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[摘要]本文对承德某水源地进行了地下水资源评价。根据物理勘探、抽水实验数据，采用FEFLOW软件建立地下水数值模拟模型。对水源地地下水流进行数值模拟，确定模拟区稳定可靠的开采强度。
[关键字]水源地 FEFLOW 模型 评价
[中图分类号] U212 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2012）-10-72-1
关于FEFLOW软件利用的研究，在国内外越来收到重视，有限元地下水系统是一种交互式的、以图形为基础的地下水模拟系统，可用水对有压或者无压的地下水水资源的三维（3D）和二维（2D）、区域和断面（水平、垂直或轴对称断面）、流体密度耦合以及温盐线或者非耦合的、变饱和的瞬间水流、化学物质以及热传导进行模拟。关于采用FEFLOW软件对地下水流、化学物质等等方面研究已有很多[1]。其中国内冯尚友、夏军和陈家琦等也都分别进行了相关研究报道[2-4]。
1 模拟区水文地质概况
模拟区位于燕山山脉沉降带东南端，东西构造带与华夏系构造的复合部位，为燕山联合弧的凸出部分，都山复背斜西侧。因河流切割褶皱断裂等原因，形成重叠山峰，许多穹窿构造和小盆地。境内地层发育完整，除上奥陶、志留、泥盆、白垩、侏罗下统以及三迭地层外均有明显出露，尤以太古界、元古界及中生界侏罗系火山岩出露广泛。
根据含水介质将拟建水源地所在区域划分为两个水文地质区：基岩裂隙水区和松散岩层孔隙水区。
2 模拟区地下水动态变化
模拟区地下水主要为潜水，受降水影响较大。模拟区地下水位随季节变化比较明显，非汛期1～5月份、10～12月份由于降水较少，地下水补给不足，地下水位逐步下降，6～9月份，降水量逐渐增多，地下水补给比较充分，地下水位逐渐回升。从年际变化来看，本区域地下水长期处于动态平衡状态，无明显的持续下降现象，即使在枯水年或枯水季节，地下水位有所下降，但在丰水年或丰水季节会得到迅速补充。
3 地下水数值模拟模型的建立
为建立研究区地下水数值模拟模型，首先要对实际的水文地质条件加以概化，建立水文地质概念模型。模拟区东西长1930m，平均宽度500m，面积0.97km2。模拟区的目标含水层是潜水含水层，在垂直方向上，上层为粉质粘土，以下是颗粒粗大的砂卵砾石，为潜水含水层，这两层为第四纪沉积物；砂卵砾石层以下为风化程度不同的砂砾岩，视为潜水含水层底板。模拟区上下游边界均概化为流量边界；两侧与基岩山区相连，概化为零流量边界。补给项包括河流渗漏补给、河谷地下径流流入、两岸基岩山区地下水补给和河谷区域降雨入渗补给。排泄项包括地下水开采、河流排泄、河谷地下径流流出、潜水蒸发。模型的含水层内部结构概化为均质、水平方向上各向同性，水流服从达西定律。
4 建立数学模型
根据上述水文地质概念模型，建立相应的数学模型：
式中：K：含水层渗透系数；
H：潜水水位；
B：潜水含水层底板标高；
W：单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量；
μ：给水度；
H0：初始水位；
H1：计算期间边界处的地下水水位；
t：时间；
D：模拟区范围；
Г2：第二类流量边界。
5 模型参数率定
根据水文地质概念模型，采用FEFLOW软件建立数值模拟模型，利用抽水试验期间的水位观测资料，对模型进行识别，使数值模型符合实际的水文地质条件。根据拟建水源地进行的抽水试验期间的水位动态观测资料，将模型的识别时段定为抽水试验期。运行模型后，通过比较地下水观测孔处的计算水位和观测水位，来调整模型的主要水文地质参数，例如：河床沉积物的渗透系数，含水层的渗透系数等，使得计算水位和观测水位拟合情况较好，考虑到傍河取水水源地调节特征，强调水源地整个流场趋势拟合。
抽水试验期间两观测孔地下水位过程线拟合良好，区内所有观测点水位与模拟水位均匀分布在45°相关线两侧，且偏离数值在±0.5m以内。说明地下水数值模型模拟结果较好，所建立的数学模型正确，可以代表该拟建水源地的水文地质条件，并可以将模型用于拟建水源地的地下水资源评价与预测。
6 模型的灵敏度分析
拟合优度目标函数等值线在代表含水层渗透系数变化的水平方向梯度较大，在代表河床沉积物渗透系数变化的垂直方向则相对较小，说明含水层渗透系数相对更敏感。同时发现目标函数有明显的极值点，说明模型总体反应灵敏。
7 地下水数值模拟与评价
作为傍河取水水源地，地下水补给量与开采强度密切相关。以2020年本区域对水资源的需求量为参考，利用率定出的模型，结合搜集整理的近10年资料，进行不同开采强度条件下的逐日数值模拟，通过对模拟结果进行分析，确定开采强度Q=2.60万m3/d。
根据计算结果分析评价，在开采强度条件下，水源地10年平均地下水资源量（按补给量计）为1018.6万m3。在总补给量中，河流入渗补给量占79.8%；基岩山区侧向补给量占13.5%，河床潜流流入量占5.6%，降雨入渗补给量占1.1%。说明该河段河谷含水层地下水与河流地表水联系密切。可以将数值模拟的开采量做为可开采量。
8 结论
本文根据地球物理勘探、抽水实验数据，采用FEFLOW软件在某水源地建立了地下水数值模型，根据率定计算水位和观测水位进行对比，验证了模型的正确性。对模拟结果进行分析，确定了研究区的稳定可靠的开采强度，根据预测，到2020年，水源地模型模拟区内用水量小于开采强度，为区域未来水平年经济快速发展提供了水资源保证。水源地取水的可靠性将随着上游用水的增加而逐渐减弱，这是需要引起重视的问题。
参考文献
[1] 王玉明. 地下水资源评价中随机模型的应用[J]. 河南水利， 2006， 8： 34.
[2] 冯尚友， 刘国权. 水资源可持续利用的框架[J]. 水科学进展， 1997， 8（4） ： 302 -307.
[3] 夏军.可持续水资源系统管理研究与展望[J].水科学进展，1997， 8（4）：370-376.
[4] 陈家琦等.水与可持续发展：定义与内涵[J].水科学进展，1997， 8（4）：377-384.
[关键字]水源地 FEFLOW 模型 评价
[中图分类号] U212 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2012）-10-72-1
关于FEFLOW软件利用的研究，在国内外越来收到重视，有限元地下水系统是一种交互式的、以图形为基础的地下水模拟系统，可用水对有压或者无压的地下水水资源的三维（3D）和二维（2D）、区域和断面（水平、垂直或轴对称断面）、流体密度耦合以及温盐线或者非耦合的、变饱和的瞬间水流、化学物质以及热传导进行模拟。关于采用FEFLOW软件对地下水流、化学物质等等方面研究已有很多[1]。其中国内冯尚友、夏军和陈家琦等也都分别进行了相关研究报道[2-4]。
1 模拟区水文地质概况
模拟区位于燕山山脉沉降带东南端，东西构造带与华夏系构造的复合部位，为燕山联合弧的凸出部分，都山复背斜西侧。因河流切割褶皱断裂等原因，形成重叠山峰，许多穹窿构造和小盆地。境内地层发育完整，除上奥陶、志留、泥盆、白垩、侏罗下统以及三迭地层外均有明显出露，尤以太古界、元古界及中生界侏罗系火山岩出露广泛。
根据含水介质将拟建水源地所在区域划分为两个水文地质区：基岩裂隙水区和松散岩层孔隙水区。
2 模拟区地下水动态变化
模拟区地下水主要为潜水，受降水影响较大。模拟区地下水位随季节变化比较明显，非汛期1～5月份、10～12月份由于降水较少，地下水补给不足，地下水位逐步下降，6～9月份，降水量逐渐增多，地下水补给比较充分，地下水位逐渐回升。从年际变化来看，本区域地下水长期处于动态平衡状态，无明显的持续下降现象，即使在枯水年或枯水季节，地下水位有所下降，但在丰水年或丰水季节会得到迅速补充。
3 地下水数值模拟模型的建立
为建立研究区地下水数值模拟模型，首先要对实际的水文地质条件加以概化，建立水文地质概念模型。模拟区东西长1930m，平均宽度500m，面积0.97km2。模拟区的目标含水层是潜水含水层，在垂直方向上，上层为粉质粘土，以下是颗粒粗大的砂卵砾石，为潜水含水层，这两层为第四纪沉积物；砂卵砾石层以下为风化程度不同的砂砾岩，视为潜水含水层底板。模拟区上下游边界均概化为流量边界；两侧与基岩山区相连，概化为零流量边界。补给项包括河流渗漏补给、河谷地下径流流入、两岸基岩山区地下水补给和河谷区域降雨入渗补给。排泄项包括地下水开采、河流排泄、河谷地下径流流出、潜水蒸发。模型的含水层内部结构概化为均质、水平方向上各向同性，水流服从达西定律。
4 建立数学模型
根据上述水文地质概念模型，建立相应的数学模型：
式中：K：含水层渗透系数；
H：潜水水位；
B：潜水含水层底板标高；
W：单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量；
μ：给水度；
H0：初始水位；
H1：计算期间边界处的地下水水位；
t：时间；
D：模拟区范围；
Г2：第二类流量边界。
5 模型参数率定
根据水文地质概念模型，采用FEFLOW软件建立数值模拟模型，利用抽水试验期间的水位观测资料，对模型进行识别，使数值模型符合实际的水文地质条件。根据拟建水源地进行的抽水试验期间的水位动态观测资料，将模型的识别时段定为抽水试验期。运行模型后，通过比较地下水观测孔处的计算水位和观测水位，来调整模型的主要水文地质参数，例如：河床沉积物的渗透系数，含水层的渗透系数等，使得计算水位和观测水位拟合情况较好，考虑到傍河取水水源地调节特征，强调水源地整个流场趋势拟合。
抽水试验期间两观测孔地下水位过程线拟合良好，区内所有观测点水位与模拟水位均匀分布在45°相关线两侧，且偏离数值在±0.5m以内。说明地下水数值模型模拟结果较好，所建立的数学模型正确，可以代表该拟建水源地的水文地质条件，并可以将模型用于拟建水源地的地下水资源评价与预测。
6 模型的灵敏度分析
拟合优度目标函数等值线在代表含水层渗透系数变化的水平方向梯度较大，在代表河床沉积物渗透系数变化的垂直方向则相对较小，说明含水层渗透系数相对更敏感。同时发现目标函数有明显的极值点，说明模型总体反应灵敏。
7 地下水数值模拟与评价
作为傍河取水水源地，地下水补给量与开采强度密切相关。以2020年本区域对水资源的需求量为参考，利用率定出的模型，结合搜集整理的近10年资料，进行不同开采强度条件下的逐日数值模拟，通过对模拟结果进行分析，确定开采强度Q=2.60万m3/d。
根据计算结果分析评价，在开采强度条件下，水源地10年平均地下水资源量（按补给量计）为1018.6万m3。在总补给量中，河流入渗补给量占79.8%；基岩山区侧向补给量占13.5%，河床潜流流入量占5.6%，降雨入渗补给量占1.1%。说明该河段河谷含水层地下水与河流地表水联系密切。可以将数值模拟的开采量做为可开采量。
8 结论
本文根据地球物理勘探、抽水实验数据，采用FEFLOW软件在某水源地建立了地下水数值模型，根据率定计算水位和观测水位进行对比，验证了模型的正确性。对模拟结果进行分析，确定了研究区的稳定可靠的开采强度，根据预测，到2020年，水源地模型模拟区内用水量小于开采强度，为区域未来水平年经济快速发展提供了水资源保证。水源地取水的可靠性将随着上游用水的增加而逐渐减弱，这是需要引起重视的问题。
参考文献
[1] 王玉明. 地下水资源评价中随机模型的应用[J]. 河南水利， 2006， 8： 34.
[2] 冯尚友， 刘国权. 水资源可持续利用的框架[J]. 水科学进展， 1997， 8（4） ： 302 -307.
[3] 夏军.可持续水资源系统管理研究与展望[J].水科学进展，1997， 8（4）：370-376.
[4] 陈家琦等.水与可持续发展：定义与内涵[J].水科学进展，1997， 8（4）：377-384.