焦点提醒：国际案例｜佛罗里达州若何操纵MODFLOW治理地下水资本 案例亮点基在MODFLOW开辟的数值模子，可以或许摹拟地表含水层系统的各类水文进程和彼此感化，为供水计划和阐发供给了具体的数据撑持。经由过程利用不雅测井和模子校准，该模子供给了对地下水活动的正确估量，能够用在猜测分歧用处下的水资本需求。该模子斟酌了地表含水层系统的非均质性和沟渠的水力特征，可以或许充实代表程度和竖直含水层的复杂性，并供给正确的水位和流量布局。 本案例引见了美国佛罗里达州东海岸下流区的水资本治理项目。该项目操纵区域性或高分辩率的数值模子来猜测将来的用水需求，并供给供水计划和阐发。该项目利用MODFLOW开辟了一个数值模子，用在摹拟地表含水层系统的地下水流、湿地水文周期、输水、运河-含水层彼此感化等。该模子首要用在摹拟水资本项目和运转方案，并为供水治理者评估城市和农业用水供给撑持。 该项目标数值模子为佛罗里达州东海岸下流区的水资本治理供给了无力的东西和数据撑持，获得了以下成效： 总之，该水资本治理项目标数值模子为佛罗里达州东海岸下流区的水资本治理供给了主要的撑持和指点，对实现公道用水和情况庇护具有主要意义。同时，该模子的开辟方式和利用经验也为其他地域的水资本治理供给了鉴戒和参考。 布景 多年来，美国佛罗里达州的东海岸下流区采取区域性或高分辩率的区域数值模子，对城市、农业和恢复项目标将来用水需求进行供水计划阐发。该项目是用MODFLOW开辟一个数值模子，使得该模子可以或许摹拟地表含水层系统(Surficial Aquifer System,SAS）的地下水流、湿地水文周期、输水、运河-含水层彼此感化，同时起到治理佛罗里达东海岸下流区地域的水资本的感化。 项目引见 这个模子将作为一个申明和猜测的东西，同时必需足够矫捷以应对年夜规模的问题。该模子将首要用在摹拟拟议的水资项目和运转方案。它也被SFWMD(south florida water management district）南佛罗里达州水务局用作示范东西，确认含水层特点、水文地质、地层和水文参数的、生成水预算和地下水流向图方面所需的数据缺口，从而更好的理解地表水和地下水系统。另外，因为搜集数据的普遍性和与模子开辟相干的质量包管和节制工作，数据集可用在各类目标，包罗填充各类数据库并按照佛罗里达州的公家档案向公家供给消息。 该模子的开辟是为了撑持东海岸南部亚区域现有的和将来的几个项目。在设想这个数值模子时，斟酌到以下几个方面：评估水的可用水量、评估天然区域或现有正当水用处的累计井田效应(cumulative wellfield impacts）、水位上升影响防洪的可能性、缺水频次和严峻性。 供水治理者（water supply managers）在评估城市和农业用水时，必需确保当前和将来的公道无益用处，同时庇护和恢复情况资本和水资本。斟酌到这些身分和含水层和排水系统的复杂性，该模子必需充实代表程度和竖直含水层的非均质性和沟渠的水力特征。 a.概念模子 南佛罗里达州的水文地层学和水文地质学 该区域的地表含水层系统(Surficial Aquifer System,SAS)，包罗比斯坎含水层(Biscayne aquifer)，沿海的灰色石灰岩含水层(Gray Limestone Aquifer）和水位含水层（Water Table Aquifer）配合构成一个物理鸿沟。该地为一个含水层与半蓄水层连系的含水层系统，同时包罗从地表到黏土的所有饱和堆积物和不透水的霍索恩层(Hawthorn Group）。图1显示了佛罗里达东南部地表含水层系统（SAS）的地质剖面。表1列出了研究区域中碰到的岩性单位。图2显示了该模子（LECsR model）内和四周的天然地舆区域（physiographic regions）。组成表层含水层系统和比斯坎含水层的堆积物，是更新世至中新世期间的首要海相碳酸盐（marine carbonate）和弹性堆积物（elastic sediments）。 图1 佛罗里达州东南部地表含水层系统的地质剖面图 材料来历：改编自Reese和Cunningham 2000; 珀金斯1977 图2 东海岸南部子区域模子中的地形区域 含水层以基在导水率、单元出水量和水力梯度的速度传输水。在研究区域内，有三品种型的数据用在肯定导水率和含水层厚度。它们是具有持续岩心的地质节制井（geologic control wells with continuous cores）、含水层抽水实验（Aquifer Pump Tests）和对现抽水井（production wells）的特定容量测试（specific capacity tests）。用在估算导水率的三种数据类型的位置如图3 所示。 图3 用在估算水力传导率的节制点位置 b.天气和地盘操纵 该研究区属热带至亚热带天气，最高温度很少跨越100华氏度，最低温度很少低在冰点。佛罗里达州的相对湿度凡是全年跨越50%。降雨站(rainfall station)和温度站(temperature station图4)按照研究区域的记实周期、数据质量和空间散布来选择，同时用在肯定模子中的补给（recharge）和参照散量（reference evaporation）。从1965到2000年，年平均降雨量为54%。图5显示了1965年至2000年的月平均降雨量。蒸发蒸腾量代表系统中最年夜的水份流掉，而且基在简单方式(Simple Method, Abtew，1996）从景象形象站数据得出了一组区域性参照蒸发蒸腾数据集。图6显示了参考蒸发蒸腾量的月度散布。凡是来说，参考蒸发蒸腾量遵守太阳辐射曲线。 图4 降雨站和温度站的位置 图5 1965-2000年代平均降雨量 图6 按月计较的1965-2000年平均蒸发蒸腾量 地盘操纵利用了1995年的数据进行总结归纳综合。表2显示了部门聚合的3级分类，湿地几近笼盖了该区域的一半，包罗了年夜型广漠的年夜池沼地（Everglades）。 表2 研究区域按地盘操纵类型占总面积的百分比 c.地表水特点 模子区域内的地表水包罗奥基乔比湖（Okeechobee lake），浩繁小湖泊，滞留池，石灰岩采矿坑，一个年夜型湿地生态系统（Everglades），很多小型湿地系统，以原生态（wild）和风光著称的罗哥哈切河（Loxahatchee river）和其主流，年夜量运河，沿海河口，包罗lake worth海湾湖，比斯坎湾、佛罗里达湾和年夜西洋。在SFWMD中有三品种型的运河系统（或称为收集）。一级运河由运河和自然河流构成，为全部流域流入海洋或首要内陆水体供给终究运输。二级河流（如排水和水控区运河(water control district canals))凡是设想为节制地表水和地下水的高度，并连结人工开辟地域径流量在开辟前的数目和质量。三级运河包罗凹地、水沟和滞留池，三级运河设想用处为解除该地域内的洪水，同时也����APP为农业功课供给浇灌。图7显示了因为分歧的履行规范，全部研究区域首要河流和二级河流系统的空间转变。 图7 一级，二级和某些三级系统中节制程度的空间转变 d.水资本操纵 在研究区域规模内，从南佛罗里达州水务局数据库(the South Florida Water Management District data base)中估算了公共供水，工业用水（包罗发电厂），园林绿化和农业用处的地下水和地表水取水量。该地域最年夜的两类用水是农业和公共供水，占全部需求的约三分之二。图8显示了研究区域内1994年的用水环境。图9显示了佛罗里达州东南部的公共供水井，将这些连同南佛罗里达州水务局数据库内记实的泵送量映照到模子中。 图8 用水份布图 图9 南佛罗里达州公共供水井 操纵堆积物表露在空气的概况年月底层对照，这些堆积物因佛罗里达半岛的周期性淹没和出露而致使的海平面波动而发生，该模子是以划分为三层。 模子区域和校准 a.模块代码 LECsR是用美国地质查询拜访局（U.S.G.S.）建立的MODFLOW代码开辟。MODFLOW模子代码由一个主法式和一系列被称为模块的自力子法式构成。这些模块已被分组到包(package)中，每一个包都处置特定的水文过状态处理方案算法。这些包的内容有根基和输出节制（BAS或OC），以块为中间的流量（BCF），补给（RCH），蒸发蒸腾（EVT），河道（RIV），排水（DRN），分水（DIV），再灌水排水（RDF），程度活动妨碍（HFB），湿地（WTL），通用水头鸿沟（GHB），井/多井(WEL)，触发(TRG)，强隐式法式(SIP)，预处置共轭梯度（PCG)等。这些包被用在LECsR模子的开辟和利用，包罗由SFWMD员工和承包开辟商开辟或完美。 b.模子设想 LECsR涵盖年夜约7500平方英里。选择704英尺×704英尺的网格间距以婚配SFWMD区域模子，该网格可用在为未来的摹拟供给内部鸿沟前提。1033行乘408列使每层发生421,464个单位格的完全网格。LECsR模子包括三层，包罗全部表层含水层系统（SAS），能够很好地暗示含水层系统内的水文地质区域和运河和水井的部门渗入。选择一天作为时候离散的单元，月均泵送速度用来生成瞬态模子的日抽水量。 c.鸿沟和初始前提 为了最年夜限度地削减模子摹拟中的误差，遵守两个准绳来界说鸿沟的类型和位置：1）不雅察到的物理系统决议了所采取的鸿沟前提的类型；2）在可能的环境下，模子鸿沟设在距离研究区域很远的位置以减小鸿沟前提对摹拟成果的影响。这同样成为所有模子层中都利用通用水头鸿沟（general head boundary）的缘由（除无水流非激活单位格），如图10所示。 图10 勾当模子区域和总水头边界站的位置（Location of Active Model Area andGeneral Head Boundary Stations） 经由过程利用伪稳态前提改良初始前提。伪稳态运转是在一段时候内反复（逐日）应力期来实现稳态前提的运转。 d.模子校准和验证 该模子在1986年1月至1999年9月的14年内，对时候步长和应力期进行了校准。校准首要经由过程调剂事后指定规模内的参数来实现，使计较出的水位和流量布局更好地婚配汗青记实。校准中利用了其上有持续记实器，总数为195的不雅测井。通用水头鸿沟(general head boundary)的导水率，河道和排沟渠的导水率，湿地的单元出水量，湿地的导水率和补给率在事后划定的规模内调剂。该模子首要校准到汗青记实不雅测水头(observed heads），总平均误差为0.0英尺，平均绝对误差为0.54英尺，均方根误差为0.72英尺。图11显示了模子校准后不雅察井和摹拟水位的平均误差。 图11 模子校准运转时代不雅察站点平均逐日水位的平均误差 校准成果注解在模子域的年夜大都区域中不雅察到的和丈量的水位之间的婚配公道。该模子在1999年9月至2000年12月进行了验证，并发生了与校如期类似的成果。该模子的水量均衡注解，系统的首要流入来历在含水层的补给，首要的流出来历为蒸发蒸腾和排沟渠排水。 模子的限制和利用 本陈述中开辟的佛罗里达州东海岸下流区域流量模子基在复杂多相的地下水水流系统的简化暗示。用在求解活动系统的节制方程是从包括达西定律的质量均衡道理导出的持续性方程。该等式假定层流中的活动没有到达湍流前提，这个假定研究区域内，除比斯坎含水层中的一些首要出产井四周的活动以外的地下水系统是准确的。模子开辟中利用的地形处在不竭更新、点窜、添加和更改的状况。与地形相干的误差首要影响模子中湿地系统所笼盖的区域。 虽然有这些限制，该模子仍能够供给对研究区域水活动的理解。斟酌到摹拟时代持久平常校准和验证周期，可证实该模子很是稳健。校如期包罗100年一遇的干旱和100年一遇的降水事务，该模子未对这些极端事务发生负向反映。LECsR模子概念化和离散化是在子区域或流域层面设想的。是以，该模子利用在区域到子区域（regional to subregional）或流域层面的项目时，其猜测成果规模也是区域至子区域的标度。另外，该模子供给了湿地系统内因井场抽水与地表/地下水彼此感化发生的水位降落的公道估算。 作者：王思雪 Hydrogeologist - Stantec 处置泥土地下水数值模子工作，首要标的目的为矿区与市政用处的非饱和土层与饱和层的地下水和污染物运移数值摹拟与猜测
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