ppt商城模板python⽤密度图画⾬量_如何理解滨海盆地变密度地下⽔流与
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溶质运移三维耦合数值模型...
原标题：
滨海盆地变密度地下⽔流与溶质运移三维耦合数值模型研究
摘 要:
针对滨海含⽔层的复杂性，以北部湾经济区合浦盆地地下⽔资源应急潜⼒评价为例，通过概 化出合浦盆地⽔⽂地质概念模型的基础上，采⽤ SEAWAT 模块建⽴了合浦盆地变密度地下⽔流与溶 质运移三维耦合数值模型。在对模型进⾏识别、验证的基础上，假设 2025 年 10⽉出现极端⼲旱，在 保证不发⽣海⽔⼊侵的条件下，获得了度过整个枯⽔期各⽔源地地下⽔资源应急潜⼒。结果表明: 合 浦盆地地下⽔资源应急潜⼒为 83. 13 万 m3 /d，集中开采区中⼼地下⽔⽔头下降 3～8 m，2 a 后⽔位基 本恢复; 集中开采区降落漏⽃远离海岸线，不受到海⽔⼊侵的影响。该⽅法将滨海⽔源地地下⽔应急 供⽔预测和盆地的⽔⽂地质结构及当地发展规划紧密结合起来，为合浦盆地地下⽔资源的合理开发利 ⽤和应急能⼒建设提供了可靠依据。
关键词:
SEAWAT; 变密度; 应急潜⼒; 数值模拟; 合浦盆地
作者简介：
杨林(1984—)，男,⼯程师，硕⼠，主要从事⽔⽂地质环境地质研究。E-mail:115232057@qq;
基⾦：
北部湾经济区环境地质调查(1212011220015);石家庄java培训班
引⽤：
杨林，黄栋声，李海良，等． 滨海盆地变密度地下⽔流与溶质运移三维耦合数值模型研究［ J］ . ⽔利⽔电技术，2020，51( 3) : 116-123.
YANG Lin，HUANG Dongsheng，LI Hailiang，et al． Study on three-dimensional numerical model of variable-density groundwater flow and solute transport in the coastal basin［ J］ . Water Ｒesources and Hydropower
Engineering，2020，51( 3) : 116-123.
0 引⾔
⼴西壮族⾃治区北部湾经济区城镇化进程的加快带来⽤⽔量的快速增长，地下⽔应急⽔源地的建设，尤其是 ⽔⽔源污染、极端⽓候条件等突发事件造成的饮⽔紧张具有重要的战略意义 。相对于地表⽔，地下⽔具有 ⽓象因素影响⼩、⽔质好、⽔量稳定、分布集中、不易遭受污染等诸多优势，是最为理想和可靠的应急供⽔⽔ 。
海⽔⼊侵模型的研究已有百余年，预测⽅法主要⽤解析法和数值模拟法 。由于滨海盆地⽔⽂地质条 影响因素众多，咸淡⽔界⾯复杂，解析法难以满⾜要求 。与解析法相⽐，采⽤数值模型可以刻画复杂⽔⽂地质 ⼈为开采地下⽔引起的咸淡⽔界⾯运移规律 。海⽔⼊侵的过渡带⾮稳定流模型由PINDER等 ⾸次提 出了Henry模型的有限元数值解;LEE等 考虑浓度的变化,⾸次建⽴剖⾯⼆维有限元模型,⽤于模拟某⼀地区 ⼊侵问题，此类过渡带模型假定海⽔⼊侵过程中⽔体是均质流体，忽略了⽔体中溶质浓度的变化对⽔流速度的影 后HUYAKORN等 提出了变密度海⽔⼊侵过渡带的三维有限元模型，考虑了沿海多层含⽔层中⽔头、密度和 相互作⽤，薛禹等 ⾸次建⽴了国内三维有限元海⽔⼊侵模型，考虑了过渡带变密度、降⽔⼊渗及过度抽⽔ 的影响，并利⽤该模型研究了⼭东龙⼝—莱州地区的海⽔⼊侵过程；成建梅等 建⽴改进的三维有限元海⽔⼊ 研究了烟台夹河中、下游地区咸淡⽔界⾯的运移规律;KALERIS等 建⽴了沿海承压含⽔层的⼆维和三维有 密度过渡带模型，研究了防渗墙对海⽔⼊侵过程的影响，此类模型考虑了密度变化，采⽤变密度咸淡⽔混合液的渗 质运移两个偏微分⽅程来分别描
述，是过渡带模型的进⼀步发展和完善。在滨海含⽔层中，淡⽔和海⽔之间存在 渡带，地下⽔流密度相对较⼩的变化均可以对其流速和流态产⽣实质性的影响 。由于海⽔与淡⽔是可混 此，较传统基于突变界⾯理论的定密度地下⽔数值模型，基于过渡带理论的变密度地下⽔数值模型更适⽤于滨海 下⽔的开采研究和管理 。
本⽂以北部湾经济区合浦盆地地下⽔资源应急潜⼒评价为例，基于Visual Modflow软件的SEAWAT模块建 浦盆地变密度地下⽔流与溶质运移三维耦合数值模型，结合当地发展规划，模拟和预测度过整个枯⽔期各⽔源地 资源应急潜⼒，为合浦盆地合理开发地下⽔资源及管理提供可靠的技术⽀持。
1 研究区概况
⼴西合浦盆地地处北部湾经济区南部，濒临北部湾，海岸线长54.3 km，属北海市管辖，地理座标：东经108°50 36′、北纬21°35′—
21°58′，总⾯积为1 160.00 km 。盆地北部及东部地势较⾼，为丘陵⼭地隆起，中部为海河混 的滨海平原及局部后期改造的河流阶地或海成地貌，平⾯上呈向西南张开、北东收缩的似喇叭状，向西南延伸⼊ 如图1所⽰。合浦盆地属亚热带海洋性季风⽓候区，受暖⽓环流的影响,⾬量充沛，多年平均降⾬量1 680.3 mm 均蒸发量1 116.2 mm。降⾬量季节分布不均，降⾬多集中于5—10⽉份，降⽔量占全年降⽔量的80%以上。
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2 ⽔⽂地质概念模型
合浦盆地地下⽔系统由潜⽔、粘性⼟弱含⽔层和多层承压⽔组成，因粘性⼟弱含⽔层存在分叉复合和“岩 从⽽构成⼀个多含⽔层系统。侧向上将盆地北部、东部基岩与松散沉积层交界线概化为隔⽔边界；东南部与南 间的分⽔岭为隔⽔边界；西部⼤风江⼊海⼝东海岸线以及南部的北部湾海岸线均概化为定⽔头边界；南流江绝⼤ 切割到承压含⽔层，概化为河流边界。垂向上顶部潜⽔⾯接受⼤⽓降⽔、地表⽔渗漏和农业灌溉⼊渗的补给，同 ⽔⼜通过其蒸发，既是补给边界⼜是排泄边界，将其概化为⾃由⾯边界。由于盆地含⽔层厚度巨⼤，结合开采条 低标⾼为-350 m的基岩⾯概化为隔⽔边界。
多层承压含⽔层岩性特征相似，其间的粘⼟弱含⽔层与砂层复合尖灭，没有连续性较好的相对隔⽔层，现有开 部分都是潜⽔、多层承压⽔含⽔层混合开采，故将多层承压含⽔层合为⼀层进⾏分析计算。本次模拟计算⾃上 化为潜⽔含⽔层、粘⼟弱含⽔层和承压含⽔层，各层均概化为⾮均质各向异性。
潜⽔含⽔层直接接受⼤⽓降⽔、农⽥灌溉渗漏⽔、运河渗漏⽔补给。蒸发、⼈⼯开采、向河流和海域排泄 要的排泄⽅式。⾃上⽽下的潜⽔层和多层交叉复合的承压含⽔层，因其间的粘性⼟层为弱含⽔层，且存在“岩性 多，各含⽔层间⽔⼒联系密切。潜⽔和局部承压含⽔层受河⾕切割，平⾯上地下⽔除向海径流和排泄外，局部向河 和排泄，整个盆地地下⽔流态概化为三维⾮稳定流。因合浦盆地地下⽔温度变化不⼤，本次不考虑温度对密度场 的影响，但考虑地下⽔密度的变化引起Cl 的迁移。
图1 研究区位置⽰意
3 变密度地下⽔流与溶质运移三维耦合模型
3.1 数学模型
变量名命名规则c语言
根据合浦盆地⽔⽂地质概念模型，建⽴变密度地下⽔流与溶质运移三维耦合数学模型 。
3.1.1 变密度地下⽔流数学模型
变密度地下⽔流数学模型为
式中,t为时间(d);S 为贮⽔率(m );H为点(x,y,z)在t时刻的⽔头值(m);k 、k 、k 为含⽔层各向异性主⽅ 系数(m·d );Ω为计算区;H 为点(x,y,z)处的初始⽔位(m);H(x,y,z,t)为第⼀类边界上的⽔头值(m);q(x,y,z,t)为第 界上单位⾯积补给量(m·d );Г 、Г 分别为第⼀类边界、第⼆类边界;ρ为地下⽔的密度(mg·L );θ为有效孔隙 纲;C为溶解物质的浓度(mg·L );ρ 为源、汇项中溶解物质的密度(mg·L );q 为单位时间进⼊单位体积含⽔层 项的体积(d )。
oracle11g字符集更改3.1.2 变密度溶质运移数学模型
式中,C 为物质k的溶解浓度(mg·L );D 为⽔动⼒弥散系数(m·d );C 为源或汇中物质k的浓度(mg·L );Г 类浓度边界。
采⽤Visual Modflow 软件中SEAWAT模块，根据合浦盆地地下⽔系统的⽔⽂地质条件，建⽴变密度地下⽔流 运移三维耦合数值模型。SEAWAT模块是通过耦合运⾏经过密度项修正的⽔流模块MODFLOW-2000和溶质运 MT3DMS，模拟过程中包括应⼒期循环、时间步长循环以及藕合求解循环等三⼤循环。采⽤有限差分法进⾏求 ⽤预处理共轭梯度法迭代求解代数⽅程组，计算研究区地下⽔流场和Cl 浓度场的变化规律。
3.2 参数及源汇项的确定
相关⽔⽂地质参数值根据前⼈成果和⽔⽂地质试验确定，主要包括降⾬⼊渗系数0.05～0.25、极限蒸
发深 初始给⽔度0.1～0.25、初始渗透系数0.07～17.5 m/d、初始储⽔率0.000 01～0.001 m 等，潜⽔含⽔层、黏 ⽔层和承压含⽔层纵向弥散度按北海市相关研究成果分别取值为17.70 m,0.39 m和26.35 m,⽔平纵向弥散度 弥散度、垂向弥散度之⽐设为是10、100；潜⽔含⽔层、弱含⽔层和承压含⽔层有效孔隙率分别为0.15,0.21和 ⽔密度为1.025 kg/m ；以合浦盆地Cl 平均浓度作为初始浓度值，海⽔Cl 浓度值为16 115 mg/L。
盆地内运河⼲、⽀渠呈⽹络状展布，每年4⽉⾄10⽉放⽔供农⽥灌溉，以主⼲运河对地下⽔的侧向补给为主 内运河⼲渠总长255.80 km，运河单位长度⼊渗补给量加权平均值为1.81 m /d·m；临海边界均概化为定⽔头边 均海⽔位为0.36 m；南流江及其⽀流⼤部分河段都切割到承压含⽔层，全年绝⼤部分河段河⽔位都低于河流两岸 ⽔位，河流两岸地下⽔不断向河流排泄;2013年地下⽔现状总开采量为8.563万m /d。
3.3 模型的识别与验证
采⽤等间距有限差分⽅法对模拟区域进⾏离散化，将计算区在平⾯上剖分成260×140个矩形⽹格单元，每个 300 m×300 m；垂向上根据本区的钻孔资料、⽔⽂地质剖⾯图及其岩性特征资料从上往下剖分成潜⽔含⽔层、 含⽔层和承压含⽔层。每层的有效计算单元为70 152个,⽆效计算单元为59 048个，共计129 200个，平⾯和垂向 格如图2—图4所⽰。由于地下⽔监测数据跟开展图幅的进展有关，故本
次分别以2012年4⽉10⽇⾄2012年9⽉ 014年7⽉10⽇⾄2014年12⽉30⽇作为模型的识别时段，以2012年10⽉10⽇⾄2013年3⽉30⽇、2015年1⽉1 15年6⽉30⽇作为模型的验证时段，每30天作为⼀个应⼒期，共23个应⼒期，每个应⼒期⼜分10个计算时间步长 个观测井⽤于⽔位拟合。
图2 平⾯⽹格剖分
图3 剖⾯⽹格剖分(第90⾏)
图4 剖⾯⽹格剖分(第90列)
图5 ⽔⽂地质参数分区(承压含⽔层)
经识别、验证，将模型分成56个参数区，其中潜⽔含⽔层分为30个参数区，弱含⽔层分为1个参数区，承压含 5个参数区。列举的承压含⽔层⽔⽂地质参数分区如图5所⽰，相应的⽔⽂地质参数值如表1所列。图6列举部分 观测井计算⽔位与实测⽔位的拟合图，吻合良好，根据⽔均衡分析也较为合理，由此知该模型正确、可靠，可以⽤ 模拟预测。
4 应急开采条件的模拟预测
在滨海地区含⽔层中开采地下⽔必须保证相当⼀部分地下淡⽔在⼀定⽔⼒坡度作⽤下排泄⼊海，流动着的 终不断地将⽔动⼒弥散作⽤进⼊淡⽔体中的盐分携带⼊海，使陆地区的淡⽔体⽔质保持不变。
4.1 海⽔⼊侵判别标准
海⽔⼊侵陆地含⽔层后，最明显的是Cl 含量的变化，且由于Cl 是惰性的，故选取Cl 含量作为判断海⽔⼊侵的 根据前⼈研究成果，在其早期未受海⽔⼊侵影响的所有钻井中选出数值最⼤的Cl 含量，经过对68个钻井中Cl 含 资料进⾏⽐较，确定海⽔⼊侵以Cl 含量⼤于50 mg/L作为判别标准。
4.2 应急条件
假设2025年10⽉始到2026年4⽉枯⽔期发⽣特⼤⼲旱极端天⽓，同时地表⽔遭受污染不能供⽔，地下⽔作为 供应急⽔源，在保证不发⽣海⽔⼊侵条件下，按2025年规划的⽣活、⼯业、建筑业和第三产业需⽔量进⾏应急 拟预测度过枯⽔季节时间的地下⽔流场和Cl 浓度场。
图6 地下⽔位计算值与观测值拟合⽰意
表1 承压含⽔层组各参数分区
图7 ⽔源地分布⽰意

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