等分为 2个时段。计算 单元的属性用一个三维整型数组 ( IBOUND) 来定义 , 每个元素对应模型中的一个单元 ,对计算单元的规定 如下:
县 市 名称
面积 ( km2 )
深井总 数 (眼 )
深井密度 (眼 /km2 )
日均开采 年开采总 量 (万 m3 ) 量 (万 m3 )
年开采强度 (万 m3 /km2 )
地下水埋 ( m)
宿迁市区及宿豫县 沭阳县 泗阳县 泗洪县
17 19
2 54
22 96
1 70
1865. 3
2 42
2763. 4
( 2)计算区域的离散
MODF LOW 将一个三维含水层系统划分成一个
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水文地质工 程地质
三维的网格系统 ,将含水层剖分为多层 ,每一层又剖分 为若干行和列 ,含水层被剖分成许多小长方体 ,每个长 方体的中心称为格点。格点所在的行号用 i 表示 ,列号 用 j 表示 ,层厚用 k 表示。行和列的方向即为 x、 y 的方 向 ,规定模型的最顶层为第一层 (即 k= 1) ,随高程的 降低 k 值增加。概念模型如图 2所示。
3 数学模型的建立
( 1)多孔介质中地下水流动的三维有限差分数学
模型可用下面的偏微分方程来表示:
x
Kx
h x
+
y
Ky
h y
+
z
Kz
h z
- W=
Ss
h t
( 1) 式中: Kx、 K y、 Kz 是渗透系数在 x、 y 和 z 方向上的分量 ( L T- 1) ; h 为水头 ( L ) ; W 为单位体积流进或流出的水 量 ( T- 1 ) ; Ss 为孔隙介质的贮水率 ( L- 1 ) ; t 为时间 ( T )。
本区深层地下水的开采已近 40a 的历史 ,现已具 有一定的开采规模。据调查 , 1996年全区有各 类深井 938眼 ,总开采量为 0. 4× 108m3 /a, 开采范围已由重点 城镇扩展到广大农村地区 ,地下水位埋深已由 1970年 的 4. 80m 降至 12. 24m。由于集中开采 ,以重点城镇为 中心 ,已形成了大小不等的降落漏斗 ,目前降落漏斗面 积已达 101. 25km2。广大农村地区深部承压含 水层中 地下水开采尚处于初期 ,有较大的开采潜力。表 1反映 了宿迁市各县区地下水资源的开采现状。
水均衡计算 ( BD )
结果输出 ( O T )
Yes
T -时间段?
N o
Yes
T -应力期?
No 运行结果
图 1 MODFLOW程序运行框图 Fig. 1 Run frame of MODFLOW program
系比较密切 ,大多为混合开采 ,是本区的主采层 ,因而 可视为同一层对待。大气降水和地表水是地下水的主 要补给来源。 2. 2 地下水资源开采现状
C R h , h + CR h , h i, j -
1 2
,
k
m i , j- 1,k
m i , j,k
i, j+
1 2
,k
m i, j - 1,k
m i, j ,k
+ CC h , h + CC h , h i-
1 2
,
j
,
k
m i- 1, j ,k
m i , j,k
i+
1 2
,j
,k
m i+ 1,j ,k