华北平原地下水流模拟及地下水资源评价

第31卷第3期2009年3月

2009，31（3）：361-367

Resources Science

Vol.31，No.3Mar.，

2009

文章编号：1007-7588（2009）03-0361-07

华北平原地下水流模拟及地下水资源评价

邵景力1，赵宗壮2，崔亚莉1，王荣3，李长青4，杨齐青5

（1.中国地质大学，北京100083；2.河北省环境地质勘查院，石家庄050021；

3.北京市水文地质工程地质大队，北京100195；

4.中国地质环境监测总院，北京100081；

5.天津地质调查中心，天津300170）

摘要：本研究的目的是建立华北平原三维地下水流模型，并用于评价模拟区地下水资源量。首先在对华北平原水文地质条件进行了概化，垂向上分为3个含水层组。运用地下水模型软件GMS 建模，将模拟区剖分为164行、148列4km×4km 的规则网格。以2002年~2003年作为模拟期，通过深浅层地下水流场和65个典型观测孔的拟合对模型进行识别，并进行了模拟期的地下水均衡分析。运用所建立的地下水流模型，评价出1991年~2003年华北平原平均地下水补给资源量为256.68×108m 3/a ；总可开采资源量为213.49×108m 3/a ，其中浅层水可开采资源量为191.65×108m 3/a ，深层为22.64×108m 3/a 。最后对模型的应用前景进行了展望。

关键词：华北平原；地下水；模型；补给资源量；可利用量

1引言

区域地下水数值模拟模型一般是指一个盆地、流域或大的行政区域级别的模型，可用于区域地下水资源评价、预测、科学管理以及地下水循环等方面的研究。20世纪80年代以来，为了研究和实验基地方式性物质在地下水的迁移等问题，美国地质调查局等机构对美国死谷（death valley ）区域地下水流进行模拟，运用MOFLOW 建立了多个稳定流[1]和非稳定流地下水流模型[2]，模拟区面积约5×104km 2，

为此还开展了区域地下水蒸散量研究[3]、1913年～1998年地下水开采量反演[4]等工作。从20世纪70年代以来，为了预报澳大利亚大自流水盆地水头下降和泉流量减少的趋势，澳大利亚有关机构对大自流水盆地进行系统研究，建立局部的和全盆地的地下水流模型[5]，Welsh 采用MODFLOW2000在面积约150×104km 2的大自流水盆地建立了稳定流[6]和非稳定流模型[7]，并用1965年~1999年的监测数据对模

型进行识别和校正。剖分网格大小为5km×5km ，活动单元多达60000个，堪称世界上规模最大的地下水流模型。相对于局部地段，区域水文地质条件复杂，地下水开发利用方式多样，因而对区域地下水

流进行模拟难度大的多。随着学科的发展，在建立大区域地下水流模型中常用遥感、GIS 、环境同位素等技术解决建模中的一些问题[8]。中国在20世纪90年代后期以来，逐渐重视大区域地下水流模型的研究工作，特别是中国之调查局2003年~2005年开展的“中国北方主要平原盆地地下水资源调查评价”项目，各大盆地均建立了区域地下水流模型。中国从20世纪70年代以来，在华北平原做了大量的水文地质工作，21世纪以来也开展了地下水模型研究工作[9~11]。

华北平原位于中国东部（图1），面积13.90×

104km 2，是中国水资源最为短缺的地区之一。据统计[12]，近年来该地区地下水供水量约占区域总供水

量的70%左右。由于长期超量开采，已造成地下水资源逐渐衰竭、地面沉降等资源环境问题，严重影响了该地区的供水安全[13]。因此，华北平原地下水合理开发利用问题仍是目前乃至今后一段时间本领域研究的重点。本研究在水文地质条件概化的基础上，运用地下水模型软件GMS 建立华北平原地下水流数值模拟模型，并应用于地下水资源评价，为地下水合理开发利用方案提供科学依据。

收稿日期：2008-12-12；修订日期：2009-02-05

基金项目：中国地质调查局项目：“华北平原地下水可持续利用调查评价”（编号：1212010430351）。作者简介：邵景力，男，山东滕州人，教授，主要从事水文学及水资源专业的教学和科研工作。E-mail ：jshao@

第31卷第3期

资源科学

2水文地质现状与概念模型建立

2.1水文地质结构

研究区是一巨大的地下水盆地[12]，地下水主要赋存在由冲洪积、湖积、海积物交错叠置而成的第四系松散层之中（图2）。从西北部山前冲洪积扇中上部砂卵砾石组成的单一潜水含水层，逐步过渡到中东部冲湖积平原和滨海平原的砂、粉砂、粘土互层的

多层含水层，由山前到滨海，砂层颗粒逐渐变细变薄、粘性土层逐渐变厚。在扇间及远离河道带地段，砂层厚度变薄，颗粒变细，相反粘性土发育。

由于含水介质空间分布的复杂性而使地下水分布和循环在空间上表现出明显的差异性。以沉积物的岩性分布和水力特征为基础，并结合地下水的开发利用现状，传统上将第四系含水岩系划分为4个含水层组，其组底板埋深分别是：第一含水层10~60m ；第二含水层120~270m ；第三含水层250~350m ；第四含水层550~650m 。由于第一、二含水层

组水力联系比较密切，第一含水层组较薄，有些地区已被疏干，很多浅层开采井混合开采这两层水，因而在模型中将这两个含水层处理为一层。本研究中运用近2000个钻孔资料绘制了华北平原30条纵横水文地质剖面图，从中得到3个含水层组的地板标高等值线图。

含水层参数主要是根据模拟区的水文地质条件和前人工作成果确定的，潜水含水层的渗透系数和给水度具有由山前地带向冲湖积平原、由河谷向两侧，参数由大变小的总体趋势，渗透系数变化范围为3~300m/d ，给水度的变化范围为0.03~0.23。承压水含水层渗透系数的分布范围大致1~50m/d ，储水率在10-4~10-6数量级。

2.2边界条件研究区西部和北部山区与平原自然分界线为流

入边界，模型第一层（单一潜水含水层）经过此边界

图1华北平原范围及边界条件概化

F ig.1The modeling area and boundary condition 362

图２ 石家庄－德州－禹城水文地质剖面

Fig.2 Hydrogeological profile along Shijiazhuang-Dezhou-Yucheng