項(xiàng)目介紹

這個(gè)模型將作為一個(gè)說明和預(yù)測的工具，同時(shí)必須足夠靈活以應(yīng)對大范圍的問題。該模型將主要用于模擬擬議的水資項(xiàng)目和運(yùn)行方案。它也被SFWMD(south florida water management district）南佛羅里達(dá)州水務(wù)局用作示范工具，確認(rèn)含水層特征、水文地質(zhì)、地層和水文參數(shù)的、生成水預(yù)算以及地下水流向圖方面所需的數(shù)據(jù)缺口，從而更好的理解地表水和地下水系統(tǒng)。此外，由于收集數(shù)據(jù)的廣泛性及與模型開發(fā)相關(guān)的質(zhì)量保證和控制工作，數(shù)據(jù)集可用于各種目的，包括填充各類數(shù)據(jù)庫并根據(jù)佛羅里達(dá)州的公眾檔案向公眾提供信息。

該模型的開發(fā)是為了支持東海岸南部亞區(qū)域現(xiàn)有的和未來的幾個(gè)項(xiàng)目。在設(shè)計(jì)這個(gè)數(shù)值模型時(shí)，考慮到以下幾個(gè)方面：評估水的可用水量、評估自然區(qū)域或現(xiàn)有合法水用途的累計(jì)井田效應(yīng)(cumulative wellfield impacts）、水位上升影響防洪的可能性、缺水頻率和嚴(yán)重性。

供水管理者（water supply managers）在評估城市和農(nóng)業(yè)用水時(shí)，必須確保當(dāng)前和未來的合理有益用途，同時(shí)保護(hù)和恢復(fù)環(huán)境資源和水資源�？紤]到這些因素以及含水層和排水系統(tǒng)的復(fù)雜性，該模型必須充分代表水平和豎直含水層的非均質(zhì)性和水渠的水力特性。

a.概念模型

該區(qū)域的地表含水層系統(tǒng)(Surficial Aquifer System,SAS)，包括比斯坎含水層(Biscayne aquifer)，沿海的灰色石灰?guī)r含水層(Gray Limestone Aquifer）和水位含水層（Water Table Aquifer）共同形成一個(gè)物理邊界。該地為一個(gè)含水層與半蓄水層結(jié)合的含水層系統(tǒng)，同時(shí)包括從地表到粘土的所有飽和沉積物和不透水的霍索恩層(Hawthorn Group）。圖1顯示了佛羅里達(dá)東南部地表含水層系統(tǒng)（SAS）的地質(zhì)剖面。表1列出了研究區(qū)域中遇到的巖性單元。圖2顯示了該模型（LECsR model）內(nèi)和附近的自然地理區(qū)域（physiographic regions）。構(gòu)成表層含水層系統(tǒng)和比斯坎含水層的沉積物，是更新世至中新世時(shí)期的主要海相碳酸鹽（marine carbonate）和彈性沉積物（elastic sediments）。

資料來源：改編自Reese和Cunningham 2000; 珀金斯1977

圖2 東海岸南部子區(qū)域模型中的地形區(qū)域

含水層以基于導(dǎo)水率、單位出水量和水力梯度的速率傳輸水。在研究區(qū)域內(nèi)，有三種類型的數(shù)據(jù)用于確定導(dǎo)水率和含水層厚度。它們是具有連續(xù)巖心的地質(zhì)控制井（geologic control wells with continuous cores）、含水層抽水試驗(yàn)（Aquifer Pump Tests）和對現(xiàn)抽水井（production wells）的特定容量測試（specific capacity tests）。用于估算導(dǎo)水率的三種數(shù)據(jù)類型的位置如圖3 所示。

圖3 用于估算水力傳導(dǎo)率的控制點(diǎn)位置

b.氣候和土地利用

該研究區(qū)屬熱帶至亞熱帶氣候，最高溫度很少超過100華氏度，最低溫度很少低于冰點(diǎn)。佛羅里達(dá)州的相對濕度通常全年超過50%。降雨站(rainfall station)和溫度站(temperature station圖4)根據(jù)研究區(qū)域的記錄周期、數(shù)據(jù)質(zhì)量和空間分布來選擇，同時(shí)用于確定模型中的補(bǔ)給（recharge）和參照散量（reference evaporation）。從1965到2000年，年平均降雨量為54%。圖5顯示了1965年至2000年的月平均降雨量。蒸發(fā)蒸騰量代表系統(tǒng)中最大的水分流失，并且基于簡單方法(Simple Method, Abtew，1996）從氣象站數(shù)據(jù)得出了一組區(qū)域性參照蒸發(fā)蒸騰數(shù)據(jù)集。圖6顯示了參考蒸發(fā)蒸騰量的月度分布。通常來講，參考蒸發(fā)蒸騰量遵循太陽輻射曲線。

c.地表水特征

模型區(qū)域內(nèi)的地表水包括奧基喬比湖（Okeechobee lake），眾多小湖泊，滯留池，石灰?guī)r采礦坑，一個(gè)大型濕地生態(tài)系統(tǒng)（Everglades），許多小型濕地系統(tǒng)，以原生態(tài)（wild）和風(fēng)景著稱的羅哥哈切河（Loxahatchee river）及其支流，大量運(yùn)河，沿海河口，包括lake worth海灣湖，比斯坎灣、佛羅里達(dá)灣及大西洋。在SFWMD中有三種類型的運(yùn)河系統(tǒng)（或稱為網(wǎng)絡(luò)）。一級運(yùn)河由運(yùn)河及天然河道組成，為整個(gè)流域流入海洋或主要內(nèi)陸水體提供最終運(yùn)輸。二級河道（如排水和水控區(qū)運(yùn)河(water control district canals))通常設(shè)計(jì)為控制地表水和地下水的高度，并保持人工開發(fā)地區(qū)徑流量在開發(fā)前的數(shù)量和質(zhì)量。三級運(yùn)河包括洼地、溝渠和滯留池，三級運(yùn)河設(shè)計(jì)用途為排除該地區(qū)內(nèi)的洪水，同時(shí)也為農(nóng)業(yè)作業(yè)提供灌溉。圖7顯示了由于不同的執(zhí)行規(guī)范，整個(gè)研究區(qū)域主要河道和二級河道系統(tǒng)的空間變化。

在研究區(qū)域范圍內(nèi)，從南佛羅里達(dá)州水務(wù)局?jǐn)?shù)據(jù)庫(the South Florida Water Management District data base)中估算了公共供水，工業(yè)用水（包括發(fā)電廠），園林綠化和農(nóng)業(yè)用途的地下水和地表水取水量。該地區(qū)最大的兩類用水是農(nóng)業(yè)和公共供水，占整個(gè)需求的約三分之二。圖8顯示了研究區(qū)域內(nèi)1994年的用水情況。圖9顯示了佛羅里達(dá)州東南部的公共供水井，將這些連同南佛羅里達(dá)州水務(wù)局?jǐn)?shù)據(jù)庫內(nèi)記錄的泵送量映射到模型中。

利用沉積物暴露在空氣的表面年代底層對比，這些沉積物因佛羅里達(dá)半島的周期性浸沒和出露而導(dǎo)致的海平面波動(dòng)而產(chǎn)生，該模型因此劃分為三層。

模型區(qū)域和校準(zhǔn)

b.模型設(shè)計(jì)

c.邊界和初始條件

為了最大限度地減少模型模擬中的誤差，遵循兩個(gè)原則來定義邊界的類型和位置：1）觀察到的物理系統(tǒng)決定了所采用的邊界條件的類型；2）在可能的情況下，模型邊界設(shè)在距離研究區(qū)域很遠(yuǎn)的位置以減小邊界條件對模擬結(jié)果的影響。這也成為所有模型層中都應(yīng)用通用水頭邊界（general head boundary）的原因（除了無水流非激活單元格），如圖10所示。

圖10 活動(dòng)模型區(qū)域和總水頭界限站的位置（Location of Active Model Area andGeneral Head Boundary Stations）

通過應(yīng)用偽穩(wěn)態(tài)條件改善初始條件。偽穩(wěn)態(tài)運(yùn)行是在一段時(shí)間內(nèi)重復(fù)（每日）應(yīng)力期來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件的運(yùn)行。

d.模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

該模型在1986年1月至1999年9月的14年內(nèi)，對時(shí)間步長和應(yīng)力期進(jìn)行了校準(zhǔn)。校準(zhǔn)主要通過調(diào)整預(yù)先指定范圍內(nèi)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，使計(jì)算出的水位和流量結(jié)構(gòu)更好地匹配歷史記錄。校準(zhǔn)中使用了其上有連續(xù)記錄器，總數(shù)為195的觀測井。通用水頭邊界(general head boundary)的導(dǎo)水率，河流和排水渠的導(dǎo)水率，濕地的單位出水量，濕地的導(dǎo)水率和補(bǔ)給率在預(yù)先規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)整。該模型主要校準(zhǔn)到歷史記錄觀測水頭(observed heads），總平均誤差為0.0英尺，平均絕對誤差為0.54英尺，均方根誤差為0.72英尺。圖11顯示了模型校準(zhǔn)后觀察井和模擬水位的平均誤差。

圖11 模型校準(zhǔn)運(yùn)行期間觀察站點(diǎn)平均每日水位的平均誤差

校準(zhǔn)結(jié)果表明在模型域的大多數(shù)區(qū)域中觀察到的和測量的水位之間的匹配合理。該模型于1999年9月至2000年12月進(jìn)行了驗(yàn)證，并產(chǎn)生了與校準(zhǔn)期相似的結(jié)果。該模型的水量平衡表明，系統(tǒng)的主要流入來源于含水層的補(bǔ)給，主要的流出來源為蒸發(fā)蒸騰和排水渠排水。

模型的限制和應(yīng)用

本報(bào)告中開發(fā)的佛羅里達(dá)州東海岸下游區(qū)域流量模型基于復(fù)雜多相的地下水水流系統(tǒng)的簡化表示。用于求解流動(dòng)系統(tǒng)的控制方程是從包含達(dá)西定律的質(zhì)量平衡原理導(dǎo)出的連續(xù)性方程。該等式假設(shè)層流中的流動(dòng)沒有達(dá)到湍流條件，這個(gè)假設(shè)研究區(qū)域內(nèi)，除了比斯坎含水層中的一些主要生產(chǎn)井附近的流動(dòng)之外的地下水系統(tǒng)是正確的。模型開發(fā)中使用的地形處于不斷更新、修改、添加和更改的狀態(tài)。與地形相關(guān)的誤差主要影響模型中濕地系統(tǒng)所覆蓋的區(qū)域。

盡管有這些限制，該模型仍可以提供對研究區(qū)域水流動(dòng)的理解�？紤]到模擬期間長期日常校準(zhǔn)和驗(yàn)證周期，可證明該模型非常穩(wěn)健。校準(zhǔn)期包括100年一遇的干旱和100年一遇的降水事件，該模型未對這些極端事件產(chǎn)生負(fù)向反應(yīng)。LECsR模型概念化和離散化是在子區(qū)域或流域?qū)用嬖O(shè)計(jì)的。因此，該模型應(yīng)用于區(qū)域到子區(qū)域（regional to subregional）或流域?qū)用娴捻?xiàng)目時(shí)，其預(yù)測結(jié)果范圍也是區(qū)域至子區(qū)域的標(biāo)度。此外，該模型提供了濕地系統(tǒng)內(nèi)因井場抽水與地表/地下水相互作用產(chǎn)生的水位下降的合理估算。