地下水资源评价期末作业

'地下水资源评价大作业—有限差分法一、用均衡和达西公式建立河间地块地下水平衡方程，并求解1、用单元中心法建立5个计算网络（如图）。2、建立单元流量均衡方程（达西公式）。3、解单元流量均衡方程组（Excel，其中H0=11.15m，H6=10.15m），绘制迭代曲线。４、求解地下水补给和排泄量，并分析误差产生的原因。1，图一河间地块模型 2，如上图，为一河间地块及其概化模型。已知水文地质参数K＝10m/d；降雨量：445毫米/年；入渗系数：0.35；H0＝53.00－41.85＝11.15m；H6＝52.00－41.85＝10.15m。建立概化模型，将该河间地块按照流线边界划分为五个小模块P1，P2，P3，P4，P5。然后对五个模块分别计算。(1)对P1单元格研究，建立水均衡方程：左侧流入P1的水量：对于P1来说，K为一定值，左侧过水断面为：，水力梯度：，得：根据达西定理：右侧流出P1的水量：对于P1来说，K为一定值，右侧过水断面为：，水力梯度：，根据达西定律得：则单元P1的均衡方程为：（2）对P2单元格研究，建立水均衡方程：左侧流入P2的水量等于从P1右侧流出的水量：右侧流出P2单元格的水量：过水断面：水力梯度： 根据达西定律得水量：P2的均衡方程为：（3）同理可得P3，P4，P5单元格的均衡方程如下：P3均衡方程：P4均衡方程：P5均衡方程：（4）确定相应的水温地质参数：K=10m/d，降雨量445mm/n，入渗系数：0.35；每天入渗量W=0.00043m/d；H0＝53.00－41.85＝11.15m；H6＝52.00－41.85＝10.15m；将以上水文地质数据代入均衡方程式得到：P1均衡方程：P2均衡方程：P3均衡方程：P4均衡方程：P5均衡方程：改写以上五个均衡方程得：P1：P2： P3：P4：P5：计算上述五式的，得到水位迭代公式：令计算个迭代初始水头为11.25，并代入以上方程，进行第一次迭代：以下进行循环迭代（用EXCEL做）：可得如下数据。表一利用以上公式在EXCEL中作出的数据表格h1h2h3h4h5011.1511.1511.1511.1511.15111.3016111.4267911.2695811.2990410.84576211.3872211.5557411.4738611.2454210.90747311.4278911.7035711.5010411.391910.885411.4749811.7346911.6472411.3982410.94759511.4850911.835211.6639511.510410.95085611.5174411.8476711.7702311.5209610.99933711.521611.9201911.7810711.6037311.00437 811.5450911.9271711.8587811.6116811.04041911.5474811.9802311.8658811.6724911.044261011.5647411.9846111.9228911.6778711.070871111.5662712.023611.9275211.7225711.073531211.5789912.026411.9694211.7261111.093161311.5799912.055111.9724211.7590111.094951411.5893812.0568812.0032611.761311.109431511.5900212.0780412.0051711.7855411.110611611.5969612.0791412.027911.7869911.12131711.5973612.0947512.0290811.8048711.122081811.6024912.0954112.0458511.8057711.129971911.6027412.1069312.0465711.8189611.130472011.6065212.1073112.0589411.819511.13632111.6066712.1158212.0593511.8292411.136612211.6094712.1160212.0684911.8295511.140912311.6095512.1223112.0687111.8367411.141112411.6116212.122412.0754611.836911.144292511.6116612.1270412.0755511.8422111.14442611.6131912.1270612.0805411.8422811.146752711.6132112.130512.0805711.8462111.146812811.6143412.1304812.0842511.8462211.148552911.6143412.1330212.0842411.8491311.148583011.6151812.1329812.0869611.8491111.149863111.6151712.1348612.0869211.8512611.149873211.6157912.1348212.0889411.8512211.150823311.6157812.136212.0888911.8528111.150823411.6162412.1361612.0903911.8527711.151523511.6162212.1371912.0903411.8539411.151513611.6165612.1371412.0914411.853911.152033711.6165512.137912.0913911.8547711.152023811.616812.1378612.0922111.8547311.152413911.6167912.1384212.0921711.8553811.152394011.6169712.1383912.0927711.8553411.15268流量计算计算值实测值差值Q110.309959Q520.450627Q0.7605860.740460.020126 所得图表：图二水位与迭代次数关系图在利用以上所得水位公式进行迭代处理的过程中，经过20~40次左右的迭代后，水位基本达到稳定状态，于是得到在天然条件下的水头分布情况。利用达西定律和均衡条件计算河间地块水量交换形式及河流与地下水之间以及排水沟与地下水之间水交换量。 二，用PWMIN模拟河间地块稳定流的地下水模型：1、建立概念模型将河间地块作为分析对象,进行概念模型的建立，其条件是左右两边的河流以及渠道作为定水头边界，并在该地块进行分层，上一层为潜水含水层，下一层为潜水/承压含水层。分析均衡要素，由于地下水位埋藏较深，忽略地块的蒸发的作用，补给项有大气降水补给，河流、渠道侧向补给；排泄项有向河流、渠道排泄，井开采，另外两个含水层之间还有水量交换。按均衡要素可以列出下面的方程式：+++；；式中,为大气降水入渗补给量；，为地下水经河流流入和流出河间地块的水量；，为地下水经渠道流入和流出河间地块的水量；为井开采的量；，为相邻含水层的越流补给量和排泄量。水文地质概念模型(符号意义同上)。河流（定水头）排水渠（定水头）上层潜水含水层越层间流交换下层潜水/承压含水层河流补排沟渠补排降水入渗人工开采图三河间地块水流交换模拟 2、数值模型1、河间地块空间剖分将单元剖分成20行，20列，2层。模型的总长度和宽度定为2000m。在稳定流条件下，模拟365天内的水位变化；对模型的补给量主要来自于降水量，其强度为445毫米/年；入渗系数：0.35；含水层性质：性质顶板标高m地板标高m水平K垂向K第一层潜水58.8548.85401第二层潜水/承压转换48.8541.8540，2512、对模型的水文地质参数赋值的过程：首先打开PWMIN软件，1)file-newmodel命名文件名05308132_张立新.pm5.-Preferences-modflowversion-modflow96+INTERFACETOMT3D96ANDLATER2)Grid-meshsize-numberoflayers：2-numberofrows：20-Modelextent：2000-numberofcolumns：20-modelextent：2000 -Layproperty:layer1-1:unconfinedLayer2-3:unconfined/confined-Boundarycondition-ibound-将第一层最左面以及最右面一列赋值为-1，即为定水头边界；最上面和最下面一行赋值为0，为隔水边界；其余赋值为1。-Topoflayers-value-resetmatrix:将第一层设置为58.85m,第二层为48.85m.-Bottomoflayers-value-resetmatrix:将第一层设为第二层顶部高程，第二层设置为41.85m. 3)Parameters-time-priodlength:365-Simulationtimeunit:days-initial&prescribedhydraulichead:将第一层最左侧一列赋值为53m，其余所有单元格赋值为52m. -Horizontalhydraulicconductivity(水平渗透系数)：第一层设置为40m/d.第二层左半部分设置为40m/d,右半部分设置为25m/d.-Verticalhydraulicconductivity(垂向渗透系数)：两层都设置为1m/d.4)Models-modflow-flowpackages-recharge:第一层设置为0.00043 3、地下水资源评价—天然条件天然条件下流场的等水头线以及水均衡表如下图，从图中可见由于边界为平行的一条河流和一条水渠，均可被认为是定水头边界，所以河间地块的等水头线近平行于河流以及水渠展布，由于存在降水补给，最高地下水水位高于河流水位，值53.16m，并在距河流约600-700m形成地下分水岭。由此可分析，由于地下分水岭靠近河流一侧，并且降水均匀分布，所以在天然状态下，地下水向水渠排泄的量要大于向河流排泄的量，如果向河流和水渠排放生活污水，无疑会造成水资源的污染，因此需要更加重视环境的保护及加强生活废水及垃圾不乱排放的意识。地下水层与层之间的水量交换也是该模型中一个必须考虑的因素。从上层向下层的越流补给成为下层唯一的补给来源。图四天然条件下地下水等值线分布图第一层等值线图 第二层等值线图表二天然条件下补排项统计表天然条件下研究对象补给项m3/d比例%排泄项m3/d比例%第一层降水入渗补给量1393.264.6侧向流出量1393.264.6下层越流补给762.735.4向下层排泄量762.735.4小计2155.9小计2155.9补排差0.0第二层上层补给量762.7100向上层排泄量762.7100补排差0.0整个研究区降水入渗补给量1393.2100侧向流出量1393.2100总计0.0在天然条件下，该模块的地下水模型水量的交换发生在降水和地表水之间，主要的补给项来自于降水入渗项，补给量为1393.2m3/d；排泄项主要是向河流的排泄，排泄量为1393.2m3/d。补给差值为0。在两个含水层之间的水量交换为762.7，属于模型内部的补排量。对于第一层而言补给项有降水入渗和下层的越流补给，其量分别为1393.2m3/d和762.7m3/d；排泄项有侧向流出量1393.2m3/d 和762.7m3/d。分析得出第一层也处于天然的水均衡状态下。4、地下水资源评价——开采井Models——Modflow——Well——根据开采方案设计井开采量及井布置位置。（1）井布设原则：①作为抽水井或者开采井布设时应考虑选择在含水层层数多、厚度大、渗透性强、分布广、具有调节能力、水量丰富、水质良好的地段；②为增加开采补给量，保证水井和水源地的长期均衡开采，水井和水源地的选择应尽可能在可以在最大限度拦截地下水径流地段，接近补给水源和能充分夺取各种补给量的地段；③为保证开采井和水源地在投产后能按预计开采动态正常运转，避免过量开采产生的各种生态和环境负效应，在选择水井位置和水源地时应从区域水资源综合评价平衡观点出发，尽量避免工业和农业以及生活用水之争；④为保证取出水的质量，水井和水源地选择应远离易引起水质污染（或恶化）、便于保护的地段；⑤在选择布设位置时，应考虑从经济、安全和扩建前景方面考虑。（2）井的布设①一口井：一口井的布设按照上述布设原则布设在靠近河流的区域，在尽量激发河流补给地下水的前提下，减少降落漏斗的范围扩大。要求开采量为1600m3/d。下面为设计方案：距离左边河流100m，仅在第一层打井开采，其等值线和降深如下图：图五一口开采井的等值线图和降深图 表三一口井开采下的补排项统计表一口井（在一个含水层中开采）研究对象补给项M3/d比例%排泄项M3/d比例第一层降水入渗补给1393.235.6侧向排泄量836.621.4侧向补给量1043.426.6向下层排泄量1481.337.8下层越流补给量1481.337.8井的开采量160040.8小计3917.9小计3917.9补排差0.0第二层上层越流补给量1481.3向上层排泄量1481.3补排差0.0整个研究区降水入渗补给量1393.2侧向排泄量836.6侧向补给量1043.4井的开采量1600小计2436.62436.6补排差0.0以上方案，在一个含水层中取水，在降水入渗量为1393.3m3/d情况下，仅在第一层开采引起的侧向补给量为1043.4m3 /d相对于天然条件大大增加，说明井的开采使得河流侧向补给地下水的量得到激发并增加了地下水的补给量；同时下层向上层的越流补给量为1481.3，相对于天然条件的762.7也相应增大，也说明井的开采使得越流补给量增大，但是考虑到其向下层的排泄量同时增大到1481.3m3/d，因此在这一项上，开采的进行只是增加了越流量，而两层之间任保持一个相对平衡的补给排泄关系；另由于开采井的布设导致右侧地下水向水渠的排泄量减少至836.6m3/d。因此开采井的开采量1600m3/d的量在计算的时候可以等价于左侧河流侧向补给地下水的量1043.4m3/d和右侧地下水向水渠排泄量得减少量（1393.2-836.6）m3/d。根据PWMIN分析可得在第一层开采，单井开采量最大值为1900m3/d，此方案设计为1600m3/d，在最大开采量允许范围以内，在不破坏水均衡补排关系的情况下，尽可能的保证了开采量，同时为后期的扩建工作保留了一部份空间分析地下水水位等值线图和降深图得：由于地下水的开采增加了河流向地下水的补给，使得在开采井和河流连线之间形成了一条强径流带，水力梯度增大。从两幅图中可得降落漏斗的最大直径为700m，最大降深为-0.91，相对于含水层的高度不到1/3，故设计合理。②两口井两口井的设计原则同一口井设计相近，但应考虑两口井之间的相互影响。图六两口井开采下的水位等值线图和降深图 表四两口井开采下的补排项统计表两口井（在一个含水层中取水）研究对象补给项M3/d比例排泄项M3/d比例第一层降水入渗补给量1393.227.5侧向排泄量758.415下层越流补给项1904.637.6向下层排泄量1904.637.6侧向补给量1765.236.1井的开采量240047.4小计5063.05063.0补排差0.0第二层1904.61904.6 上层交换补给量向上层排泄量补给差0.0整个研究区降水入渗补给量1393.2侧向排泄量758.4侧向补给量1765．2井的开采量2400小计3158.43158.4补排差0.0在两口井的设计中更多的需要考虑两个井之间的相互影响，包括对补给水源的争夺，在设计时应尽量减小相互之间的影响，并且在不浪费开采空间的情况下去布设开采井。在上述设计方案中，井的布设位置为据河流100m，两井相距为500m。开采量为每口井1200m3/d。在降水入渗是1393.2m³/d的情况下，河流被激发出来的侧向补给量为1765.2m³/d，开采井所带来的对河流激发交一口井也有增大，而侧向的排泄量则相对减少至758.4m³/d；在地下水含水层之间的交换量为1904.6m³/d，但任然保持相互的动态平衡。利用PWMIN分析得出：当两口井开采时，每口井的最大开采量为1800m³/d，而此方案采取的是1200m³/d，总开采量达2400m³/d，在很大程度上能保证用水量，同时保持着一部分的后期扩建工作。在此方案中开采水量为2400m³/d，其是侧向补给1765.2m³/d的增加量和侧向排泄1393.2m³/d与758.4m³/d的差值的和。通过对开采之后的等值线图和降深图，由于开采导致沿着两井连线方向和井与河流连线之间的水力梯度增大，形成明显的强径流带。另外可得降落漏斗的最大直径：竖向1400m、横向600m，最大降深为-0.81m，影响甚小，因此此方案可行。表五天然条件与开采情况下的补排项对比表对比表条件研究对象补给量M³/d排泄量M³/d天然条件第一层降水入渗补给量1393.2侧向排泄量1393.2下层越流补给量762.7向下层排泄量762.7第二层上层越流补给量762.7向上层排泄量762.7一口井第一层降水入渗补给量1393.2侧向排泄量836.6侧向补给量1043.4井的开采量1600下层越流补给量1481.3向下层排泄量1481.3第二层上层越流补给量1481.3向上层排泄量1481.3两口井第一层降水入渗补给量1393.2侧向排泄量758.4侧向补给量1765.2井的开采量2400下层越流补给量1904.6向下层排泄量1904.6第二层上层越流补给量1904.6向上层排泄量1904.6从表格中可以看出有开采井存在的时候，侧向补给量都增加，而开采量则相应减少，这个差值就是井的开采量，在井的开采过程中，降落漏斗的降深都处在不破坏地下水水环境的条件小，而又满足供水要求的条件下。 小结：在研究建立水均衡模型之后，更加清楚水均衡条件的确定以及怎样建立这个模型，以及水均衡的应用。PWMIN的操作过程基本熟悉，并且对该软件有进一步的了解和深入的分析，深刻的知道该软件在以后工作中的重要性。感谢崔老师一学期辛苦教诲。'