范珊珊

(河北省地礦局秦皇島礦產水文工程地質大隊，河北 秦皇島066001)

昌黎縣是河北省秦皇島市下屬的四縣之一，近年來，隨著社會經濟的飛速發(fā)展，人口規(guī)模不斷擴大，人民生活水平不斷提高，用水需求量逐年增加。為了滿足日益增長的用水需求，擬在靖安鎮(zhèn)境內建立新的地下水水源地。

靖安水源地位于灤河沖積扇東部的中上部，為傍河取水水源地，該區(qū)淺層含水層儲水空間大，調蓄能力強，遠離隔水邊界，補給條件良好，附近多為非耕地，開采對農田用水影響較小。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，四季分明，冬無嚴寒、夏無酷暑，日照充足，多年平均降水量為636.9 mm，年內降水不均，7～9月降水量可占全年的 70%左右。利用GMS軟件對該水源地進行地下水流數值模擬，按設計的開采方案進行模擬預測，從而確定該水源地的允許開采量，為水源地的規(guī)劃建立提供依據。

1 地下水流模型

1.1 水文地質概念模型

靖安水源地的研究區(qū)范圍為北至灤河出山口、安山一線，西南部以灤河為界，東以安山、新集一線為界，總面積305.76 km2。根據地層巖性、含水介質特征及其間水力聯(lián)系等因素，將研究區(qū)的含水層劃分為四個含水組，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組，它們的地層大體相當于 Q4、Q3、Q2、Q1，其中以Ⅰ、Ⅱ含水組富水性最強且補給條件好，為研究的主要目的層。Ⅱ、Ⅲ含水組之間沉積有累計厚度達6～18 m的粘土、淤泥及亞粘土，使得Ⅱ、Ⅲ含水組之間的水力聯(lián)系微弱。灤河在Ⅰ含水組上部流過，屬未切穿含水層的非完整河。河床及漫灘上沉積有薄層亞粘土、粉細砂層，河水通過該層與Ⅰ含水組有較強的水力聯(lián)系。

圖1 研究區(qū)邊界條件示意圖

由于Ⅰ、Ⅱ含水組之間沒有連續(xù)的隔水層，將Ⅰ、Ⅱ含水組概化為淺層潛水含水層，所以潛水面為系統(tǒng)的上邊界，通過該邊界，系統(tǒng)與外界發(fā)生垂向水量交換，如大氣降水入滲補給以及蒸發(fā)排泄等;淺層含水層和下部含水組之間有較厚的粘土層，所以淺層含水層的底板概化為隔水邊界。研究區(qū)側向邊界包括流量邊界和水頭邊界(見圖1)，其中西南部以灤河為界，概化為水頭邊界;北部為側向補給邊界;東部安山鎮(zhèn)至新集為側向排泄邊界，其它為補給邊界。研究區(qū)地下水補給項包括大氣降水入滲補給、側向徑流補給和灌溉回歸補給等，排泄項包括人工開采、潛水蒸發(fā)和側向流出。

1.2 數學模型

由于含水層中的地下水流以水平運動為主，將研究區(qū)的地下水流概化為二維非均質各向同性的非穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)，建立如下的數學模型[1]來描述:

式中:H為含水層水位(m);H0(x，y)為初始水位(m);h(x，y，t)為第一類邊界 Γ1上的已知函數(m);q(x，y，t)為第二類邊界Γ2上的單寬流量(m2/d);K為淺層含水層(沿厚度)平均滲透系數(m/d);Hd為含水層底板標高(m);w為單位時間在垂向上從單位水平面積含水層中流入或流出的水量(m/d);μ為給水度;Ω為模擬計算區(qū)域;Γ1為計算區(qū)域的第一類邊界(給定水位邊界);Γ2為計算區(qū)域的第二類邊界(給定流量邊界);n為第二類邊界Γ2的外法線方向。

1.3 數值模型

本文采用GMS軟件對上述數學模型進行求解。首先對研究區(qū)進行網格剖分，網格大小為237m×307m，共有有效單元格4 198個。由于2010年為平水年，本次模擬選擇2010年1月－2010年12月作為模擬期，以一個月為一個時間段，共有12個應力期。含水層的頂板和底板高程分別根據地表高程和淺層含水層的底板標高等值線確定的。本次模擬的初始流場為2010年1月的流場，是由實測水位資料通過插值方法得到的。

然后要對模型進行識別和驗證。通過調整水文地質參數如滲透系數、給水度以及降水入滲系數等，使得觀測孔的計算水位和實測水位擬合程度不斷提高，從而使建立的模型能夠更為準確地反映研究區(qū)的水文地質條件[2]。

圖2為模型識別后典型觀測孔水位擬合曲線圖，從圖中可以看出觀測孔的計算水位和實測水位的變化趨勢相近，擬合程度較高，達到了模型調參識別的目的[3]。通過模型識別所得到的各分區(qū)參數值見表1。為進一步驗證所建立的地下水模型的可靠性，利用其它時期的資料對模型進行驗證。驗證期為2013年1月－2013年12月，以一個月為一個時間段，共有12個應力期。圖3為2013年12月計算流場和實際流場擬合圖，可以看出計算流場和實際流場擬合程度較高。由此可見，所建立的模型能夠較為真實地反映研究區(qū)的水文地質條件，對于含水層結構、邊界條件的概化以及水文地質參數的選擇是合理的，可以用于地下水位預測[4]。

表1 水文地質參數初始值和識別值一覽表

圖2 觀測孔水位擬合曲線圖

圖3 2013年12月計算流場和實際流場擬合圖

2 模型預測

2.1 預測方案

在降水保證率95%(特枯年)條件下，利用建立的地下水模型對不同的設計開采方案進行模擬預測。本次模擬設計三種開采方案，分別為5萬 m3/d(方案一)、10萬 m3/d(方案二)和20萬 m3/d(方案三)。預測模型的邊界條件和水文地質參數保持不變，補給項和排泄項按95%保證率重新計算，開采量根據不同方案的設計開采量確定。預測期為2013～2032年，以年為時間段，共20個應力期，每個時間段內包括不同的時間步長，前10年的時間步長為一天，后10年的時間步長為一個月。初始流場選擇2012年12月末的流場。

2.2 預測結果

按方案一開采20年后的流場變化圖見圖4。從圖中可以看出，按方案一開采1年后，地下水位整體下降，開采3年、5年后，水位持續(xù)下降，直到10年后，地下水流場達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位基本保持不變，與20年后相比降幅不超過0.01 m。

按方案二開采20年后的流場變化圖見圖5。從圖中可以看出，按方案二開采1年后，水源地位置水位降幅較大，開采3年、5年后，水位持續(xù)下降，直到10年后，地下水流場達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位基本保持不變，與20年后相比降幅不超過0.02 m。

按方案三開采20年后的流場變化圖見圖6。從圖中可以看出，按方案三開采1年后，水源地中心地下水位大幅下降形成降落漏斗，開采3年、5年后，地下水位整體持續(xù)下降，漏斗面積不斷增大，直至10年后，地下水流場達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位基本保持不變，與20年后相比降幅不超過0.02 m，漏斗面積不再增加。

圖4 方案一開采流場變化圖

圖7 為方案一條件下水源地及周邊地下水水位變化曲線，其中曾各莊、東蔡各莊和大周莊分別代表水源地上游、中心及下游位置。從圖中可以看出，水源地上游及中心的地下水位一開始都明顯下降，但中心年平均下降速率為1.2 m/a，上游下降速率為0.5 m/a。10年后水位基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，20年后中心水位降深3.7 m。水源地下游的水位變化不明顯。

圖8為方案二條件下水位變化曲線。從圖中可以看出，水源地上游及中心的地下水位一開始都明顯下降，但中心年平均下降速率為 1.6 m/a，上游下降速率為 0.7 m/a。10年后水位基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，20年后中心水位降深5.1 m。水源地下游的水位變化不明顯。

圖5 方案二開采流場變化圖

圖6 方案三開采流場變化圖

圖7 方案一開采水位變化曲線

圖8 方案二開采水位變化曲線

通過以上對預測結果的分析得到，水源地在三種方案持續(xù)開采20年后的中心水位降深分別為3.7 m、5.1 m及8.3 m，而水源地位置的含水層厚度為52 m，所以水位降深值遠小于含水層厚度，不會造成含水層疏干，但方案三在水源地位置出現了面積較大的地下水降落漏斗，而方案一和方案二的地下水流場趨勢基本不變，只是水源地位置的水位降深與周邊相比較大。雖然三種方案均能使地下水系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，補給量有保證，但是方案三的漏斗面積較大，可能會影響周邊的農作物種植，與農業(yè)生產爭水，對周圍的生態(tài)環(huán)境影響較大。所以為了盡可能的滿足昌黎縣的生產生活用水需求，最大程度地利用地下水資源，選擇方案二為合理的開采方案。

圖9 方案三開采水位變化曲線

3 結語

(1)應用GMS軟件建立靖安水源地的地下水流數值模型，通過對模型進行識別和驗證，可以看出該模型能夠真實準確地反映研究區(qū)的水文地質概況，對邊界條件的分析以及參數的選擇是合理的，可以用于地下水位預測。

(2)利用建立的模型對水源地不同開采方案進行模擬預測，預測結果表明，三種方案均能使地下水系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，最大水位降深值遠小于含水層厚度，不會造成含水層疏干，但方案三出現了面積較大的地下水降落漏斗，對周圍的生態(tài)環(huán)境影響較明顯。所以確定該水源地的允許開采量為10萬 m3/d。

(3)將GMS用于靖安水源地的地下水流模擬與預測，確定該水源地的允許開采量，可以為水源地的規(guī)劃建立提供科學依據，也為其它傍河型水源地的地下水資源評價提供了經驗和方法[5]。

[1]丁元芳，遲寶明，易樹平，等.Visual MODFLOW在李官堡水源地水流模擬中的應用[J].水土保持研究.2006，13(5):99－105.

[2]陳冬琴.GMS軟件在杭嘉湖地下水資源評價中的應用[J].軟件導刊.2007，(5):49－51.

[3]易立新，徐鶴.地下水數值模擬:GMS應用基礎與實例[M].北京:化學工業(yè)出版社.2009.

[4]秦建甫，張海濱，萬偉鋒，等.哈頭才當水源地地下水位模擬與預測[J].人民黃河.2012，34(5):52－54.

[5]劉記成，王現國，葛雁，等.Visual Modflow在鄭州沿黃水源地地下水資源評價中的應用[J].地下水.2007，29(4):91－92.