魏永霞，李志剛，程宏超

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

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數(shù)值模擬在地下水開采方案制定中的應用
——以某市一應急備用水源地為例

魏永霞，李志剛，程宏超

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

根據(jù)應急備用水源地的水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學模型，采用有限差分法，并運用商業(yè)模擬軟件GMS中的modflow模塊建立數(shù)值模型，通過模擬不同開采方案，探討在允許降深內(nèi)，滿足設計日開采量的情況下，比對擇優(yōu)選取合理的開采方案。

水文地質(zhì)概念模型；數(shù)學模型；modflow；開采方案

地下水數(shù)值模擬是定量評價地下水資源量的方法之一，更為重要的是，利用地下水數(shù)值模型可以對不同的開采方案進行模擬預測評價，從中比選出相對優(yōu)化的開采方案。本文以某市一應急備用水源地建設時的水資源評價為例，采用商業(yè)軟件GMS中的MODFLOW模塊建立數(shù)值模型，探討數(shù)值模擬在地下水資源評價中的應用。

研究區(qū)位于市區(qū)南部偏西的位置，區(qū)內(nèi)含水巖組巖性為松散巖類，平面上分布全區(qū)，剖面上為粘性土和砂層組成的多層結構。根據(jù)埋藏條件、水力性質(zhì)及含水層之間的聯(lián)系條件，將其概化為淺層、中深層、深層三個含水層組及四個粘性土相對隔水層。研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型如圖1。

1 地下水流數(shù)學模型的建立

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)地下水流可概化為三維非均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定流動。當滲透系數(shù)主方向與坐標軸方向一致時，建立的數(shù)學模型為：

式中：Ω為滲流區(qū)域；H為地下水系統(tǒng)的水頭(m)；Kxx、Kyy、Kzz為含水層在滲透主方向上的滲透系數(shù)(m/d)；ε為含水層的源匯項(m/d)；H0為初始流場(m)；μ為比儲水系數(shù)(1/m)；Γ1為第一類邊界；HΓ1為第一類邊界上的水頭值；Γ2為第二類邊界；Kn為第二類邊界法向方向的滲透系數(shù)(m/d)，n為邊界面的外法線方向；q為第二類邊界Γ2上單位面積上的流量(m/d)，流入為正，流出為負。

2 研究區(qū)地下水流數(shù)值模型

2.1 含水層三維結構模型

根據(jù)研究區(qū)鉆孔資料和典型剖面圖資料，依據(jù)含水巖組概化分層結果，建立了含水層三維結構模型(圖2～圖3)。由三維結構模型可知，研究區(qū)含水層特征為西南厚、東北薄。

圖1 水文地質(zhì)概念模型圖

圖2 橫剖面圖

圖3 縱剖面圖

2.2 網(wǎng)格剖分

研究區(qū)范圍為東西向約為14 km，南北向約為17 km，面積為198 km2，網(wǎng)格數(shù)剖分為100×100，平面上每層10 000個網(wǎng)格。共分為5層，淺部含水層為第一層，中深層含水層為第三層，深層巨厚層含水層為第五層，其他兩層為隔水層。

2.3 初始條件

根據(jù)收集的水位資料選取2011年為模擬初始時間段，將2011年等水位線圖(圖4)作為模型的初始水位。從圖中可以看出，在淺層含水層，研究區(qū)西北部水位高，地下水總體流向是從西北部到東南部；而對于深層含水層，由于局部抽水導致了一定范圍的降落漏斗，因此地下水的初始流場總體流向是從南部向北部流動。

2.4 邊界條件

由于研究區(qū)不是一個相對獨立的水文地質(zhì)單元，只能人為定義數(shù)值模型范圍及邊界條件，根據(jù)外圍水文地質(zhì)條件，通過模擬其邊界水位計流量值，來確定研究區(qū)對應位置的水頭。

2.5 含水層參數(shù)初步選取

通過區(qū)域上的鉆孔及其抽水試驗資料，獲得研究區(qū)不同層位含水層的巖性特征及各層含水層參數(shù)分區(qū)(表1和圖5)。

圖4 含水層初始水位圖

分區(qū)淺層中深層深層滲透系數(shù)m/d給水度滲透系數(shù)m/d彈性釋水系數(shù)滲透系數(shù)m/d彈性釋水系數(shù)Ⅰ區(qū)40.0250.000130.0001Ⅱ區(qū)50.0360.000260.0002Ⅲ區(qū)50.0660.0002570.0004Ⅳ區(qū)70.0004

圖5 含水層參數(shù)分區(qū)圖

2.6 源匯項

2.6.1 降水入滲系數(shù)

研究區(qū)屬平原地區(qū)，降水入滲補給量是地下水資源的主要組成部分。降雨入滲系數(shù)的求取選取無開采、地下水徑流遲緩的典型地段、時段，根據(jù)地下水位長期監(jiān)測資料，采用年水位法進行計算，降雨入滲系數(shù)分區(qū)及各區(qū)的參數(shù)值如圖6。

2.6.2 蒸發(fā)排泄

潛水年蒸發(fā)強度主要取決于包氣帶巖性、地下水埋深及相應時間水面蒸發(fā)強度，根據(jù)已有成果資料，研究區(qū)蒸發(fā)系數(shù)分區(qū)如圖7，極限蒸發(fā)深度4 m。

2.6.3 地表水體補給與排泄

區(qū)內(nèi)水系主要為渦河及其支流，地形平緩，坡降1/8 000，河流排泄、側向徑流等排泄微弱，本文將河流的補給和排泄概化到源匯項，當河水位高于地下水水位時，河流補給地下水，反之，地下水排泄到河流。

圖6 降雨入滲系數(shù)分區(qū)圖

圖7 蒸發(fā)強度分區(qū)圖(m/a)

圖8 淺層模擬水位與觀測水位對比圖

2.6.4 人工開采

研究區(qū)供水水源均為地下水，而且淺、中、深三層含水系統(tǒng)均有開采，2011年度開采總量約104.72×104m3。

3 模型的識別和驗證

本文以2011年為初始時間，選用2011年1月至2014年12月為模型識別時間段，根據(jù)該時段內(nèi)區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料對模型的參數(shù)進行擬合。將模型中的初始水位和已有的觀測水位等值線數(shù)據(jù)進行對比，兩者擬合度較好，如圖8～圖9。

圖9 深層模擬水位與觀測水位對比圖

將區(qū)內(nèi)觀測孔BZ02孔的2014年的地下水水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)與模型中該孔處的計算水位值進行擬合，如圖10。

圖10 BZ02孔實測水位與模擬水位擬合曲線圖

將模擬等水位線和實測等水位線進行相關分析，相關系數(shù)為0.995，兩者擬合度較高，從而確定了模型擬定的參數(shù)值如表2和表3。

表2 數(shù)值模型參數(shù)(Kx、Ky)

4 開采方案設計與預測模擬

4.1 開采方案的設計

根據(jù)擬建水源地及其周邊水文地質(zhì)條件和人工開采情況，設計了五種開采方案，各種開采方案如表4。

表3 數(shù)值模型參數(shù)

表4 開采方案對比表

4.2 開采方案預測評價

4.2.1 邊界條件的確定

通過對研究區(qū)長觀孔的水位動態(tài)規(guī)律分析，結合地下水水位等值線圖，確定邊界水力坡度，再根據(jù)滲透系數(shù)和含水層厚度，計算邊界流量，結合滾動預測方法，對模型進行預測。

4.2.2 降雨入滲量的確定

根據(jù)研究內(nèi)降雨歷史資料，統(tǒng)計預測未來不同頻率(豐平枯水期)降雨量趨勢，結合區(qū)內(nèi)降雨入滲系數(shù)值，模擬確定降雨入滲量。

4.2.3 蒸發(fā)排泄量的計算

根據(jù)研究區(qū)蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)，結合地下水水位埋深，按照極限深度4 m，耦合計算。

4.2.4 河流補給或排泄量的計算

在modflow模塊中，根據(jù)河水位動態(tài)資料和計算的地下水位值及河床滲透系數(shù)，耦合計算河流補給地下水或地下水排泄到河流的量。

4.2.5 農(nóng)田灌溉開采及回滲

根據(jù)農(nóng)田灌溉開采特點，將其概化為面源排泄，根據(jù)統(tǒng)計資料，計算開采強度。

4.3 開采方案預測評價

研究區(qū)中深層地下水水質(zhì)極差，而且上部隔水層粘性土壓縮性高，大量開采中深層地下水易于誘發(fā)地面沉降災害和水質(zhì)竄層污染，故禁止開采該層水。因此，本次只針對淺層和深層地下水進行預測評價。

4.3.1 淺層含水層開采方案預測結果

經(jīng)過20年的模擬開采(圖11)，淺層含水層地下水水位層周期性變化。開采初期，水位降深約1 m左右，最大降深達到2.85 m，隨著時間增加，逐漸穩(wěn)定。研究區(qū)淺層水位受大氣降水補給和蒸發(fā)排泄控制，雨季開采量主要來自降雨補給，旱季開采量主要是消耗儲存資源量。

4.3.2 深層層含水層開采方案對比

經(jīng)過20年的模擬開采(圖12)，降落漏斗降深在40～55 m之間，在研究區(qū)外圍北部降落漏斗影響的情況下，模擬區(qū)出現(xiàn)兩個漏斗區(qū)即：北部邊界漏斗區(qū)，為模擬區(qū)內(nèi)最大的降落漏斗區(qū)；南部降落漏斗區(qū)，次漏斗區(qū)與南部設計的兩排開采井有關。根據(jù)模擬結果，在保持水力梯度一致，井距變化的情況下，井距越大，南部漏斗的最大降深越小，而北部漏斗的最大降深越大。對比五種模擬方案可知，第三種方案，保障程度較高，但降深較大，第四種和第五種方案，雖然降深較低，但是邊界上水力梯度較大，使得側向補給量較大，保障程度較低。五種方案的預測降深差異不大，在保證保障程度情況下，第三種方案比較合適。

圖11 淺層地下水位降深值對比圖

圖12 深層地下水位降深值對比圖

深層含水層地下水儲存量動用情況對比分析(表5)，方案三與前兩種方案相比，動用的存儲資源量基本相同，后兩種開采方案，雖然動用了較少的存儲資源量，但是在以提高側向補給量的前提下獲得的，比對分析第三種方案比較保險。在相同井距開采條件下，邊界補給量越大，儲存量動用程度越低，相應的地下水水位降深越小(圖13)。

通過比對五種方案的降深與存儲量動用情況分析可知，方案三是比較理想。

表5 深層含水層儲存量動用情況

5 地下水可開采資源量評價

5.1 淺層地下水可開采資源量

通過水均衡法計算淺層地下水開采資源量，在降水保證率50%情況下，淺層地下水可開采資源量為1.75×104m3/d，按照方案三開采量為1.8×104m3/d狀態(tài)下，模擬預測長期開采地下水動態(tài)趨勢基本平衡。

圖13 含水層釋水量與邊界流入量曲線圖

5.2 深層地下水可開采資源量

通過水均衡法計算深層地下水開采資源量，在降深50 m情況下，深層地下水可開采資源量為3.93×104m3/d，模擬顯示，各開采方案下，深層地下水位是呈長期較快速下降趨勢的，說明深層地下水可開采資源量是以消耗區(qū)域性地下水貯存量為主的。按照方案1-5開采量3.887×104m3/d，開采20年時，深層地下水位下降41.88～53.36 m，局部已略超過允許水位降深值。綜合分析認為，在合理的開采方案和允許水位降深前提下，在允許水位降深50 m，開采期限為15年內(nèi)，按照方案1-5深層地下水可開采資源量為3.887×104m3/d。

圖14 水源地開采方案布置圖

6 開采方案的確定

6.1 地下水開采方案選取

根據(jù)模擬結果，以方案三最為適宜，但考慮適當減小井距可節(jié)約水源地地下水管網(wǎng)建設成本，以及開采井開采影響半徑不大于500 m的實際情況，以方案一為基礎，采用集中區(qū)域線狀平均布井法，布井間距等于或略大于1 000 m，布置位置兼顧已有深層地下水探采結合孔。

為盡量減少與三水廠水源地相互影響，開采井主要布置于研究區(qū)南部，北部條帶區(qū)域僅以單線布置8眼開采井。

深層地下水開采井井深控制在450 m左右為宜，最深不超過480 m。

該水源地峰值供水量為5×104m3/d，一般平均供水量為該峰值除以系數(shù)1.3，即3.85×104m3/d，為提供該供水量，需保證有22眼開采井24小時正常供水，按規(guī)范一般施工開采井數(shù)量為保證開采井數(shù)量的110%～120%，即布置施工深井數(shù)為24～26眼，取其均值為25眼，如圖14。

6.2 地下水開采方案保證程度

按照開采井布置方案，南部水廠水源地共施工深井25眼，設計單井開采量1 800 m3/d，考慮需檢修及故障處理等原因，按常態(tài)下可啟用深井22眼計算總開采量可達到3.96×104m3/d，可滿足3.85×104m3/d平均日供水需求。

7 水資源及地質(zhì)環(huán)境保護

(1)依據(jù)地下水開采動態(tài)模擬結果，研究區(qū)深層地下水位呈持續(xù)較快速下降狀態(tài)，反映區(qū)域性深層地下水資源補給來源量不足，為防止深層地下水資源枯歇和產(chǎn)生較嚴重的地面沉降及水質(zhì)惡化問題，應充分利用地表水利工程。

(2)按照設計要求進行水源地水井布局施工，控制好井距，杜絕井對井群相互嚴重干擾現(xiàn)象的發(fā)生，對個別已施工距農(nóng)飲深井較近的供水深井，應進行開采量合理調(diào)配或聯(lián)合供水的方式進行解決。

(3)在嚴格執(zhí)行地下水資源保護條例規(guī)范的基礎上，制定實施本水源地淺層地下水開發(fā)利用保護方案。采取生態(tài)環(huán)境治理改善，清除及避讓污染源，禁止污染項目建設，建立開采井區(qū)生態(tài)環(huán)境保護帶等措施，避免或減輕井區(qū)淺層地下水的污染。

(4)開展地下水動態(tài)監(jiān)測，及時掌握開采區(qū)及外圍深淺層及中深層地下水降落漏斗的變化發(fā)展情況。

8 結語

研究區(qū)應急備用水源地適宜開采深層含水層，水位允許降深50 m，開采期限15年，初步勘查探明深層地下水允許開采資源量3.887×104m3/d。

[1]亳州幅1:20萬水文地質(zhì)普查報告.安徽省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊.1989.

[2]安徽省亳縣中深部農(nóng)灌水文地質(zhì)勘查報告.安徽省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊.1972.

[3]亳州市地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃報告(1：10萬).安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院.2008.

[4]安徽省阜陽市水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.1993.

[5]安徽省亳州市區(qū)域水文地質(zhì)普查報告(1：10萬).安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.1996.

[6]亳州市地面沉降調(diào)查評價報告.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.2014.

P641

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1004-1184(2016)06-0050-04

2016-05-23

魏永霞(1983-)，女，河南周口人，工程師，主要從事水工環(huán)、地熱地質(zhì)研究。