基于MODFLOW对天津宁河县的地面沉降预测研究

基于MODFLOW对天津宁河县的地面沉降预测研究
宋小军
【摘要】文章根据研究区实际的水文地质及工程地质条件,对含水层和弱透水层进行概化,构建了水文地质概念模型和地层压缩模型,采用三维有限差分地下水流模型--MODFLOW及其携带的IBS程序包对该研究Ⅸ各含水层组水位、地面沉降进行同步模拟,经过多次调参,选取了恰当的水文地质参数,建立了该区的准三维地下水流--一维地面沉降模型.以2008年的实际年均开采量为依据,对2015年的地面沉降趋势进行了预测,为今后开展地下水开采控制、建立地下水可持续开采模型提供了基础.
【期刊名称】《矿产勘查》
【年(卷),期】2010(001)006
【总页数】5页(P564-568)
【关键词】地面沉降;地下水开采;MODFLOW数值模拟;天津宁河县
【作者】宋小军
【作者单位】天津华北地质勘查局,天津,300170
【正文语种】中文
【中图分类】TU478
0 引言
地面沉降又称地面下沉或地陷，是在自然条件和人为因素作用下，因地壳表层土压
缩而导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象。

天津宁河县是一个农业大县，地下水是县内工农业和生活用水的主要水源，地下水开发利用程度较高。

多年的地下水开采，使得境内地下水水位持续下降，芦台镇（县城所在地）及其周围地区已经出现了较大的水位降幅，引发了地面沉降、地下水污染、咸淡水界面下移等一系列环境地质问题。

宁河县年均沉降值在20 mm以上，主要沉降漏斗区位于宁河县东南部芦台镇地区，多年年均沉降值在38 mm［1］，已经成为天津地区地面沉降严重的地区。

1 利用MODFLOW预测地面沉降方法简介
MODFLOW软件中，主要是利用Interbed-storage Package（IBS）来模拟由于抽取地下水引起的地面沉降压缩量［2］，利用该模块建立的地面沉降模拟模型，与地下水流模型共享一个主程序，二者在时间、空间离散情况方面完全一致，所以地下水开采模型的任何一次水位变化，都会反映到地面沉降模型中。

地面沉降模型所需参数的形式，也必须与地下水流模型相匹配。

地面沉降模拟模型要求输入前期固结水头、初始沉降量、地面沉降观测站的位置、弹性释水系数和非弹性释水系数的初始值，然后迭代求解。

通过对各观测站地面沉降量计算值序列与实测值序列的对比，调整参数值，最终达到计算值与实测值的最佳拟合，以求得弹性释水系数、非弹性释水系数两个参数［3］。

2 宁河县地面沉降数值模型
根据水文地质特征，结合含水层组的划分，通过大量的钻孔资料分析，将第四系地下水系统概化为自上向下的含水层（第Ⅰ含水层组）→弱透水（隔水层）→含水层（第Ⅱ含水层组）→弱透水（隔水层）→含水层（第Ⅲ +Ⅳ含水层组）结构系统［4］，见图1。

含水层岩性以砂性土为主，含有若干相对较薄的不连续的黏性土夹层或透镜体，但每个含水层仍然具有较强的统一的水力联系。

弱透水层主要是由厚度较大的连续的黏性土组成，构成承压含水层的顶板和底板。

相邻含水层在水头
差作用下，通过其发生越流，含水层与弱透水层构成多层结构的含水系统。

2.1 模型的建立
根据获得资料的情况及本次工作的目的，以1987年作为1月水位分布作为模型模拟的初始条件，时段跨度为1987年1月至2004年12月，为期18年，计算步
长为6个月，共计36个计算时段。

研究区采用矩形四棱柱（上、下两平面不一定平行）划分，垂向上共剖分了5个
单元层（见表1），6个结点层；平面上结点为100*100个，共计结点
50000 个（见图2）。

表1 计算单元层、结点层与含水岩组对应表第四系含水岩组相对应的计算单元层
相对应的结点层地表第0结点层第Ⅰ含水层组第1单元层第1结点层弱隔水层
第2单元层第2结点层第Ⅱ含水层组第3单元层第3结点层弱隔水层第4单元层第4结点层第Ⅲ+Ⅳ含水层组第5单元层第5结点层
在地下水集中开采区，为了提高计算精度，以实际的井点为基础，进一步增加结点，使剖分加密，外围剖分单元较大。

在垂向上剖分的5个计算单元层尽量对应于
（自上而下）含水层组岩性的变化。

在资料缺乏区或一些钻孔中某些地质单元层缺失的地区，为了保证自动剖分与结点单元编号的连续性，在参数分区时予以区分。

2.2 模型的识别和验证
本次模拟计算从1987年1月运行到2004年12月，水位的输出和历史观测数据
相比较，经反复调整各种参数或其分区，进行了模型的识别与校正，模型的总体拟合程度较好。

为了提高模型的仿真程度，可视化输出了模拟区的地下水系统动态特征，对其进行分析判断。

由输出的不同含水层组水位等值线拟合图（图3）可以看出，各含水层组的水位动态总体拟合效果较好，能够反映出地下水实际的流场；通过图4可以看出，该数值模型可以较好的模拟研究区的地面沉降趋势，并没有出
现明显的误差累积和扩大趋势，表明所建立的数学模型对水文地质条件的概化、边界条件的选择以及参数的确定等都与研究区的实际情况符合较好。

另外需要说明的是，水文地质参数是水文地质模型成败的关键，它的正确性与合理性直接关系到数值模型的科学性，也关系到地下水模型的准确性和可信度。

经过计算得到各压缩层的弹性储水因子和非弹性储水因子如表2所示。

表2 各压缩层参数表参数第一压缩层第二压缩层第三压缩层第四压缩层0.00001 0.0001 0.00001 0.0001非弹性储水因子弹性储水因子0.0005 0.006 0.0002
0.008
2.3 现状开采条件下地面沉降预测
根据宁河县及外属农场的相关统计资料显示，研究区内2005～2008年深层地下
水的年开采量见表3。

从表3中可以看出，深层地下水的开采量呈逐年减小的态势。

将收集到的开采量输入模型，并以2008年的实际开采量为基础，保持数值模型边界条件和含水层参数不变，对2015年的各含水层组的地下水水位和总体地面沉降趋势进行预测（图4～5）。

表3 2005～2008年深层地下水开采强度年份开采强度/104m3·km -2第Ⅱ含水
层组第Ⅲ含水层组第Ⅳ含水层组2005 2.89 2.65 0.48 2006 2.82 2.65 0.41 2007 2.70 2.59 0.46 2008 2.68 2.51 0.39
从图5、图6中可以看出，随着开采量的减小，各含水层组的地下水水位比2004
年整体有所回升，-60 m等水位线圈定面积比2004年的要有所减小；第Ⅱ含水层组漏斗中心水位回升了约10 m，第Ⅲ+Ⅳ含水层组漏斗中心水位回升了约13 m，平均回升速率为0.91～1.18 m·a-1；预测到2015年，研究区绝大多数地区的累
积沉降量都超过了500 mm，沉降量大于800 mm的区域比2004年有所扩大，
约占到了研究区总面积的1/3。

沉降最严重的地区位于汉沽农场、芦台镇、七里海
镇以及清河农场一带，其中汉沽农场最大累积沉降量超过1400 mm，平均年沉降量为27.27 mm·a-1。

总体上说，区内大多数地区在2005—2015年期间的年均沉降量小于18 mm·a-1，这说明地面沉降并未由于水位回升而停止，有一定的滞后性，但沉降趋势已经明显减缓。

3 结语
天津地区地面沉降的研究重点主要集中在天津市区和滨海新区［5-7］，在搜集以上地区研究成果的基础上，首次利用MODFLOW软件建立了研究区的准三维地下水流——一维地面沉降数值模型，通过模拟的结果与实测值对比发现，本次进行地面沉降量的计算方法完全可行，能够反映地面沉降的总体发展趋势，可以满足研究的计算精度，是一次有益的尝试。

当然，地下水开采与地面沉降的研究是一个三维环境地质问题，对地质体的监测控制程度要求较高，需要完善地面沉降监测网络的建设，尤其是在重点沉降区应该加密监测，并建立分层标，这样会明显提高模型识别的可靠性。

因此，如果能够保证健全的地面沉降监测网络资料、足够长时间序列的实测值、精确的观测资料，用这种地面沉降模拟方法，可以得到更令人满意的结果。

图5 2015年第Ⅱ和Ⅲ+Ⅳ含水层组地下水水位等值线
图6 2015年累积沉降量预测图
参考文献
【相关文献】
［1］天津市地面沉降年报（2003—2008）［R］.天津市控制地面沉降工作办公室.
［2］ Wen-Hsing Chiang and Wolfgang Kinzelbach.3D-Groundwater modeling with PMWIN-A Simulation System for Modeling Groundwater Flow and Pollution，Springer，
2001.
［3］崔亚莉，邵景力，谢振华，等.基于MODFLOW的地面沉降模型研究［J］.工程勘察，2003，5：19-22.
［4］宋小军，刘景兰，石文学，等.宁河县地下水动力场三维模拟成果报告［R］.天津华北地质勘查局地质研究所.天津，2006.
［5］董国凤.地面沉降预测模型及其应用研究［D］.天津：天津大学，2006.
［6］潘云，潘建刚，宫辉力，等.天津市区地下水开采与地面沉降关系研究［J］.地球与环境，2004，32（2）：36-39.
［7］吴铁钧，崔小东，牛修俊，等.天津市地面沉降研究及综合治理［J］.水文地质工程地质，1998，（5）.
［8］宋小军，刘景兰，詹华明，等.宁河综合地质调查报告［R］.天津华北地质勘查局地质研究所.天津，2006.。