新疆烏蘇市地下水資源可利用量計算中數值法的應用分析

韓正元

(新疆烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

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新疆烏蘇市地下水資源可利用量計算中數值法的應用分析

韓正元

(新疆烏蘇市水利管理站，新疆 烏蘇 833000)

隨著計算機電子技術發展進步，利用模擬計算軟件，可以完成地下水資源量計算中復雜、不規則、模糊的計算問題。使用不同的計算方法，根據實際地質情況和計算需求情況構建合理的模型，對地下水資源概況進行評價。結合烏蘇市地下水數值分析計算實例，對數值法的應用進行了分析。

地下水；數值法；資源評價；應用分析

目前，我們在水資源評估的數值分析方法有有限差分法、有限單元法、邊界元法和特征線法[1]，數值法能夠描述不規則區域內非均質含水層及復雜的邊界條件，能夠處理河流滲入、大氣降水、抽排水、溶質交換和蒸發在時間和空間上的變化，能夠解決復雜的計算問題，數值法已成為地下水資源評價的重要方法。其中較為常用的是有限差分法和有限單元法，兩者都采用線性數學推導，其中有限差分法物理意義明確、簡單易懂，而有限單元法涉及的數學計算較為復雜。但是兩者在計算時都是將計算對象分割成一個個小的網格單元，將偏微分方程離散稱為線性方程組，用計算機聯立求解。只是在網格劃分和方程線性化方法上有區別。

地下水水量的數值模擬適用于工程控制程度較高的大、中型供水水源地。計算所依據的資料、對區域水文地質情況的概化、建立數值分析模型以及進行模擬都需要嚴格遵從供水水文地質勘察規范中的技術要求[2]。

1　研究區域概況

1.1地表水情況

烏蘇境內包括奎屯河、四棵樹河和古爾圖河三條較大的河流。根據新疆水文水資源局41年水文資料統計，三河多年來平均徑流量為13.18億 m3，其中奎屯河6.62億 m3，四棵樹河2.97億 m3，古爾圖河3.61億 m3。

烏蘇市地表水資源開發利用的重點在這三大河流上,其中奎屯河、古爾圖河是烏蘇市與兵團農七師駐境內7個團場共同開發利用的河流，四棵樹河是烏蘇市自建自管的河流，不與農七師團場分水，但夏、秋、冬三季的余水注入農七師的柳溝水庫。近5年，烏蘇市平均引地表水3.0億 m3。

1.2地下水情況

烏蘇市平原區(不包括兵團)地下水總補給量為5.88億 m3，其中天然補給量0.93億 m3，轉化補給量4.95億 m3，地下水可開采資源量為3.53億 m3，現有正常使用取水井2 776眼，年開采地下水資源超過5.5億 m3。

2　地下水數值模擬模型

2.1建立水文地質概念模型

建立計算模型前，需要對計算區的地質及水文地質條件進行充分的了解和研究，對實際的水文地質條件進行較為準確的概化，并用清楚的語言文字，圖像，表格數據等形式準確描述當地地下水賦存和運移規律特征[3]。

烏蘇市計算區地下含水層可概化為兩層越流含水層，分別是第四系潛水非穩定流和承壓含水層基巖，兩者互相聯系。地下水邊界由地形高點圈定，由流量邊界作為模型的邊界，邊界流量為零，高點之間的低洼處的流量相對較大[4]。

2.2數學模型

根據水文地質概念模型，需建立起計算對象的數學模型。它是描述地下水數量、時間和空間關系，以及地下水流動狀態的一組數學關系式。地下水流的數學模型實際上就是概念模型的數學化表達。它主要包括偏微分方程，初始條件和邊界條件。有限差分法和有限單元法都是將建立的數學模型離散成簡單的代數方程組。

其中第四系地下水數學模型如下：

H2(X，Y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

承壓基巖地下水數學模型如下：

H2(x，y，0)=H0(x，y)；(x，y)∈Ω

式中：H1、H2為各層地下水位(m)；k1為第四系含水層滲透性系數(m/d)；D1為第四系含水層的底板標高(米)；E0為地表蒸發強度(m)；Ha為地表的標高 (m)；Smax為最大蒸發深度 (m)；k'為弱透水層的滲透系數 (m/d)；M'為弱透水層的厚度 (m)；ω為外界降水滲入補給量(m/d)；T2為巖層的導水系數(m2/d)，承壓含水層導水系數由T2= K2M計算，其中K2為基巖承壓含水層滲透系數，M為基巖含水層的厚度，潛水或無壓含水層導水系數T2=K2(H2-D2)，D2為基巖含水層的底板標高；Qi為地下水的開采量(m3/d)；H0為初始水位(m)；Ω為計算區域；μ為潛水或無壓含水層給水度，承壓含水層貯水系數；qe( x，y，t) 為二類邊界單寬補給量(m2/d)。

表1　水文地質分區表

圖1　滲流區域節點劃分圖

2.3建立數值模型

1)模型的空間和時間離散計算

建立數值模型需要對計算域進行分割，離散成一個個小單元，做出網格剖分圖。分割圖需要選擇好分割節點，盡量將節點分布在觀測孔，以便使勘測資料更準確的對應建立的數值模型[5]。但是由于觀測孔的數量有限，不足以對應每一個節點，這就需要設置插值點來補充節點參數。插值點應設置在水位明顯變化、水文地質參數變異及觀測孔分布稀疏的地方。布置好節點后，將節點連接成網格單元。模型關于時間的離散分為模擬期和預測期。模擬期主要是用于確定水文地質條件演化以及計算地下水補給量。預測期可以估算地下水可開采利用量和預測地下水水位。模擬期一般會取一個或若干個水文年水文年，在一個較為完整的周期內識別數學模型，這樣準確度和可信度更高。預測期則根據地下水資源數值模擬的實際目的和要求來確定。在模擬期確定之后，為計算區節點賦初始條件和水文參數。將模擬期人為劃分成多個時間段，來反映期間地下水位的變化稱為時間離散。模擬期時間離散，可以根據實際地下水頭變化規律，確定相應的時間步長。例如進行模擬抽水試驗時，開始以分鐘為單位，以后時段拉長，以小時或天為單位，再如模擬地下水大量開采時，則可以月、季(豐水期、枯水期)以及年為單位。

本實例采用三角網格分割滲流區域，對重點研究區域適度加密，觀測孔與部分節點基本全部重合。最后對結點和三角形網格單元進行編號，共計節點635個，三角形單元13 243個，分割結果如下圖1所示：

2)水文地質參數選取

水文地質參數的選取是依據地層巖性和觀測孔抽水實驗結果初步確定分區的，在進行模擬時應根據情況調整。數值模型的識別在數學計算過程中被稱為解逆[5]。在識別過程中，不僅需要對水文地質參數進行調整，而且在必要時候還要對地下水的補給量、排出量，含水層概化結構和邊界條件等進行適當的調整。具體參數識別結果見表1。

3　地下水資源量的計算

根據模型識別的結果，繪制地下水資源量均衡表如下表2。

表2　地下水資源量均衡表

本次數值法計算中，水文地質概化模型正確。對觀測孔進行的抽水試驗充分揭示了地下水系統中存在的矛盾。利用數值法對抽水試驗取得的數據進行反復擬合，來識別模型。模擬的時間段包括抽水前、抽水時以及抽水后水位的恢復階段[6]。利用2011年6月5日—2012年6月4日一整個水文年的地下水動態資料進行了模型驗證。因此，地下水資源模擬數學模型的連續函數在時間和空間上離散程度的足夠小，符合計算精度的要求，水文地質參數、降雨入滲系數、邊界流入流出量等符合實際。通過計算，勘探區地下水可利用量為18 091．59 m3/d。

4　結語

本文介紹了數值法在我國地下水資源評估中的重要作用，詳細數值法的應用方法。對烏蘇市地下水水文地質情況進行概化，布置計算節點，建立了數值模擬模型。通過對地下水資源量均衡計算，得到了所求地下水資源量數值。模型構建合理，符合當地實際情況，計算結果比較滿意。

[1]任洪雨，馮斌，郭新體.數值法在地下水資源評價中的應用[J].西部探礦工程.2003，(03)：81-84.

[2]董玉興，折書群.數值法在計算地下水補給資源量中的應用[J].地下水.2013，(02)：67-69.

[3]韓再生. 地下水資源數值法計算技術要求—行業標準介紹[J]. 水文地質工程地質.2009，(04)：49-52.

[4]劉平生，楊新梅，劉順卿. 數值法在豫東平原淺層地下水資源評價中的應用[J]. 勘察科學技術.2006，(05)：7-12.

[5]郭瑞. 興平市地下水動態特征及數值模擬研究[D].西北農林科技大學.2008，(06).

[6]邵忠瑞，趙目軍.灘小關水源地地下水計算與評價[J].地下水.2012，(04)：75-79.

2016-03-08

韓正元(1975-)，男，江蘇贛榆人，工程師，主要從事農田水利灌溉管理方面的研究。

P641.8

B

1004-1184(2016)04-0066-02