宋壽鵬,楊 濤,康衛(wèi)東

(1.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092;2.石家莊經濟學院,石家莊050031;3.西北大學 地質學系,西安710029)

靖邊縣地處陜北黃土高原北部與毛烏素沙漠南緣過渡地帶[1],境內石油、天然氣礦產資源十分豐富,是國家能源重化工榆林基地的重要組成部分。四柏樹水源地和煉油廠水源地是縣內主要的供水水源,且兩者處于同一水文地質單元,地下水聯(lián)系比較緊密。在兩水源地已開展的地水文地質研究工作中,往往只研究單一水源地,而忽略兩水源地間的相互影響[2]。

本次工作依托前人的水文地質成果[2],建立聯(lián)合兩水源地的區(qū)域地下水流模型,模擬不同開采條件,以期查明兩水源地間的相互聯(lián)系與影響,這對區(qū)域水資源的開發(fā)及生態(tài)環(huán)境的保護具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

靖邊縣境內的四柏樹水源地和煉油廠水源地分別位于蘆河的北南兩側,相距約6 km,屬干旱-半干旱內陸性季風氣候區(qū),多年平均降水量396.1 mm,降水量年際間呈豐、平、枯交替的周期性變化規(guī)律,6-9月降水約占全年降水量的71%,且多以暴雨形式降落。

研究區(qū)地處祁-呂-賀山字型構造體系伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶-陜甘寧盆地的復合部位的北部,為一向西緩傾的單斜構造,地層有老到新依次為：侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)洛河組(K1L)、環(huán)河組(K1h)、第三系上新統(tǒng)泥巖(N2)和第四系地層(Q)。

2 三維地下水流數(shù)值模擬

2.1 水文地質概念模型

本次模擬計算區(qū)面積154 km2;平面上包含兩水源地分布區(qū);垂向上為地面以下侏羅系頂面以上之間的部分,厚約400～500 m。

現(xiàn)狀條件下,南邊界和西邊界為補給邊界,北邊界和東邊界為排泄邊界;出于安全供水考慮,計算時對各含水層的南邊界處理為定流量邊界,西邊界徑流補給量較小,計算時大部分地段處理為零流量邊界,北邊界和東邊界處理為變流量邊界。

模擬區(qū)含水層結構可分為5層：第1層為第四系潛水含水層,北部的砂層為透水性較好的非均質、各向同性含水層,南部的黃土層為透水性較差的均質、水平與垂直各向異性的含水層;第2層為弱透水的粉質黏土層和黏性土層,視為均質、各向同性介質;第3層為白堊系環(huán)河組砂泥巖承壓水含水層,第4、5層是按開采層與非開采層人為劃分的白堊系洛河組厚層交錯砂巖承壓水含水層。第3層與第4,5層之間水力聯(lián)系密切,實際上就是一個垂向上呈現(xiàn)非均質的雙層結構承壓水含水層;第1層與第3,4層之間通過透水性較弱的第2層發(fā)生水力聯(lián)系,第2層是上部潛水與下部承壓水發(fā)生水量交換的必經“通道”。

模擬區(qū)南、西邊界接受地下水側向徑流補給,潛水含水層還接受降水入滲補給,北部存在潛水蒸發(fā)排泄與灌溉水入滲補給。模擬區(qū)的蘆河在上段補給地下水,在下段排泄地下水;因河床底部存在一層淤泥質粉質黏土層,故上段河水下滲補給地下水的水量較小(約900 m3/d),從水源地安全考慮可忽略不計。

2.2 數(shù)學模型

綜上所述,將模擬區(qū)地下水流系統(tǒng)可用下面偏微分方程的定解問題來描述[3]：

式中：H——地下水位標高(m);K——滲透系數(shù)(m/d);μ——給水度;Ss——彈性釋水率 ;x,y,z——坐標變量(m);t——時間變量(d);ε——潛水面垂向交換量(入為正、出為負)(m3/d?m2);h0——地下水初始水位標高(m);q——第2類邊界流量(m3/d?m2);q0——第3類邊界處初始時刻流量(m3/d?m2);α——第3類邊界系數(shù)(1/d);Qi——第 i眼開采井開采量(m3/d);r,θ,z′——輔助柱坐標變量 ;r′,θ′,φ′——輔助球坐標變量;n——邊界外法線方向;Γ2——二類邊界;Γ3——三類邊界 ;wi——第 i眼開采井的井點位置;Ω——模擬區(qū)范圍。

2.3 數(shù)值模型的建立

2.3.1 網格剖分及參數(shù)分區(qū) 本次研究選用Processing Modflow Pro集成軟件系統(tǒng)中的Modflow模塊進行數(shù)值模擬[4-5]。模型區(qū)潛水含水層滲透系數(shù)和給水度有3個分區(qū),承壓含水層滲透系數(shù)和貯水率有1個分區(qū)(圖1)。各分區(qū)參數(shù)的初值按抽水試驗成果并結合前人資料給出[2]。潛水和承壓含水層的初始流場由抽水試驗前第四系含水層及白堊系含水層各自的井孔水位統(tǒng)測資料獲得,采用數(shù)值模擬方法獲得了天然狀態(tài)下的地下水流場(圖2)。

2.3.2 邊界流量 模擬區(qū)南、西邊界為二類定流量邊界,邊界流量取現(xiàn)狀地下水徑流量。北、東邊界為變流量邊界(即3類邊界),邊界流量為邊界初始流量加上邊界的增減量;邊界初始流量取現(xiàn)狀地下水徑流量,未來邊界流量的增減量按與邊界處水位升降值成正比計算,比例系數(shù)為現(xiàn)狀地下水徑流量除以潛水含水層厚度或承壓水頂板以上的水頭高度。

3.3.3 模型的識別與檢驗 模型校驗和識別利用大型抽水試驗資料[2],利用抽水階段及恢復水位階段的試驗數(shù)據用作模型檢驗[6-7]。本次群孔抽水試驗有7個觀測孔的實測資料可用作調參依據,經反復調參[8],典型觀測孔的實測水位曲線與計算水位曲線擬合誤差絕對值絕大多數(shù)小于0.5 m,由此可見,各觀測孔的水位擬合效果是較好的,從而得到水文地質參數(shù)分區(qū)結果(表1)。模型識別和檢驗結果證明所建立的數(shù)學模型、邊界條件、水文地質參數(shù)和源匯項的確定都是合理的,基本反映了地下水流系統(tǒng)和含水層系統(tǒng)特征,故可利用模型進行水源地開采的地下水位預報。

圖中坐標為6度帶投影公里網圖1 水文地質參數(shù)分區(qū)圖

3 數(shù)值評價結果分析

3.1 數(shù)值評價思路介紹

依據所建模型,預測兩水源地現(xiàn)狀條件及不同增采條件下開采30 a后的結果,評價兩水源地增采對水源地自身及區(qū)域水環(huán)境的影響。

表1 參數(shù)識別結果

現(xiàn)狀條件下,模擬區(qū)總開采量為農灌開采量(0.98萬m3/d)和水源地開采量(四柏樹水源地為0.66萬m3/d,煉油廠水源地為0.54萬m3/d)之和。與現(xiàn)狀條件相比,水源地增采條件下,農灌開采量均保持不變;開采井數(shù)目略有增加,其中,四柏樹水源地開采井由11眼增至14眼,煉油廠水源地由9眼增至12眼,兩水源地開采井布局見圖3。

圖中坐標為6度帶投影公里網圖2 模型地下水初始流場圖

圖中坐標為6度帶投影公里網圖3 水源地已建與設計開采井布局圖

3.2 四柏樹水源地單獨增采

(1)地下水位時空變化趨勢。由圖4可知：地下水開采2 a后觀測孔地下水位降速開始變緩,開采20 a后變的更加平緩,但開采30 a也未達到穩(wěn)定狀態(tài),說明水源地屬開采“消耗”型水源地;隨著四柏樹水源地開采量的增加,開采20 a后煉油廠水源地水位(頭)下降速度由9 mm/a至33 mm/a逐漸增加。

圖 4 地下水位(頭)歷時曲線

四柏樹水源地增采后并未影響地下水徑流的總方向,地下水仍由南西向北東方向徑流。由圖 5可知：水源地開采后的水位降已擴展到四周邊界,隨著開采量的增加水位降在增大,區(qū)域上地下水位(頭)的下降幅度差異不是很大,近于等幅下降,僅在水源地開采區(qū)內降幅增大,兩水源地大致以蘆河為界分別形成兩個地下水降落漏斗,且均以水源地開采區(qū)為中心呈近似圓形的寬淺的封閉降落漏斗,四柏樹水源地漏斗較為明顯。

圖5 30年末I-I'剖面地下水位

(2)兩水源地相互影響分析。根據圖6可得：隨著開采量的增加,兩水源地水位(頭)降均呈逐漸增大的趨勢;四柏樹水源地的水位(頭)降最多至8.09 m,煉油廠水源地的水位(頭)降最多至3.58 m;四柏樹水源地增采使得煉油廠水源地30 a末水位(頭)降均以1.07的比例同趨勢逐漸增大,但兩水源地水位(頭)降均在可控范圍以內。

3.3 煉油廠水源地單獨增采

(1)地下水位時空變化趨勢。對比圖7與圖4、圖8與圖5可得：地下水位下降規(guī)律、地下水流場與降深場變化規(guī)律與四柏樹水源地單獨開采情況基本一致;區(qū)別僅在于煉油廠水源地的漏斗隨著開采量的增加越來越明顯。隨著四柏樹水源地開采量的增加,開采20 a后煉油廠水源地水位(頭)下降速度由6 mm/a至28 mm/a逐漸增加。

(2)兩水源地相互影響分析。由圖9可知：隨著開采量的增加,兩水源地水位(頭)降均呈逐漸增大的趨勢;四柏樹水源地的水位(頭)降最多至2.60 m,煉油廠水源地的水位(頭)降最多至10.88 m;煉油廠水源地增采使得四柏樹水源地30 a末水位(頭)降均以0.97的比例同趨勢逐漸增大,但兩水源地水位(頭)降均在可控范圍。

圖6 水源地井點單元最大水位降深曲線

3.4 區(qū)域水資源影響對比分析

水源地開采對區(qū)域水資源的影響主要體現(xiàn)在地下水位(頭)。無論四柏樹水源地還是煉油廠增采都會引起水源地水位(頭)下降速度的成倍增加,而同樣兩水源地的增采也會引起水源地30 a末地下水位(頭)降深以某一比例增加,這說明兩水源地間的相互影響較明顯,在水源地實際增采時需統(tǒng)籌。

圖 7 地下水位(頭)歷時曲線

圖8 30年末I-I′剖面地下水位(頭)

圖9 水源地井點單元最大水位降深曲線

4 結論

通過數(shù)值評價,綜合分析了兩水源地的運行對區(qū)域水環(huán)境的影響。研究表明：

(1)兩水源地均屬開采“消耗”型水源地。隨著開采量的增加,水位(頭)降在增大,區(qū)域上地下水位(頭)的下降幅度差異不是很大,近于等幅下降,僅在水源地開采區(qū)內降幅增大,兩水源地大致以蘆河為界分別形成兩個地下水降落漏斗,且均以水源地開采區(qū)為中心呈近似圓形寬淺的封閉降落漏斗。

(2)兩水源地在現(xiàn)狀條件下單獨增采時,隨開采量的增加,兩水源地開采后相對穩(wěn)定的水位(頭)下降速度及30 a末水位(頭)降深均呈逐漸增大的趨勢,相互的影響也越來越顯著,在水源地實際增采時需統(tǒng)籌安排。

(3)水資源數(shù)值評價是預測開采條件下遠期年區(qū)域水資源狀況的有效手段,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護與水資源合理開發(fā)利用有著積極的作用。

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