项目介绍

这个模型将作为一个说明和预测的工具，同时必须足够灵活以应对大范围的问题。该模型将主要用于模拟拟议的水资项目和运行方案。它也被SFWMD(south florida water management district）南佛罗里达州水务局用作示范工具，确认含水层特征、水文地质、地层和水文参数的、生成水预算以及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。此外，由于收集数据的广泛性及与模型开发相关的质量保证和控制工作，数据集可用于各种目的，包括填充各类数据库并根据佛罗里达州的公众档案向公众提供信息。

该模型的开发是为了支持东海岸南部亚区域现有的和未来的几个项目。在设计这个数值模型时，考虑到以下几个方面：评估水的可用水量、评估自然区域或现有合法水用途的累计井田效应(cumulative wellfield impacts）、水位上升影响防洪的可能性、缺水频率和严重性。

供水管理者（water supply managers）在评估城市和农业用水时，必须确保当前和未来的合理有益用途，同时保护和恢复环境资源和水资源。考虑到这些因素以及含水层和排水系统的复杂性，该模型必须充分代表水平和竖直含水层的非均质性和水渠的水力特性。

a.概念模型

该区域的地表含水层系统(Surficial Aquifer System,SAS)，包括比斯坎含水层(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）共同形成一个物理边界。该地为一个含水层与半蓄水层结合的含水层系统，同时包括从地表到粘土的所有饱和沉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列出了研究区域中遇到的岩性单元。图2显示了该模型（LECsR model）内和附近的自然地理区域（physiographic regions）。构成表层含水层系统和比斯坎含水层的沉积物，是更新世至中新世时期的主要海相碳酸盐（marine carbonate）和弹性沉积物（elastic sediments）。

资料来源：改编自Reese和Cunningham 2000; 珀金斯1977

图2 东海岸南部子区域模型中的地形区域

含水层以基于导水率、单位出水量和水力梯度的速率传输水。在研究区域内，有三种类型的数据用于确定导水率和含水层厚度。它们是具有连续岩心的地质控制井（geologic control wells with continuous cores）、含水层抽水试验（Aquifer Pump Tests）和对现抽水井（production wells）的特定容量测试（specific capacity tests）。用于估算导水率的三种数据类型的位置如图3 所示。

图3 用于估算水力传导率的控制点位置

b.气候和土地利用

该研究区属热带至亚热带气候，最高温度很少超过100华氏度，最低温度很少低于冰点。佛罗里达州的相对湿度通常全年超过50%。降雨站(rainfall station)和温度站(temperature station图4)根据研究区域的记录周期、数据质量和空间分布来选择，同时用于确定模型中的补给（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大的水分流失，并且基于简单方法(Simple Method, Abtew，1996）从气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分布。通常来讲，参考蒸发蒸腾量遵循太阳辐射曲线。

c.地表水特征

模型区域内的地表水包括奥基乔比湖（Okeechobee lake），众多小湖泊，滞留池，石灰岩采矿坑，一个大型湿地生态系统（Everglades），许多小型湿地系统，以原生态（wild）和风景著称的罗哥哈切河（Loxahatchee river）及其支流，大量运河，沿海河口，包括lake worth海湾湖，比斯坎湾、佛罗里达湾及大西洋。在SFWMD中有三种类型的运河系统（或称为网络）。一级运河由运河及天然河道组成，为整个流域流入海洋或主要内陆水体提供最终运输。二级河道（如排水和水控区运河(water control district canals))通常设计为控制地表水和地下水的高度，并保持人工开发地区径流量在开发前的数量和质量。三级运河包括洼地、沟渠和滞留池，三级运河设计用途为排除该地区内的洪水，同时也为农业作业提供灌溉。图7显示了由于不同的执行规范，整个研究区域主要河道和二级河道系统的空间变化。

在研究区域范围内，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（包括发电厂），园林绿化和农业用途的地下水和地表水取水量。该地区最大的两类用水是农业和公共供水，占整个需求的约三分之二。图8显示了研究区域内1994年的用水情况。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录的泵送量映射到模型中。

利用沉积物暴露在空气的表面年代底层对比，这些沉积物因佛罗里达半岛的周期性浸没和出露而导致的海平面波动而产生，该模型因此划分为三层。

模型区域和校准

b.模型设计

c.边界和初始条件

为了最大限度地减少模型模拟中的误差，遵循两个原则来定义边界的类型和位置：1）观察到的物理系统决定了所采用的边界条件的类型；2）在可能的情况下，模型边界设在距离研究区域很远的位置以减小边界条件对模拟结果的影响。这也成为所有模型层中都应用通用水头边界（general head boundary）的原因（除了无水流非激活单元格），如图10所示。

图10 活动模型区域和总水头界限站的位置（Location of Active Model Area andGeneral Head Boundary Stations）

通过应用伪稳态条件改善初始条件。伪稳态运行是在一段时间内重复（每日）应力期来实现稳态条件的运行。

d.模型校准和验证

该模型在1986年1月至1999年9月的14年内，对时间步长和应力期进行了校准。校准主要通过调整预先指定范围内的参数来实现，使计算出的水位和流量结构更好地匹配历史记录。校准中使用了其上有连续记录器，总数为195的观测井。通用水头边界(general head boundary)的导水率，河流和排水渠的导水率，湿地的单位出水量，湿地的导水率和补给率在预先规定的范围内调整。该模型主要校准到历史记录观测水头(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显示了模型校准后观察井和模拟水位的平均误差。

图11 模型校准运行期间观察站点平均每日水位的平均误差

校准结果表明在模型域的大多数区域中观察到的和测量的水位之间的匹配合理。该模型于1999年9月至2000年12月进行了验证，并产生了与校准期相似的结果。该模型的水量平衡表明，系统的主要流入来源于含水层的补给，主要的流出来源为蒸发蒸腾和排水渠排水。

模型的限制和应用

本报告中开发的佛罗里达州东海岸下游区域流量模型基于复杂多相的地下水水流系统的简化表示。用于求解流动系统的控制方程是从包含达西定律的质量平衡原理导出的连续性方程。该等式假设层流中的流动没有达到湍流条件，这个假设研究区域内，除了比斯坎含水层中的一些主要生产井附近的流动之外的地下水系统是正确的。模型开发中使用的地形处于不断更新、修改、添加和更改的状态。与地形相关的误差主要影响模型中湿地系统所覆盖的区域。

尽管有这些限制，该模型仍可以提供对研究区域水流动的理解。考虑到模拟期间长期日常校准和验证周期，可证明该模型非常稳健。校准期包括100年一遇的干旱和100年一遇的降水事件，该模型未对这些极端事件产生负向反应。LECsR模型概念化和离散化是在子区域或流域层面设计的。因此，该模型应用于区域到子区域（regional to subregional）或流域层面的项目时，其预测结果范围也是区域至子区域的标度。此外，该模型提供了湿地系统内因井场抽水与地表/地下水相互作用产生的水位下降的合理估算。