锦州大小凌河扇地下水模型边界处理探讨

　　摘要：根据大、小凌河扇地的自然地理概况和区域地质地貌特点，对锦州大小凌河扇进行分析，探讨其地下水模型边界的处理方法，对地下水模拟具有一定的参考意义。

　　关键词：大小凌河扇；地下水；模型；边界条件；处理；辽宁锦州

　　随着计算机技术的高度发展和数值模拟技术的不断完善，计算机数值模拟技术已经广泛地应用于水文地质学。近年来一批技术成熟的模型软件得以在地下水项目中应用，并以其良好的前后处理功能，使得模型软件更快普及[1-2]。目前比较流行的地下水数值模拟软件有：Mike She、GMS、Visual Modflow、Feflow、Pwin、 Groundwater Vistas等[3-4]。

　　1边界条件概述

　　模型设计中正确选择边界条件是极其关键的一步，稳定流模拟中，边界条件基本决定了水流的类型。非稳定流模拟中，水位下降浓度变化影响到边界时，边界条件会影响到模拟的解，边界条件不合适将会导致模拟结果出现错误。

　　边界条件有3种形式：①给定水头边界，也称第一类边界条件或Dirichlet条件，即研究区某一部分边界上个点在每一时刻水头已知。②给定流量边界，也称第二类边界条件或Neumann条件，即某一部分边界上单位面积上流量已知。③混合边界条件，也称第三类边界条件。

　　2区域概况

　　2.1自然地理概况

　　大、小凌河扇地是辽宁省西部地下水最丰富的地区，也是水文地质条件较为复杂的地区。研究区范围见图1。区域内有大凌河、小凌河2条河流。大凌河发源于凌源县打鹿沟，经大凌河镇，右屯卫入辽东湾，区内长度62 km。2000年以来年平均径流量9.73亿m3。小凌河发源于朝阳县助安喀拉山，经门家窝铺，集中在何屯南注入辽东湾，区内长度41 km。多年平均径流量3.87亿m3。

　　2.2地质地貌

　　该区位于下辽河平原西南部，为大凌河、小凌河及渤海辽东湾沉积而成的冲洪积、冲海积平原，地势广阔、平坦，西北高、东南低。大、小凌河扇地主要由大、小凌河冲洪积物和滨海的冲海积物堆积而成。不仅分布面积广、厚度大，而且岩相变化大，成因类型复杂，层位齐全。总观第四系沉积物岩性，以粗粒沉积为主，多为砂砾石、砂砾卵石，掩伏于地表细粒沉积之下。

　　其变化如下，水平方向上，北部大、小凌河扇顶区砂砾卵石粒径大，厚度也大，向东南、南至扇的前缘和滨海平原粒径和厚度逐渐减小[5]。东西方向变化不十分明显。垂直方向上，下粗上细。中下部均为砂砾石、砂砾卵石。上部为砂、亚砂土、亚黏土或互层。地表出露岩性，除河床为砂砾石外，皆为细粒的粉细砂、亚砂土、亚黏土。

　　2.3水文地质条件

　　河流由山区流入平原后，水力减弱，所携带的粗颗粒物质在山前地带大量沉积下来，形成粒度粗、厚度较大的沉积物，为地下水的赋存提供了极好场所。加之表层多为砂性土，黏性土断续分布，未形成较厚的隔水层，有利于大气降水、河流、渠道渗入补给。此外，西部山区地表水流和基岩地下水多排泄于山前堆积物中，故在山前地带形成极强富水带。沿着沉积方向，粒度变细，层次增多，补给条件变差，富水性逐渐减弱。在两扇的左右两翼近山前地带，因含水层厚度变小，富水性较差。

　　西北山前平原的后缘大凌河扇地的顶部及小凌河扇地及两扇扇间地带，主要为冲洪积砂砾石、砾卵石、富水均匀水量极丰富的潜水—微承压水含水层，上部覆盖着亚黏土、亚砂土夹砂层，厚度3～10 m，下伏基岩为太古—元古代混合岩、混合花岗岩、石英岩及第三系泥岩、砂砾岩。山前为潜水，向南东逐渐变为微承压水。

　　大凌河扇的中部，主要为冲洪积砂砾石、砾卵石、富水均匀水量丰富至极丰富的浅层承压水，表层覆盖岩性为黏性土，厚10～25 m，构成浅层承压水顶板。底板埋深40～75 m。由西北向东南倾斜，呈单斜结构。

　　大凌河扇地前缘及东翼一带，颗粒变细为砂砾石夹砂层，富水性变弱[6]。

　　3研究区边界的处理

　　3.1AB边界

　　外边界为山丘区，由于下辽河平原第三系形成断陷盆地，之后的第四系坳陷，使得山区平原交界处裂隙水不明显，因此可以认为是隔水的。但是由于靠大、小凌河扇一侧的山区有汇水，还是会有一部分侧向补给，因此这部分山区汇水可以作为研究区的侧向补给量，因此以此边界作为定流量边界。

　　3.2BC、AE边界

　　BC、AE边界分别为大、小凌河，由于大小凌河扇扇区地层由冲洪积砂砾石、砾卵石组成，渗透系数很大，大小凌河与扇区地下水有明显的交换，因此这2个边界可以作为定水位边界处理。

　　3.3CD边界

　　CD边界是大小凌河扇与海之间的咸淡水分界面，可以作为零流量边界。尽量不要用海水位作为定水位边界，因为海水位受潮汐影响，很难用一个固定水位值作为边界条件的水位值，而且潮汐水位观测基本上观测的是潮汐的最高与最低水位值，如何来概化海水水位合理很难确定。而咸淡水分界面是零流量的，相对而言水比较稳定。

　　3.4DE边界

　　大小凌河扇的外缘也是9 m地下水埋深等值线，主要以细沙泥土夹层为主，地下水运动明显迟缓，可以作为定水头边界。虽然是人为边界，但是由于处于冲击扇外缘，渗透系数很小，为0.2 m/d，而且经过多年地下水水位动态资料观察，边界处地下水水位稳定，如果附近没有新增加大的取水设施，边界是稳定的，可以作为第一类边界处理。

　　3.5下边界

　　根据大小凌河扇水文地质情况，第四系上更新统（Q1）顶部有1层完整的黏土夹层，厚度3～5 m，成为一个稳定的隔水层，可以作为模型的下边界。

　　4结语

　　随着数值模拟技术的发展，模型越来越广泛的应用，边界条件的概化是影响模型精度的关键步骤。笔者通过对锦州大、小凌河扇水源开采区水文地质条件的分析，探讨确定模拟边界条件的概化方法。边界选取的稳定性是首要目标，用于预测未来水资源状况的模型，最好要用天然边界。临海的边界尽量选用咸淡水交界面作为零流量边界，海水位作为定水头边界，有待商榷。

　　5参考文献
[1] 张洪霞，宋文.地下水数值模拟的研究现状与展望[J].水利科技与经济，2007，13（11）：794-796.

　　[2] 郭晓东，田辉，张梅桂，等.我国地下水数值模拟软件应用进展[J].地下水，2010，32（4）：5-7.

　　[3] 封丽华，向永，潘孔钊.Visual Modflow建模应用与探讨——水文地质与水资源评价标准化数值模拟软件交流[J].新疆地质，2004，22（3）：275-277.

　　[4] 徐艳杰，常利武，黄会平.FEFLOW在地下水数值模拟中的应用[J].华北水利水电学院学报，2009（2）：73-76.

　　[5] 杨虹.锦州市大、小凌河扇地水源地下水环境质量评价与污染趋势预测分析[J].辽宁城乡环境科技，2004，24（2）：40-42.

　　[6] 胡兵，于志恒.锦州市地表水环境质量状况调查与分析[J].环境保护与循环经济，2010（3）：69-70.