银川市炼油厂区地下水流数值模拟
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[摘 要] 为了研究银川市炼油厂区地下水流的水文地质条件及其运动特征，为合理利用地下水资源、预防地下水污染提供水文地质依据，本文运用Visual MODFLOW对研究区地下水流进行了数值模拟，建立了相应的水文地质概念模型和地下水流数值模型。通过识别和验证的模型，其水位的模拟计算值和动态观测值的拟合均方差等目标函数均符合模型的设计要求。利用模型进行了水均衡计算，结果表明研究区水量基本处于均衡状态。
[关键词] 地下水流数值模型 Visual MODFLO 水均衡
银川市炼油厂位于银川市西夏区水源的上游，周边分布着两处大型的供水水源地。鉴于此，为了确保西夏区水源地地下水资源的可持续利用，本文首次针对银川地区该环境敏感区的特点，将其作为研究区，对其地下水流进行数值模拟。旨在研究和查明该环境敏感区的地下水流运动特征，为将来研究地下水流污染以及建立地下水溶质运移模型进行基础性研究。
1.自然地理概况及区域水文地质条件
地理位置及地形、地貌
研究区地处银川平原中部西缘。地理坐标为：东经106°03′~106°08′，北纬38°24′~38°26′，呈矩形状，面积约35km2。研究区大部分位于风积沙丘区域西北小部分坐落于扇前冲击洼地。地面高程1110-1130m，地势自西向东微微倾斜，坡降为3‰-1‰。
地下水类型
研究区地下水类型主要为松散岩类孔隙水。从含水层结构上来看，研究区位于多层结构区，可分为潜水含水层，第一承压含水层和第二承压含水层。根据钻孔资料，潜水埋深一般1-5m，含水层厚度一般24-36m，岩性以细砂为主，部分地段夹有亚粘土的透镜体。第一承压含水层厚度在104-112m之间，岩性主要为细砂，含水层之间夹有亚粘土透镜体。第二承压含水层厚度在72-85m之间，岩性主要为细砂。
为了查明含水层结构、获得研究区水文地质参数来求解地下水流数值模型，本次研究分别在炼油厂区和废渣场进行了稳定和非稳定流抽水试验，此外，前人在该研究区进行水文地质勘查时，曾在承压含水层进行了非稳定流抽水试验。计算参数潜水渗透系数K=6.59 m/d、给水度0.23、储水系数S=0.0028，承压水K=6.42 m/d、储水系数S=0.000767。
2.地下水流数值模型的建立及求解
2.1 水文地质概念模型
含水层结构概化：从含水层结构上来看，研究区分为潜水和承压含水层。将含水层概化为非均质、各向同性含水层，而局部可以视为均质。地下水的水动力条件可以概化为非稳定的三维流。
研究区边界条件概化：研究区四周边界定为第一类边界条件，边界水位均由地下水位长期观测资料插值获得。计算区上界面可概化为潜水面边界，下界面可概化为隔水边界。
研究区源汇项概化：含水层主要接受大气降水补给、灌溉入渗补给和渠系渗漏补给、侧向渗流补给。地下水消耗项主要是蒸发排泄和人工开采、侧向径流排泄。
初始条件概化：结合研究区长期水位观测孔、民井（孔）的实测水位资料，绘制研究区在初始时刻的等水头线，确定初始流场。
2.2 地下水流数学模型
根据前述的水文地质概念模型，研究区地下水三维非稳定流数学模型如下：
2.3 模型离散化及基础资料的给定
2.3.1 空间和时间的离散化
研究范围是一个规则的矩形区域，分别在两个厂区进行了加密剖分。根据该地区地下水统测资料和长期观测资料，考虑区内地下水的年内和年际变化，选取2008年1月1日到2008年12月31日为模拟时间。每个月为一个应力期，应力期内每三天作为一个时间步长，严格控制每次迭代的误差。在每个应力期保持含水层补给和排泄强度不变。
2.3.3 边界条件的输入
研究区四周边界都概化为第一类边界条件，由于三维地下水流动的非稳定性，边界上的水位值随时间而变化。根据地下水位长期动态观测资料，选定每个月中旬的水位值作为水位观测值输入到Visual MODFLOW中。
2.3.4 初始条件的输入
潜水的补给来源包括侧向径流补给、降雨入渗补给、灌溉入渗补给和渠系渗漏补给。研究区地下水排泄方式包括侧向径流排泄、潜水蒸发排泄和人工开采。承压水在天然状态下的补给来源主要是接受潜水的越流补给、区外的侧向径流补给，人工开采是其主要的排泄方式。
2.4 数学模型的识别、验证
模型识别与验证是建立一个数值模型的关键步骤之一，数值模拟工作的工作量主要集中在这一步骤。本次数值模拟工作中，考虑到抽水试验求参时假设含水层为均匀分布，但实际含水层却是非均匀分布的。运用水文地质参数时，将参数进行适当分区，同时结合长期实测水位资料对模型进行合理的调参。
此次研究把2008年1月至2008年6月的开采量及各种水文地质资料代入模型，以各长期观测孔的观测水位与模型相应位置相同时刻的计算水位间的水位均方差最小为目标。通过调整分区参数值使二者之间的差值尽量小，并据此来判断所用水文地质参数及分区是否合理。经反复调整参数，获得了较为满意的水文地质参数。
通过识别后的模型基本能反映实际的地下水流运动状态，在此基础上，将2008年1月到2008年12月所有的开采量和水文地质资料带入模型，用全年的数据来检验所选水文地质参数是否合适。经检验，各观测孔实测水位与计算水位差值的绝对值绝大多数小于1m。同时对比2008年12月潜水和承压水的实测水位与模型计算水位，可以看出模拟流场与实际流场的变化趋势基本一致，在大部分地区拟合效果均较好。
2.5 水均衡分析
研究区水均衡的计算是在有效地结合了抽水井资料及各源汇项资料的基础上进行的。水均衡的计算是从模型的识别阶段到验证阶段即2008年1月1日开始到2008年12月31日结束。计算得到：地下水的总补给量为0.37×108m3，地下水总排泄量为0.3725×108m3。
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