水资源管理与评价课程作业modflow.docx

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水资源管理与评价课程作业modflow

1飞机场地区地下水资源评价

1.1飞机场地区水文地质概况

研究区位于Waterloo河外的飞机场附近。

该地区表层的地质条件是由上、下两层沙土以及砾石组成的含水层，中间以粘土和泥沙作为隔水层组成的。

地貌特征包括一个飞机加油站，一个市内的供水井区域，以及一个不连续的隔水层，如图1-1所示。

就是因为在研究区中心部位隔水层的尖灭，造成了加油站向地下渗漏的污染物从浅层含水层通过尖灭区流入深层含水层，从而对供水井区域造成污染，是研究区的污染源。

本文利用VisualMODFLOW软件对研究区地下水资源进行分析评价，并在此基础上增加开采规模，在建立一个水源地。

图1-1飞机场地区位置图

1.2飞机场天然条件下地下水资源评价

1.2.1天然条件地下水均衡分析

研究区在天然状态下，即未经开采的条件下，地下水均衡情况如表1-1所示：

表1-1天然条件下地下水均衡表单位：

m3/d

均衡项

第一层

第二层

第三层

合计

数量

比例

数量

比例

数量

比例

数量

补给项

降雨

1077.50

1.00

0.00

0.00

0.00

0.00

1077.50

边界

0.02

0.00

0.00

0.00

90.67

0.33

90.69

越流

0.12

0.00

186.18

1.00

186.26

0.67

372.56

小计

1077.64

1.00

186.18

1.00

276.93

1.00

1540.75

排泄项

河流

864.87

0.80

0.00

0.00

0.00

0.00

864.87

边界

29.88

0.03

0.00

0.00

280.96

1.00

310.84

越流

186.06

0.17

186.38

1.00

0.12

0.00

372.56

小计

1080.81

1.00

186.38

1.00

281.08

1.00

1548.27

从表中可以看出：

研究区主要的补给项是降水和边界的侧向补给，主要的排泄项是河流和边界的侧向排泄。

其补给量为1540.75m3/d，排泄量为1548.37m3/d。

1.2.2天然条件流场分析

由于该研究区共有上下两层含水层，所以在分析流场变化时就浅层含水层和深层含水层分别分析。

1.2.2.1天然条件流场图

图1-2天然状态浅层含水层流场图

图1-3天然状态深层含水层流场图

由图中所示：

研究区地下水自北向南流动，在浅层含水层地下水水位从19.0m下降到15.5m，深层含水层从18.0m下降到15.5m。

1.2.2.2天然条件降深图

由图1-4和1-5可以看出，该地区天然条件下，北侧地下水位降深小，南侧地下水位降深大，最大降深大达到5m。

图1-4天然状态浅层含水层降深图

图1-5天然状态深层含水层降深图

1.2.2.3天然条件质点追踪图

为了能够更好的研究地下水中污染物质流动的路径，在加油站设置了五个质点，通过追踪器路径来观察污染物的流动。

图1-6天然条件质点追踪平面图

图1-7天然条件质点追踪剖面图

在天然条件下，污染物通过隔水层的尖灭区从浅层含水层流向深层含水层，在平面上沿着西侧流向南侧边界。

1.2.2.4天然条件溶质运移图

图1-8模拟天然条件20年后浅层含水层溶质运移平面图

图1-9模拟天然条件20年后深层含水层溶质运移平面图

图1-10模拟天然条件20年后溶质运移剖面图

从图1-8、1-9和1-10可以看出，在20年后污染物已经扩散了很大的范围，并且污染到了深层含水层。

1.2.3天然条件地下水资源评价

由以上的图标和分析可以得出，研究区的补给资源量为：

1540.75m3/d。

而且在开采地下水时可以将补给给河流的地下水袭夺过来，因此，研究区的可开采资源量的主要由降水量、河流补给、侧向补给和越流组成。

可开采资源量必须小于补给资源量。

1.3飞机场现状开采条件下地下水资源评价

1.3.2现状开采条件地下水均衡分析

在研究区的东南侧，河的北岸，有两口井分别以400m3/d和550m3/d的速度开采地下水，此时地下水均衡情况如表1-2所示：

表1-2现状开采条件下地下水均衡表单位：

m3/d

均衡项

第一层

第二层

第三层

合计

数量

比例

数量

比例

数量

比例

数量

补给项

降雨

1077.50

0.97

0.00

0.00

0.00

0.00

1077.50

边界

34.62

0.03

0.00

0.00

637.91

0.66

672.53

越流

0.06

0.00

330.10

1.00

330.37

0.34

660.52

小计

1112.17

1.00

330.10

1.00

968.28

1.00

2410.55

排泄项

河流

783.54

0.70

0.00

0.00

0.00

0.00

783.54

边界

0.01

0.00

0.00

0.00

27.98

0.03

27.99

开采

0.00

0.00

0.00

0.00

950.00

0.97

950.00

越流

330.04

0.30

330.43

1.00

0.06

0.00

660.52

小计

1113.59

1.00

330.43

1.00

978.04

1.00

2422.05

从表中可以看出：

研究区主要的补给项是降水和边界的侧向补给，被开采层主要的补给源为侧向补给和越流补给。

主要的排泄项是河流和边界的侧向排泄，但与天然条件相比向河流的排泄量相比还是减少了，是由于开采地下水袭夺了一部分排泄量。

其补给量为2410.55m3/d，排泄量为242.05m3/d。

1.3.3现状开采条件流场分析

由于该研究区共有上下两层含水层，所以在分析流场变化时就浅层含水层和深层含水层分别分析。

1.2.2.1现状开采条件流场图

图1-11现状开采状态浅层含水层流场图

图1-12现状开采状态深层含水层流场图

由图中所示：

研究区地下水自北向南流动，在浅层含水层地下水水位从19.0m下降到15.5m，深层含水层从18.0m下降到15.5m。

由于井的开采，在深层含水层，即开采层，以开采井为中心，形成了一个降落漏斗。

1.2.2.2现状开采条件降深图

由图1-13和1-14可以看出，该地区天然条件下，北侧地下水位降深小，南侧地下水位降深大，最大降深大达到6m。

由于井的开采，在深层含水层，即开采层，以开采井出降深最大，形成一个降落漏斗。

图1-13现状开采状态浅层含水层降深图

图1-14现状开采状态深层含水层降深图

1.2.2.3现状开采条件质点追踪图

为了能够更好的研究在现状开采条件下地下水中污染物质流动的路径，在加油站设置了五个质点，通过追踪器路径来观察污染物的流动。

图1-15现状开采条件质点追踪平面图

图1-16现状开采条件质点追踪剖面图

在现状开采条件下，污染物通过隔水层的尖灭区从浅层含水层流向深层含水层中的供水井1中，对供水安全造成了威胁。

而且随着开采的进行，供水井2的水质也会受到污染。

1.2.2.4现状开采条件溶质运移图

图1-17模拟现状开采条件20年后浅层含水层溶质运移平面图

图1-18模拟现状开采条件20年后深层含水层溶质运移平面图

图1-19模拟现状开采条件20年后溶质运移剖面图

从图1-17、1-18和1-19可以看出，随着开采的进行，在20年后污染物已经扩散了很大的范围，并且污染到了深层含水层中供水井1，只是污染物的浓度还比较低，但是随着时间推移，污染物的浓度会越来越大，并且污染到供水井2。

1.3.3现状开采条件地下水资源评价

由以上的图标和分析可以得出，研究区的补给资源量为：

2410.55m3/d。

而且在开采地下水时将补给给河流的地下水袭夺过来一部分，因此，研究区的可开采资源量的主要由降水量、河流补给、侧向补给和越流组成。

可开采资源量必须小于补给资源量。

1.4飞机场扩大开采条件下地下水资源评价

目前该区需要扩大开采，需要新增3眼开采井，单井出水量为100-200m3/d；井间距为300m，开采时间20年。

根据之前在天然条件和现状开采条件下的分析，研究区地下水是自北向南流动，且加油站，即污染源在研究区的北侧，现有的两个开采井在东南侧，因此将新增的3眼开采井增加在研究区的西南侧比较合适，而且这里靠近河流，可以采用傍河取水的方式建设水源地。

新增水源地离原有的开采井有一定的距离，这样就不会互相影响，造成降落漏斗的进一步增大。

根据选取开采井的位置和建立水源地方式，设计了三种方案。

由于是建设水源地，所以井的抽水量应该达到最大的抽水量才能使设备最有效的使用，因此，开采井的抽水量为200m3/d。

具体见表1-3：

表1-3新增水源地设计方案

方案

井的位置

井的坐标

水源地型式

方案1

河的西南岸

供水井1-1

供水井1-2

供水井1-3

直线型

X

Y

X

Y

X

Y

75

75

375

375

676

375

方案2

河的西北岸

供水井2-1

供水井2-2

供水井2-3

直线型

X

Y

X

Y

X

Y

75

325

375

325

675

325

方案3

河的西北岸

供水井3-1

供水井3-2

供水井3-3

三角型

X

Y

X

Y

X

Y

375

325

675

325

530

600

1.4.1方案1

1.4.1.1方案1扩大开采条件地下水均衡分析

在研究区的西南侧，河的西南岸，新增三口开采井，以200m3/d速度开采，原有两口井分别以400m3/d和550m3/d的速度开采地下水，此时地下水均衡情况如表1-4所示：

表1-4方案1扩大开采条件下地下水均衡表单位：

m3/d

方案1

第一层

第二层

第三层

合计

数量

比例

数量

比例

数量

比例

数量

补给项

降雨

1077.50

0.97

0.00

0.00

0.00

0.00

1077.50

边界

36.43

0.03

0.00

0.00

1197.10

0.78

1233.53

越流

0.04

0.00

342.48

1.00

342.59

0.22

685.11

小计

1113.97

1.00

342.48

1.00

1539.69

1.00

2996.14

排泄项

河流

780.29

0.69

0.00

0.00

0.00

0.00

780.29

边界

0.00

0.00

0.00

0.00

0.02

0.00

0.02

开采

0.00

0.00

0.00

0.00

1550.00

1.00

1550.00

越流

342.44

0.31

342.48

1.00

0.04

0.00

684.96

小计

1122.73

1.00

342.48

1.00

1550.06

1.00

3015.28

从表中可以看出：

研究区主要的补给项是降水和边界的侧向补给，被开采层主要的补给源为侧向补给和越流补给。

主要的排泄项是河流和越流排泄，但与天然条件相比向河流的排泄量相比还是减少了，是由于开采地下水袭夺了一部分排泄量。

而且与现状开采条件相比没有了向边界的侧向补给，是由于开采量增大了。

其补给量为2996.14m3/d，排泄量为3015.28m3/d。

1.4.1.2方案1扩大开采条件流场分析

由于之前的研究，抽取深层含水层的地下水基本上不影响浅层含水层的流场，所以本节关于流场及降深的研究均针对深层含水层进行，旨在能够选取最佳的开采方案。

（1）方案1扩大开采条件流场图

图1-20方案1扩大开采状态深层含水层流场图

由图中所示：

研究区地下水自北向南流动，在深层含水层从18.0m下降到15.5m。

由于井的开采，在深层含水层，即开采层，以原有开采井为中心，形成了一个降落漏斗。

虽然新增3眼开采井，但由于其是傍河取水，且远离原油开采井，并没有对原有的流场造成很大的影响。

（2）方案1扩大开采条件降深图

由图1-21可以看出，该地区天然条件下，北侧地下水位降深小，南侧地下水位降深大，最大降深大达到5m。

由于原有井的开采，在深层含水层，即开采层，以开采井出降深最大，形成一个降落漏斗。

在新增的开采井处也增加了单个小的漏斗。

图1-21方案1扩大开采状态深层含水层降深图

（3）方案1扩大开采条件质点追踪图

为了能够更好的研究在现状开采条件下地下水中污染物质流动的路径，在加油站设置了五个质点，通过追踪器路径来观察污染物的流动。

图1-22方案1扩大开采条件质点追踪平面图

图1-23方案1扩大开采条件质点追踪剖面图

在扩大开采条件下，污染物通过隔水层的尖灭区从浅层含水层流向深层含水层中的供水井1中，对供水安全造成了威胁。

而且随着开采的进行，供水井2的水质也会受到污染。

但是并未对新增的水源地造成污染。

（4）方案1扩大开采条件溶质运移图

图1-24方案1模拟扩大开采条件20年后浅层含水层溶质运移平面图

图1-25方案1模拟扩大开采条件20年后深层含水层溶质运移平面图

图1-26方案1模拟扩大开采条件20年后溶质运移剖面图

从图1-24、1-25和1-26可以看出，随着开采的进行，在20年后污染物已经扩散了很大的范围，并且污染到了深层含水层中供水井1，只是污染物的浓度还比较低，但是随着时间推移，污染物的浓度会越来越大，并且污染到供水井2。

但是并未对新增的水源地造成污染。

1.4.2方案2

1.4.2.1方案2扩大开采条件地下水均衡分析

在研究区的西南侧，河的西北岸，新增三口开采井，以200m3/d速度开采，原有两口井分别以400m3/d和550m3/d的速度开采地下水，此时地下水均衡情况如表1-5所示：

表1-5方案2扩大开采条件下地下水均衡表单位：

m3/d

方案2

第一层

第二层

第三层

合计

数量

比例

数量

比例

数量

比例

数量

补给项

降雨

1077.50

0.95

0.00

0.00

0.00

0.00

1077.50

边界

57.89

0.05

0.00

0.00

1154.10

0.75

1211.99

越流

0.04

0.00

386.12

1.00

385.94

0.25

772.09

小计

1135.42

1.00

386.12

1.00

1540.04

1.00

3061.58

排泄项

河流

754.23

0.66

0.00

0.00

0.00

0.00

754.23

边界

0.00

0.00

0.00

0.00

0.02

0.00

0.02

开采

0.00

0.00

0.00

0.00

1550.00

1.00

1550.00

越流

386.08

0.34

385.98

1.00

0.04

0.00

772.10

小计

1140.31

1.00

385.98

1.00

1550.06

1.00

3076.35

从表中可以看出：

研究区主要的补给项是降水和边界的侧向补给，被开采层主要的补给源为侧向补给和越流补给。

主要的排泄项是河流和越流排泄，但与天然条件相比向河流的排泄量相比还是减少了，是由于开采地下水袭夺了一部分排泄量。

而且与现状开采条件相比没有了向边界的侧向补给，是由于开采量增大了。

其补给量为3061.58m3/d，排泄量为3076.35m3/d。

1.4.2.2方案2扩大开采条件流场分析

由于之前的研究，抽取深层含水层的地下水基本上不影响浅层含水层的流场，所以本节关于流场及降深的研究均针对深层含水层进行，旨在能够选取最佳的开采方案。

（1）方案2扩大开采条件流场图

由图1-27中所示：

研究区地下水自北向南流动，在深层含水层从18.0m下降到15.5m。

由于井的开采，在深层含水层，即开采层，以原有开采井为中心，形成了一个降落漏斗。

新增3眼开采井，由于开采地下水也形成了一个小型降落漏斗。

（2）方案2扩大开采条件降深图

由图1-28可以看出，该地区天然条件下，北侧地下水位降深小，南侧地下水位降深大，最大降深大达到5m。

由于原有井的开采，在深层含水层，即开采层，以开采井出降深最大，形成一个降落漏斗。

在新增的开采井处也增加了单个小的漏斗。

图1-27方案2扩大开采状态深层含水层流场图

图1-28方案2扩大开采状态深层含水层降深图

（3）方案2扩大开采条件质点追踪图

为了能够更好的研究在现状开采条件下地下水中污染物质流动的路径，在加油站设置了五个质点，通过追踪器路径来观察污染物的流动。

图1-29方案2扩大开采条件质点追踪平面图

图1-30方案2扩大开采条件质点追踪剖面图

在扩大开采条件下，污染物通过隔水层的尖灭区从浅层含水层流向深层含水层中的供水井1中，对供水安全造成了威胁。

而且随着开采的进行，供水井2的水质也会受到污染。

同时也对新增的供水2-2和2-3井造成了污染。

（4）方案2扩大开采条件溶质运移图

图1-31方案2模拟扩大开采条件20年后浅层含水层溶质运移平面图

图1-32方案2模拟扩大开采条件20年后深层含水层溶质运移平面图

图1-33方案2模拟扩大开采条件20年后溶质运移剖面图

从图1-31、1-32和1-33可以看出，随着开采的进行，在20年后污染物已经扩散了很大的范围，并且污染到了深层含水层中供水井1，只是污染物的浓度还比较低，但是随着时间推移，污染物的浓度会越来越大，并且污染到供水井2。

同时也对新增的供水2-3井造成了污染。

1.4.3方案3

1.4.3.1方案2扩大开采条件地下水均衡分析

在研究区的西南侧，河的西北岸，新增三口开采井，以200m3/d速度开采，原有两口井分别以400m3/d和550m3/d的速度开采地下水，此时地下水均衡情况如表1-6所示：

表1-6方案3扩大开采条件下地下水均衡表单位：

m3/d

方案3

第一层

第二层

第三层

合计

数量

比例

数量

比例

数量

比例

数量

补给项

降雨

1077.50

0.94

0.00

0.00

0.00

0.00

1077.50

边界

65.29

0.06

0.00

0.00

1139.10

0.74

1204.39

越流

0.04

0.00

400.59

1.00

400.68

0.26

801.30

小计

1142.83

1.00

400.59

1.00

1539.78

1.00

3083.19

排泄项

河流

746.11

0.65

0.00

0.00

0.00

0.00

746.11

边界

0.00

0.00

0.00

0.00

0.02

0.00

0.02

开采

0.00

0.00

0.00

0.00

1550.00

1.00

1550.00

越流

400.55

0.35

400.72

1.00

0.04

0.00

801.30

小计

1146.66

1.00

400.72

1.00

1550.06

1.00

3097.43

从表中可以看出：

研究区主要的补给项是降水和边界的侧向补给，被开采层主要的补给源为侧向补给和越流补给。

主要的排泄项是河流和越流排泄，但与天然条件相比向河流的排泄量相比还是减少了，是由于开采地下水袭夺了一部分排泄量。

而且与现状开采条件相比没有了向边界的侧向补给，是由于开采量增大了。

其补给量为3083.18m3/d，排泄量为3097.43m3/d。

1.4.3.2方案3扩大开采条件流场分析

由于之前的研究，抽取深层含水层的地下水基本上不影响浅层含水层的流场，所以本节关于流场及降深的研究均针对深层含水层进行，旨在能够选取最佳的开采方案。

（1）方案3扩大开采条件流场图

由图1-34中所示：

研究区地下水自北向南流动，在深层含水层从18.0m下降到15.5m。

由于井的开采，在深层含水层，即开采层，以原有开采井为中心，形成了一个降落漏斗。

新增3眼开采井，由于开采地下水也形成了一个降落漏斗。

图1-34方案3扩大开采状态深层含水层流场图

（2）方案3扩大开采条件降深图

由图1-35可以看出，该地区天然条件下，北侧地下水位降深小，南侧地下水位降深大，最大降深大达到8m。

由于原有井的开采，在深层含水层，即开采层，以开采井出降深最大，形成一个降落漏斗。

在新增的开采井处也增加了降落漏斗。

（3）方案3扩大开采条件质点追踪图

为了能够更好的研究在现状开采条件下地下水中污染物质流动的路径，在加油站设置了五个质点，通过追踪器路径来观察污染物的流动。

图1-35方案3扩大开采状态深层含水层降深图

图1-36方案3扩大开采条件质点追踪平面图

图1-37方案3扩大开采条件质点追踪剖面图

在扩大开采条件下，污染物通过隔水层的尖灭区从浅层含水层流向深层含水层中使新增水源地的供水井3-3受到污染。

（4）方案3扩大开采条件溶质运移图

图1-38方案3模拟扩大开采条件20年后浅层含水层溶质运移平面图

图1-39方案3模拟扩大开采条件20年后深层含水层溶质运移平面图

图1-40方案3模拟扩大开采条件20年后溶质运移剖面图

从图1-38、1-39和1-40可以看出，随着开采的进行，在20年后污染物已经扩散了很大的范围，并且污染到了深层含水层中供水井1，只是污染物的浓度还比较低，但是随着时间推移，污染物的浓度会越来越大，并且污染到供水井2。

同时也对新增的供水井3-2和3-3造成了污染。

1.4.4小结

经过以上三种方案的研究，比较后得出方案1更为科学、合理，选择方案1最为最终方案有以下两方面原因：

（1）地下水均衡：

分析三种方案的水均衡表，方案1的补给资源量为2996.14m3/d，方案2的补给资源量为3061.58m3/d，方案3的补给资源量为3083.18m3/d。

方案1的补给资源量最少，说明在开采量相同的情况下，方案1抽取地下水引起的补给资源量变化最小，方案1比较优越。

（2）污染物运移：

通过三种方案中模拟的20年后污染物运移的状况发现，方案2和方案3中均有新增水源地中的供水井受到污染，只有方案1中新增水源地没有受到污染的井，因此，方案1更安全。

综上所述，选择方案1的方式建设水源地。

1.5地下水可开采资源量分析

根据飞机场地区的水文地质概况，地下水可开采资源量的评价应坚持以下原则：

（1）浅层含水层易受到污染，应尽量开采深含水层中的地下水。

（2）抽水井布置在距离隔水层尖灭区较远的地方，以减少浅层含水层中受污染的地下水大量补给深