北京城近郊区地下水数值模拟模型及应用

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1、北京城近郊区地下水数值模拟模型及应用王新娟1王新娟（1973-），女，工程师，中国地质大学（北京）水资源与水文学专业博士，现从事水工环评价与模型研究。,2崔亚莉2邵景力21． 北京市地质工程勘察院水资源研究所1000372． 中国地质大学（北京）100083摘要：本文在深入了解北京城近郊区地下含水层及其岩性的基础上建立水文地质概念模型，运用FEFLOW软件建立了研究区三维地下水流数值模拟模型，并对模型进行了识别和检验。通过模型进行地下水补给资源和可开采资源评价，提出地下水可开采资源量。关键词：模拟模型水源

2、地初始流场模拟流场引言北京市作为我国的政治、经济、文化中心，同时又是一个严重缺水的城市。由于长期以来缺乏科学的管理、盲目过量集中开采地下水，导致城近郊区地下水位出现区域性大幅度下降，部分地区含水层疏干或半疏干，导致了地下水质恶化，水源污染，地面沉降，地下水自然升温等各种水文、环境、工程地质问题，加剧了水资源供需矛盾，目前水资源已成为制约首都经济发展、城市功能正常发挥的重要因素之一。因此，在北京地区建立地下水资源可持续开采模型，通过调参、计算解决上述问题势在必行。1水文地质条件永定河冲洪积扇地区地处华北平原

3、的西北端，地势由西北向东南倾斜，地面高程100～45米，冲洪积扇顶部地形坡度3‰，至南部坡度为1‰。第四系沉积规律主要受永定河河道变化的影响，八宝山以北地区，第四系沉积厚度可达200米以上。含水层的主要作用是接受大气降水、河谷潜流水、山前侧向迳流水、河渠、灌溉及人工回灌水的入渗补给，水在含水层中传输运移，经历许多水文循环过程。植被吸收、蒸发、包气带消耗、人工开采等在系统中均可产生不同作用。含水层的岩性和结构可将系统划分成三个子系统（1）单层砂卵石储水区，位于莲花池－昆明湖以西；含水层渗透性能好，渗透系数3

4、00－500m/d。（2）二到三层含卵石砂砾石储水区，主要位于门头村－八里庄－陶然亭－马家堡一带，渗透系数50－300m/d。（3）多层中细砂及含砾砂储水区，该区分布在上述地区以东的广大地区，渗透系数30－50m/d。2水文地质概念模型和数值模型2.1含水层结构及概化为了建立城近郊区地下水流模型，首先要对实际水文地质条件概化，建立水文地质概念模型。根据前述水文地质条件，模型在空间上分为三层，第一含水层组（主要是部分农业开采，地面以下20m左右）、弱透水层（地面以下20～40m左右的一个粘性土层）、第二含水

5、层组（主要是城市工业和生活用水及部分农业开采，地面以下40～130m左右）。研究区含水层系统涉及的边界主要是流量边界。就整体而言，西北部边界是侧向补给边界，主要接受山前侧向补给；地下水初始流场如图1－1示：研究区的东南部边界为整个含水层系统的天然排泄边界，垂向边界包括永定河河床潜流及河道渗漏补给，永定河引水渠和京密引水渠大部分有衬砌，仅有少量渠道水入渗地下；大气降水入渗补给是系统的主要补给资源之一，地下水的蒸发主要指潜水的自然蒸发，据北京市水文公司试验资料：潜水埋深大于3.5m时，各类岩性的潜水蒸发折算系

6、数趋近于零；底部边界和顶托补排，系统的第四系含水层底部，大多数为透水性差的第三系地层，预计其对系统内部影响很小，但在海淀部分地区，奥陶系石炭系二迭系侏罗系地层与第四季直接接触，地下水垂向顶托补排作用肯定存在；农田灌溉用水包括地下水和地表水，灌溉水除蒸发、植物吸收、包气带损耗外，还有一部分水入渗补给地下水。综上所述，研究区可概化成非均质各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，即地下水系统的概念模型。2.2地下水数值模型对于上述非均质、各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，可用如下微分方程的定解问题

7、来描述：式中：Ω―分别为含水层渗流区域；Ω―渗流区域；h―h=h(x,y,z)，含水层的水位标高（m）；Kx、Ky、Kz―分别为x、y、z方向的渗透系数（m/d）；Kn―边界面法向方向的渗透系数（m/d）；S―自由面以下含水层储水系数（1/m）；μ―潜水含水层在潜水面上的重力给水度；σ―河流底部弱透水层的阻力系数，σ=L/Ks，L为底部弱透水层的厚度，Ks为河流底部弱透水层垂向渗透系数（m/d）；ε―含水层的源汇项（1/d）；p―潜水面的蒸发和降水等（1/d）；h0―含水层的初始水位分布（m），h0=h0

8、(x,y,z)；Γ0―渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；Γ1―渗流区域的下边界，即承压含水层底部的隔水边界；Γ2―渗流区域的侧向边界；―边界面的法线方向；q(x,y,z,t)―定义为二类边界的单宽流量（m2/d.m），流入为正，流出为负，隔水边界为0；研究区进行网格剖分，剖分后的模拟区共17000个结点，4327个单元格。2.3模型的检验和识别模型的识别与检验过程是整个模拟中极为重要的一步工作，通常要进行反复地修改参数和调