永兴岛淡水透镜体模拟计算结果分析

将永兴岛模拟区域按50行×50列×51层进行剖分，模拟时间取50 a，Cl-初始浓度值取19 000 mg/L，输入表6.1中识别后的水文地质参数，运行Visual Modflow 4.1，即可得到永兴岛淡水透镜体模拟计算的结果。

（1）透镜体的流向分布

淡水透镜体内水的流向用流速方向表示，它能从整体上直观地反映透镜体内部水流运动的方向。降雨补给的水流由上往下流动，到达透镜体的几何边界时，部分水流继续往下流动，部分水流则往两侧流动，在侧缘甚至有向上的分量，如图6.19所示。

图6.19　第32行剖面流向分布示意图

图中的流向是第32行所在的x-z平面内，由各计算单元求得的x、z方向上的速度分量u、w，用Visual Modflow软件绘制并输出的。由于岛屿在x轴向上长1 928 m，而在z方向上求得的透镜体厚度最大仅15 m，为便于观察，绘图时纵向和垂向坐标比尺大小不同，相当于垂向上有局部放大。在下文中，有关永兴岛水头、Cl-浓度分布的示图均采用同样的方法绘制。

（2）透镜体的水头分布

永兴岛淡水透镜体的水头分布如图6.20至图6.22所示。图6.20为淡水透镜体潜水面的三维图形，图6.21为淡水透镜体的水头分布平面图，图6.22为淡水透镜体的水头分布剖面图。图中的线条为水头等值线，所有水头的单位均为m。

从淡水透镜体水头分布图6.20至图6.22可以看出，淡水透镜体的潜水面是一张中央往上突起的曲面，基本外形是中央厚、边缘薄，中央水头最大值为25.25 m，边沿最小，为25 m，由此形成了从中央指向边沿的水力坡降，使淡水持续不断地流向海洋，从而保证了淡水透镜体的存在。

图6.20　潜水面的三维视图

图6.21　第22层水头的平面分布

图6.22　第34行等水头线分布剖面

（3）透镜体的Cl-浓度分布

永兴岛模拟区域Cl-浓度分布如图6.23至图6.29所示。其中，图6.23、图6.24为浓度分布平面图，图6.25至图6.28为模拟区在行、列剖面上的浓度分布图，图中所有浓度的单位均为mg/L。图6.29为Cl-浓度600 mg/L的等值面图。Cl-浓度600 mg/L的等值面定义为淡水透镜体的几何边界。

图6.23　第6层浓度分布平面图（z＝22.75 m）

图6.24　第31层浓度分布平面（z＝10.25 m）

图6.25　第20行浓度分布剖面图

图6.26　第36行浓度分布剖面图(www.xing528.com)

图6.27　第10列浓度分布剖面图

图6.28　第32列浓度分布剖面图

图6.29　Cl-浓度600 mg/L的等值面图

Cl-浓度分布图表明：总体上，在求解域中，从下到上、从边缘到中央，Cl-浓度逐渐降低，使中央保存了一部分淡水；600 mg/L等Cl-浓度面构成了透镜体的外包络面，包络面围成的透镜体外形特征为中央厚、边缘薄，宛如一枚透镜。在各剖面浓度等值线中，600 mg/L Cl-浓度等值线厚度最大点对应了该剖面上淡水透镜体的最大厚度。由此可得到整个透镜体最大厚度为15 m。透镜体东西不对称，最大厚度向西偏移，这是由于永兴岛东边较为狭长，而西边南北宽度较大的缘故。Cl-浓度在600～19 000 mg/L的区域为过渡带。过渡带有由两边至中央呈现逐渐变薄的趋势，过渡带的最小厚度约为6.5 m，位于透镜体最大厚度处。

（4）模拟结果的验证分析

1）水头分布比较

模拟计算得到的结果，需要与实测资料进行比较，以验证其可靠性。为此，在永兴岛上选择21口观测井，用做井水水头与氯离子浓度测量，水井位置如图6.30所示。由于现场勘测受时间、气象等因素的制约，未能获得一个完整水文年的水头资料，所以，仅将模型最终稳定状态的水头值与2007年11月2日监测得到的水井水位值进行了比较，其结果见表6.5。

图6.30　观测井分布图

表6.5　淡水透镜体水头模拟值与实测值比较

由表6.5可以看出，淡水水头模拟值与实测值的误差范围为0.6%～3.9%，模拟值与实测值基本吻合。

2）浓度分布比较

实测了21口井表层水体的Cl-浓度，见表6.6。计算得到的模型第一层Cl-浓度为0～10 mg/L，模拟计算值与实测值相差较大，分析原因如下：

①模拟值是在持续补给Cl-浓度为0 mg/L的雨水的条件下计算得到的，所以，表层Cl-浓度很低。但是，淡水透镜体所处环境的实际情况是，降雨补给间断发生，并且强度不一，当没有降雨补给时，下部的Cl-有可能会扩散至抽水井内部，使得实测值高于计算值。

②现场勘测期间和之前的一段时间里，岛上因修建排水管网而频繁抽水，且强度较大，透镜体受到严重的人为干扰，而这种干扰又无法计及，致使测量得到的表层水体Cl-浓度较大，其中1、2、11、14和17号等5口井的Cl-浓度超过了600 mg/L。这5口井中前4口井靠近透镜体边缘，抽水时易受海水的影响，17号井则是抽水强度过大所致。

表6.6　水井表层氯离子浓度值

3）透镜体最大厚度比较

第3章介绍了在永兴岛上用高密度电阻率法对淡水透镜体进行了测量，得到的淡水透镜体的最大厚度为13.5 m，而由模拟计算得到的淡水透镜体最大厚度为15 m，计算值与实测值有11.1%的误差。分析原因：计算得到的厚度是生成的稳定透镜体的厚度，未考虑岛上的大量抽水的干扰，致使两者之间有较大的误差。同时，在进行数值模拟时，仅将降雨补给、流失和蒸发蒸腾等自然因素的影响归结为对降雨补给率大小的选取，这就与实测时的具体补给情况有一定差异，对于实际厚度测量时的特殊环境更是不能完全模拟，从而导致最大厚度的模拟值与实测值之间出现了较大的误差。

需要指出的是，影响淡水透镜体的因素多而复杂，且处于不断变化之中。数值模拟无法考虑全部因素的影响，特别是模拟计算涉及的透镜体补给与流失，是仅就过去一段时期的平均值而言，难以做到实时模拟。因此，模拟值与实测值之间必然出现误差，有时甚至较大。另外，水文地质参数的取值、网格的划分、计算方法的选择，也都会对计算结果带来影响，致使不同计算方案的计算结果不尽相同，因而模拟计算得到的透镜体只能是实际存在透镜体的近似淡水水体。随着计算方法的改进、模型参数取值准确性的提高和水文地质资料的齐全与完善，这种近似程度会更高。