地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用

admin管理员组

文章数量:1530842

2023年12月31日发(作者：)

第26卷　第5期2007年9月地　　理　　研　　究GEOGRAPHICAL　RESEARCHVol126,No15Sept1,2007地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用王仕琴1,邵景力2,宋献方1,张永波3,周小元3,霍志彬3(11中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室,北京100101;21中国地质大学水资源与环境学院,北京100083;31中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄050061)摘要:从MODFLOW源程序的角度出发,根据地下水模型计算需要的输入输出数据格式和我国GIS类数据以MAPGIS为主的特点,建立了二者之间的集成关系,并将其应用于华北平原地下水资源评价中。根据华北平原特定的水文地质条件,建立了适合本区的三维非稳定流地下水模型,结合2003年12月的实际流场以及随时间变化的动态观测资料对模型的渗透系数、给水度和释水系数等参数进行了校正。同时进行了水均衡分析,结果表明华北平原地下水在2002年1月至2003年12月总补给量为493174×108m3,总排泄量为565130×108m3,均衡差为-71156×108m3,为负均衡。集成了该地下水模型的信息系统,可以通过更新源汇项数据库资料而对地下水资源进行实时评价,为华北平原水资源可持续利用和管理提供依据。关键词:地下水模型;MODFLOW;GIS;数值模拟;华北平原文章编号:100020585(2091　前言　　地下水研究中,数值模拟已经成为最常用的一种方法。计算机和GIS技术的发展,使地下水数值模型的发展和应用日臻完善,同时为了用户使用的方便,基于不同方法的数值模拟软件被相继开发并得到广泛的使用。国际上常用的软件有基于有限单元法的FE2FLOW(FiniteElementsubsurfaceFLOWsystem)[1],基于有限差分的GMS(Groundw2aterModelingSystem)[2]、VisualMODFLOW[3]、PMWIN(ProceedingMODFLOWforWindow)[4]等软件。这类软件具有较强的功能、与外部GIS数据的接口具有良好的可视化效果,引进的软件对我国的地下水评价和管理工作起了重要作用。除了这些成熟的可视化软件外,国内外也作了很多地下水模型与GIS整合应用的研究。其中,由于MODF2LOW程序功能的完备性,以之为核心的地下水计算模型与GIS整合研究较多。美国HeinzerT等人利用GIS开发了地下水流模型的图形用户界面,允许在GIS环境下建立基于MODFLOW的地下水流模型,模型网格、输入输出数据都可以存为独立的栅格数据组[5]。KnabG等人研究了基于AutoCAD的MODFLOW、MODPATH和MT3D的应用系统[6]。BrodieRS在澳大利亚东南部的墨里盆地建立大区域地下水流模型时,把模型的　　收稿日期:2007201204;修订日期:2007207225　　基金项目:国家“863”项目“基于SIG资源环境空间信息共享应用服务”(2022AA104220);国家自然科学基金项目(40371025,50279049)　　作者简介:王仕琴(19812),女,甘肃人,博士研究生。研究方向为流域水循环与水环境

　976地　　理　　研　　究26卷各种输入数据源集成到模型中,数据源包括点、线、面、栅格和卫星影像等,主要利用了相关的数据库管理系统(RDBMS)和GIS管理调用这些数据,其中采用多种方法把各类数据转化为MODFLOW输入文件,除了针对墨里盆地的特定处理,大多数方法具有通用性[7]。TsouMS等人在Arcview的界面环境下集成了地下水流模型MODFLOW和溶质运移模型MT3D,包括模型输入数据的各类点、线、面数据的前处理和模型结果显示的后处理,其中主要利用了Arcview扩展模块的3DAnalyst,链接了各类数据库资料,还可以通过链接利用MODFLOW的PEST进行调参[8]。由此可见,MODFLOW程序设计的独特之处,便利了地下水模型与GIS的集成,利用各类GIS工具对地下水模型输入数据进行处理。在国内,地下水模型与GIS的集成开发处于起步阶段,主要体现在利用GIS软件进行图层信息的分层管理、自动绘制等值线图、控制点的添加、空间查询等方面,为地下水资源的合理开发和利用提供了科学依据。从现有的资料来看,地下水流数值模拟软件主要有二类,分别是河北保定水文地质工程地质研究所GWMS110(三维地下水水流和溶质运移模型系统(2001))和清华兴达地下水地理信息系统软件[9],但是到目前为止还没有一个完善可以普及使用的软件。在地下水模型与GIS集成方面的研究主要有地下水模型与MAPGIS的耦合集成[10],苏州、武进地区地下水资源管理所进行的地下水资源评价模型与GIS集成研究[11],清华大学的魏家华等人在对北京密怀顺的地下水模型中基于GIS建立了一个可以交互式剖分的建模环境[12,13],等等。　　由上可知,地下水资源评价中,依赖于可视化软件的模型具有一定局限性,所有原始数据需要通过很多繁杂的转化才能形成地下水模型需要的输入数据。针对我国的基础数据库的特点,各类地质及其水文地质信息主要以MAPGIS为主,在我国地理信息技术发展水平的支持下,以MAPGIS为技术平台,把地下水模型和GIS集成起来进行地下水资源评价是实现水资源动态评价的基础。而我国华北地区,水资源短缺日趋严重[14],由于地下水不合理开发利用,近年来出现了一系列环境、生态问题,如地面沉降、塌陷、土壤次生盐渍化等[15～17]。为了满足国民经济发展的需要和国家工农业发展规划的制定、保证资源与环境的协调发展以及地下水资源的可持续开发利用,有必要对华北平原地下水资源情况作出新的评价。而建立华北平原地下水流数值模拟模型是研究、管理华北平原地下水的重要技术手段,也是地下水模型与GIS紧密结合,为我国地下水管理的信息化集成提供依据的主要方法。　　本文通过剖析MODFLOW源程序的结构以及程序运行特点,同时分析了华北平原地质及水文地质信息特点,建立了模型的输入输出文件和原始数据库之间的转化关系,并将集成了地下水模型的信息系统应用于华北平原地下水资源评价中。根据华北平原特定的水文地质条件,建立了适合本区的三维非稳定流地下水模型,形成一个可以根据各类源汇项数据的变化而动态更新的地下水资源评价和预测信息系统。2　地下水模型和GIS集成过程211　地下水模拟程序MODFLOW运行特点　　MODFLOW是一种用有限差分的方法来刻画地下水流运动规律的计算机程序,通过把研究区在空间和时间上进行离散,建立研究区每个网格点的水均衡方程式,所有网格方程联立成为一组大型的线性方程组,通过迭代求解得到每个网格的水头值。其程序设计具有离散方法简单、线性求解方法多样、独立的模块化结构等特点[18]。主程序包括全局过

　5期王仕琴等:地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用　977程、地下水流过程、溶质运移过程、观测过程和参数估值过程,除了全局过程用来控制整个模拟过程,其他过程可以独立调用并分别用来求解地下水流方程、溶质运移方程、计算值和观测值拟合方程和参数估值方程。以上几个计算过程包括不同的子程序包,各个子程序包可独立调用。每个子程序包又可分为不同的模块,每个模块执行不同的步骤,用以完成模拟计算的某个部分,如模型定义、分配内存、读取数据、构建方程等。　　一个完整的地下水模拟过程包含三个部分:输入、核心计算和输出。模型的输入信息按照描述模型的功能分为不同的文件,各个文件单独记录有关地下水模型建立所需的参数,如确定模型结构的离散文件(DIS)、描述含水层性质的含水层特性水流文件(LPF)、包含各类外应力信息的子程序包文件(即源汇项文件)、输出控制文件(OC)、计算方法文件(PCG)等。所有文件及其所在磁盘路径存放于一个文件名文件(NAME)中,核心计算程序通过调用该文件,读取模型数据利用迭代法计算,达到收敛后输出二进制数据结果,可在源程序中转化。212　地下水模型与GIS集成思路　　建立水资源评价模型和GIS的动态集成系统时,本文采用了“稳定+动态”的思想。　　“稳定”指固定研究区模型的结构、模型的参数(这里的参数指的是经过调整验证的参数,如渗透系数、给水度、释水系数等)、模型计算方法以及输出文件格式,即在数据库中分别确定了模型所需的数据文件:BAS、DIS、LPF、PCG和OC文件(图1),对于确定性模型来说,这类文件所包含的数据信息在模型率定后是确定不变的,因此作为“稳定”项。确定这类文件充分利用GIS(如Arcview)的手段,通过图形空间分析和属性链接等转化为二维数组数据写入以上文件,这些文件将在模型计算时被直接调用。　　水资源评价模型的“动态”处理,主要是对随时间变化的源汇项数据的动态处理。图1　地下水模型组成结构图数据库中存放多年的源汇项资Fig11　Filestructureofgroundwatermodel料,如降雨量、蒸发量、开采量以及灌溉量等,根据所选模拟期的年份,确定模拟开始时间,以及预测计算时间,调用数据库中相关年份的源汇项资料进行水资源评价或者预测计算。213　地下水模型与GIS集成技术实现　　地下水模型与GIS集成主要是利用GIS技术实现原始数据库资料与模型需要的各类文件(如BAS,DIS,LPF,WEL,ETS等)之间的转化,并对结果数据文件实现可视化表达。本文实现的地下水模型与GIS集成系统是一个网络环境下的可以动态调用源汇项数据来评价计算的服务,包括:地下水资源节点数据提取服务、多节点数据汇聚服务以及地下水资源量计算服务。　　地下水资源节点数据提取服务充分利用GIS空间数据处理和分析的功能,调用各节

　978地　　理　　研　　究26卷点数据进行分析处理,包括图形的裁剪、点线面文件的生成、属性查询等,并结合空间图形数据,通过图元编号、数据库字段等把空间库和属性库结合起来,联合检索提取模型计算所需数据;地下水资源量多节点数据汇聚服务,主要用来协调调用单节点数据来满足用户对研究区的计算评价需要,同时在中心节点对调用数据进行汇聚过滤,按照模型计算的格式要求生成一系列的文本文件数据,提供给中心节点参与计算;地下水资源量计算服务,主要是把MODFLOW源程序进行修改编译后利用WebService计算进行封装,调用模型计算结束后提供分析方法对计算结果进行处理,如对计算水位结果值可利用克里格方法形成地下水流场图。　　以上三个服务嵌于地下水模型和GIS集成过程中,见图2。图2　地下水模型和GIS集成过程图Fig12　IntegrationprocessofgroundwatermodelandGIS3　华北平原水资源动态评价系统实例研究311　概念模型和数学模型　　研究区范围为华北平原,面积达140683km2(图3)。华北平原在地貌上处于太行山山脉以东,燕山山脉以南,地势平坦,海拔不超过100m,自北、西、南西三个方向向渤海湾倾斜。区内主要发育海河、滦河两大流域水系,黄河是研究区的南部边界。区域地层以第四系松散沉积物为主,根据含水岩组的特点,垂向上划分为三个含水层,第一含水层为全新统Qh4、上更新统Qp3以及中更新统地层Qp2地层组成,第二含水层由下更新统

　5期王仕琴等:地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用　979Qp1地层组成,第三含水层由明化镇组QN地层组成。其中,第一含水层为浅层含水层,第二和第三含水层统称为深层含水层。含水层分布广、厚度大,地下水流以水平方向运动明显,垂向运动微弱;补给排泄和水位随时间变化,表现为非稳定流特性;参数随空间变化,体现了地下水系统的非均质性,但无明显的方向性。由此,华北平原地下水系统可概化为三层非均质水平各向同性、空间三维、非稳定的地下水流系统概念模型。模型中,渤海湾为定水头边界,北部和西部边界分别受燕山和太行山山前侧向补给,南部边界接受黄河的渗漏补给,模型上层为潜水面接受降水和蒸发等的垂向补给和排泄,底部为不透水边界。　　对于上述概念模型可用如下方程的定解问题来描述:S图3　华北平原地下水模型网格剖分图Fig13　CelldiscretizationofNorthChinaPlaingroundwatermodel9h9=9t9xμ9h=Kx9th=h1　Kn9h9K9h9y++9x9y9y9z9h29h29h+Ky+Kz9x9y9zKxt=0Kz29hεΩ,t≥0+　　　　　　x,y,z∈9zh(x,y,z,t)|9h(Γ1,t≥0Kz+p)+p　　x,y,z∈9zΩ,t≥0=h0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　x,y,z∈Γ2,t≥0　x,y,z∈-9h|Γ=q(x,y,t)　9n→3Γ3,t≥0　x,y,z∈9hΓ4,t≥0|Γ=0　　x,y,z∈9n→4　　式中:Ω—渗流区域;h—含水体的水位标高(m);h1—含水体的一类边界值;Kx、Ky、Kz—分别为x、y、z方向的渗透系数(m/d);Kn—边界面法线方向的渗透系数(m/d);S—自由面以下含水体储水系数(1/m);μ—重力给水度;ε—源汇项(1/d);p—潜水面的蒸发和降水等(1/d);h0—含水体的初始水位分布(m);Γ1—渗流区域的上边界,即地下水的自由表面;Γ2—含水体的一类边界;Γ3—渗流区域的侧向边界;Γ4—渗流区域的下边界,即承压含水体底部的隔水边界;n边界面的法线方向;q(x,y,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。312　数值模型31211　模型的离散　空间离散:研究区在平面上剖分为162行×147列,共23814个单元,单元大小为4km×4km。研究区内为活动单元,区外为非活动单元。模型整个结构为一个162行×147列×3层的矩形(图3)。　　时间离散:根据各省市地调院提供的各类均衡资料和水位动态资料情况,确定模拟期从2002年1月到2003年12月,每月为一个应力期,共24个应力期,时间步长为一天。

　980地　　理　　研　　究26卷31212　定解条件　初始条件:根据华北项目组提供的2002年1月华北平原浅层和深层含水层流场分布图,对线文件离散为点,这些离散的点经插值可以获得含水层每个单元格上的初始水位值。　　边界条件:燕山和太行山山前接受侧向流量补给,补给量根据出山口的位置分配边界上各段的补给量;黄河为地上悬河可作为侧向补给边界,根据河流流量对地下水的渗漏确定补给量;渤海湾为定水头边界,模拟初始至结束时的水位均为0m。31213　源汇项的处理　研究区补给量主要包括降水入渗补给、灌溉入渗补给、地表河流渗漏补给、山前侧向补给、渤海湾边界的侧向入流补给和黄河侧渗补给;地下水排泄项有工农业和生活用水开采、侧向径流排泄和蒸发排泄。　　对于源汇项的处理,分为三类:一类是以各个含水层面状补给率的形式给出,处理过程中通过在程序软件中增加一个补给和排泄子程序包实现所有层的面状补给率的赋值;第二类是以点井量的形式给出,包括分配到每个单元格上的侧向径流量、河流渗漏量、水源地开采量;以上两类源汇项的量均分配在活动单元格上参与计算。第三类为潜水蒸散发排泄,在包气带水分运移中,蒸发是主要的排泄项,其大小与气象条件、地表植被、土壤类型和含水量、地下水位埋深等因素有着密切的关系[19,20]。本文在处理蒸散发排泄量时根据岩性确定了潜水蒸发的极限埋深,同时定义了不同埋深条件下的蒸散发率和地下水埋深关系函数,利用MODFLOW22000中蒸散发分段函数子程序包来计算蒸散发量。31214　模型的识别和校验　由于华北平原区域大,资料获取有限,因此本文主要针对2002年1月至2003年12月的模拟过程进行调参识别,未包括验证过程。调用地下水模型计算模块,根据水文地质条件和北京、天津、河北、河南以及山东各省市地调院抽水试验资料,对浅层和深层的渗透系数、给水度、释水系数等参数进行调整。同时调整某些源汇项,得到2003年12月浅层和深层含水层的模拟流场与实际流场拟合对比。研究区等水位线图反映出区内地下水的流动方向,除山前某些水位突变地区外,模拟流场与实际流场基本相吻合,体现了区内地下水空间上的运动规律(见图4和图5)。另外,选取研究区内62个观测孔在模拟期内的水位月变化动态实测资料与计算水位动态变化拟合,其变化趋势一致。对校正后的模型地下水各均衡要素进行了均衡分析,研究区整个地下水系统在整个模拟期内总补给量为493174×108m3,总排泄量为565130×108m3,均衡差为-71156×108m3,为负均衡(见表1)。表1　华北平原地下水系统资源总均衡表(单位:108m3)Tab11　TotalbudgetofgroundwaterresourcesinNorthChinaPlain均衡项降水入渗量侧向流入量农业回渗量河流补给量越流补给量合　　计蒸发排泄量人工开采量越流排泄量合　　计均衡差浅层含水层数量比例%342435-47175深层含水层数量比例%25192-23181系统总均衡数量342465130-71156补给项排泄项

　5期王仕琴等:地下水模型MODFLOW和GIS在华北平原地下水资源评价中的应用　981313　地下水模型和GIS集成系统的应用　　在实际使用中,根据自然因素、社会生产、国家规划等条件更新地下水资源模型计算所需源汇项数据库,预测未来一段时间的水位流场分布、水位降深分布,还可以计算选定区域的补给量的情况。各个省市可以按照原始数据库的格式放入预测多年的源汇项资料,初始水位利用模型建立时的初始水位,选择预测年份启用服务进行模型计算。计算结束,通过参数设定可以查看研究区内不同时间段不同含水层的水资源分布情况。如图6是查看流场分布显示界面图示例。图6　集成系统地下水流场分布图Fig16　Groundwaterflownetoftheintegrationsystem

　982地　　理　　研　　究26卷4　结论　　(1)从MODFLOW源程序的角度来建立地下水模型,由于其独特的模块化设计结构,在与系统集成的过程中,一方面可以修改或添加新的子程序包来处理不同水文地质条件下的地下水模拟问题,另一方面,可以根据集成需要灵活提取有用信息,便于可视化表达。　　(2)建立华北平原地下水模型与GIS的集成系统,采用了“动态”和“稳定”的思想,即把确定性模型的边界、结构、各类模型参数、输入输出数据格式等作为“稳定”项,而把随时间变化的源汇项如降水量、蒸发量和开采量等作为“动态”变化项,在模型计算时调用动态项资料,以实现水资源的动态评价计算。　　(3)分析了华北地质、水文地质条件,以及地下水赋存、运移条件,将研究区地下水流概化成三层非均质水平各向同性、空间三维、非稳定的地下水流系统概念模型。并在此基础上,建立了与之对应的数学模型和数值模型,模型运行调试结果符合实际水文地质条件。分析华北平原水均衡情况,模拟期内,即2002年1月至2003年12月总补给量为493174×108m3,总排泄量为565130×108m3,均衡差为-71156×108m3,为负均衡。　　(4)集成地下水模型的信息系统,通过实时更新数据库源汇项的数据,可基于目前的网络环境实现华北平原地下水资源的动态评价和管理,为资源共享和服务提供依据。参考文献:[1]　Hans2J

本文标签： 地下水模型计算