張勝偉, 陳夢源, 李 哲, 彭 慧, 陳 鈺

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

仙桃市應急水源地地下水流數(shù)值模擬分析

張勝偉, 陳夢源, 李 哲, 彭 慧, 陳 鈺

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

為了分析仙桃市應急水源地的開采潛力和開發(fā)利用方案,選擇地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊,對研究區(qū)模型進行合理的邊界條件概化,通過模型的調(diào)試和識別,確定可靠的水文地質(zhì)參數(shù),計算得到研究區(qū)允許開采量為1.561×108m3/a。對開采潛力進行評價分析,確定開發(fā)利用方案:宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,采用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,需新增布設34眼,井距>500 m。

應急水源地;數(shù)值模擬;開發(fā)利用方案;仙桃市

在全面收集、系統(tǒng)分析工作區(qū)內(nèi)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料、開展地下水現(xiàn)狀調(diào)查與水文地質(zhì)勘查的基礎上,對工作區(qū)的地下水資源進行評價,選擇了地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊,對研究區(qū)模型進行了合理的邊界條件概化,通過模型的調(diào)試和識別,確定可靠的水文地質(zhì)參數(shù),計算得到研究區(qū)允許開采量為1.561×108m3/a,并對開采潛力進行評價分析,確定開發(fā)利用方案,為政府部門應對在連續(xù)干旱或發(fā)生水安全突發(fā)事件等導致供水大量缺失的情況下提供解決措施和動態(tài)管理提供依據(jù)[1]。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)含水層特征

仙桃市應急水源地主要包括全新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、粉細砂孔隙潛水[Q4]和上、中更新統(tǒng)、砂礫石孔隙承壓水[Q2+3]兩個含水巖組(見圖1)。其中第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水巖組水位、水溫動態(tài)受季節(jié)控制明顯,水量貧乏,無實際供水意義,故此地下水巖組不作為應急水源地評價分析對象。

第四系上、中更新統(tǒng)孔隙承壓水含水巖組下伏[Q4]之下,含水巖組巖性主要為粉砂、砂、砂礫石,砂礫石含量占10%～15%,礫徑一般為0.5～2 cm。含水層厚度變化不大,總體上有從西到東、從南向北逐漸變薄的趨勢。在西部陳場、姚嘴等地最厚,為100～120 m,北部漢江沿線一般為30～80 m不等,東部西流河、沙湖等地最薄,為30 m,南部一般為70～100 m,含水層頂板埋深在15～30 m,上覆有一層較穩(wěn)定的隔水層。

[Q2+3]孔隙承壓水水位埋深一般為0.6～5.4 m,承壓水頭一般高出頂板5～20 m,側(cè)壓水位高程一般為25～35 m。單位涌水量100～1 200 m3/d·m。該含水巖水組分布廣,厚度大,水量豐富,頂板和水位埋深較淺,水質(zhì)較好,開采條件好,是地下水主要利用層位,是應急水源地地下水評價的主要研究對象。

1.2 地下水的補給、徑流、排泄

1.2.1 補給

[Q2+3]孔隙承壓水的補給來源主要為側(cè)向徑流和漢江水頭以及孔隙潛水對承壓水有較強的越流補給。此外,據(jù)鉆孔資料反映,漢江在本區(qū)范圍內(nèi)大部分地段切穿了上部[Q2+3]孔隙承壓含水層的隔水頂板,使得地表水與[Q2+3]孔隙承壓含水層直接連通,地表水也成為其重要的補給來源。

1.2.2 徑流

由于本區(qū)處于漢江平原腹地,地勢平坦,地形高差較小,隔水層頂、底板基本水平,水位高程相差甚小,水力坡度小,因而地下水流速十分緩慢,基本處于停滯狀態(tài)。地下水水位高程一般在18～25 m,水力坡度在1/3 000～1/6 000之間。地下水總體自西北向東南徑流,漢江水側(cè)向徑流補給地下水。

圖1 仙桃市應急水源地水文地質(zhì)剖面圖Fig.1 Profile of hydrogeololgy of emergency water source in Xiaogan City1.第四系人工堆積物;2.第四系全新統(tǒng);3.第四系更新統(tǒng);4.人工填土;5.粉質(zhì)粘土;6.砂礫石;7.粉細砂;8.地下水穩(wěn)定水位;9.鉆孔及編號。

1.2.3 排泄

孔隙承壓水的排泄以向鄰區(qū)徑流排泄和人工開采排泄為主,在豐水期也通過越流向下伏[N2+Q1]裂隙孔隙承壓水排泄,枯水期由于部分地段地下水位高于地表水位,這時地下水也向地表水排泄。

2 地下水資源量計算

2.1 水文地質(zhì)概念模型及地下水數(shù)學模型的確定

研究區(qū)[Q2+3]孔隙承壓含水層與[Q4]孔隙潛水含水層之間夾一弱透水層,在部分地區(qū)上下兩層含水層通過天窗直接溝通,其上[Q4]潛水含水層通過越流與[Q2+3]承壓含水層發(fā)生水量交換。因此,該水文地質(zhì)模型可概化為[Q4]潛水弱含水層、[Q2+3]孔隙承壓水含水層兩層非均質(zhì)各向同性承壓準三維不穩(wěn)定流模型[2]。數(shù)學模型描述如下:

H(x,y,t)|t=0=H1,0(x,y)

H(x,y,t)|(x,y)∈B=H1,1(x,y,t)

式中:H為弱透水層的水頭函數(shù)(m);H1為[Q2+3]承壓水含水層的水頭函數(shù)(m);H1,0、H0分別為各含水層初始時刻的水頭函數(shù)(m);H1,1為[Q2+3]承壓水含水層一類邊界上的水頭函數(shù)(m);μs、μ分別為弱透水層和[Q2+3]承壓水含水層的彈性釋水系數(shù);T為[Q2+3]承壓水含水層的導水系數(shù)(m2/d);K、m分別為弱透水層的滲透系數(shù)(m/d)及厚度;v為弱透水層流入[Q2+3]承壓水含水層的越流強度(m/d);B表示一類邊界;ε為[Q2+3]承壓水含水層單位面積開采量。

2.2 邊界條件的概化

模擬評價區(qū)北面以漢江為界(自然邊界),其它邊界為人為劃定的邊界(人工界定的界線),面積為340.98 km2,計算區(qū)邊界均概化為一類已知水頭邊界,漢江邊界用漢江水位給定,其余邊界水頭值均用邊界相鄰水文孔水位采用插值法控制。

2.3 模型的調(diào)試與識別

為了使所建數(shù)值模型能對客觀水文地質(zhì)模型達到仿真,需對模型進行調(diào)試和識別。將模型中需要的各種參數(shù)輸入到計算機中進行反復運算模擬,不斷調(diào)整,使模擬的結(jié)果達到較為逼真的效果,以作為模型識別的參數(shù)[3]。

2.3.1 模擬的初始時間和步長的確定

本次模型識別對應長觀孔5 d一觀的時間序列,取計算步長為5 d,以2010年3月1日為初始時刻,2010年3月1日—2010年9月30日共計214 d為擬合時段進行擬合求參。

2.3.2 模型識別

在已概化邊界條件及試驗獲取參數(shù)條件下,對上述水文地質(zhì)數(shù)學模型進行識別計算,對評價區(qū)內(nèi)的8個長觀孔水位進行了擬合分析(見圖2),并對擬合誤差進行分析(見表1)。

由圖2和表1可以看出,除了長觀孔ZK006在部分時間段擬合的不夠理想外,大部分長觀孔擬合均較好,證明模型是較合理的,可以用這個模型來計算本區(qū)的地下水允許開采量。

2.3.3 模擬參數(shù)的確定

經(jīng)過上述對模型的調(diào)試和識別,求得計算區(qū)內(nèi)含水層的參數(shù),所得參數(shù)等值線見圖3。

表1 各長觀孔擬合誤差統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of fitting errors of each observation hole

圖2 長觀孔水位擬合曲線圖Fig.2 Water level fitting curve of long observation hole

2.4 計算結(jié)果

用以上識別的數(shù)值模擬模型,在現(xiàn)狀開采條件下,對研究區(qū)進行地下水允許開采量計算。研究區(qū)根據(jù)參數(shù)等值線進行計算,模型分別算得開采資源模數(shù)為3.65×104m3/km2·a、36.5 ×104m3/km2·a、43.8×104m3/km2·a、54.75 ×104m3/km2·a、73.0×104m3/km2·a、80.3 ×104m3/km2·a。根據(jù)計算繪制開采資源模數(shù)等值線圖(見圖4),計算得到[Q2+3]允許開采量為1.561×108m3/a。

3 應急水源地開發(fā)利用方案分析

3.1 地下水開采潛力分析

3.1.1 地下水開采潛力評價分析原則

地下水開采潛力分析,按國土資源部頒《縣(市)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查基本要求》進行。對于開采潛力指數(shù)P>1.2的區(qū)域,按表2劃分開采潛力區(qū)[4]。

3.1.2 地下水開采潛力評價分析

圖3 [Q2+3]含水層調(diào)參后參數(shù)等值線圖Fig.3 Parametric contour map of [Q2+3] aquifer after parameter adjustment

圖4 開采資源模數(shù)分區(qū)圖Fig.4 Partition diagram of mining resource modulus1.開采資源模數(shù)>50(104 m3/km2·a);2.開采資源模數(shù)40～50(104 m3/km2·a);3.開采資源模數(shù)30～40(104 m3/km2·a);4.開采資源模數(shù)20～30(104 m3/km2·a);5.開采資源模數(shù)10～20(104 m3/km2·a);6.開采資源模數(shù)<10(104 m3/km2·a);7.地下水開采資源模數(shù)分區(qū)界線;8.城區(qū)及鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、農(nóng)場)行政界線;9.街道辦事處;10.村級標注。

開采潛力可增允許開采量/(104m3·km-2·a-1)備注潛力較小<10潛力中等10～20潛力較大>20可增加允許開采量=單位面積允許開采量-單位面積地下水已開采量

本研究區(qū)[Q2+3]孔隙承壓水允許開采量為1.561×108m3/a,現(xiàn)狀開采量為554.12×104m3/ a,可增允許開采量為230.41×104m3/km2·a,地下水開采潛力按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道辦事處進行統(tǒng)計計算,統(tǒng)計情況見表3。

從表3可以看出,研究區(qū)內(nèi)的所有地區(qū)開采潛力指數(shù)均>1.2,為有潛力開采區(qū)。除了干河街辦(0.76×104m3/km2·a)可增允許開采量<10×104m3/km2·a,為開采潛力較小區(qū),以及龍華街辦(18.92×104m3/km2·a)可增允許開采量<20×104m3/km2·a,為開采潛力中等區(qū)外,其他的均>20×104m3/km2·a,開采潛力較大。

3.2 開發(fā)利用方案

仙桃市應急供水水源地地下水類型屬于第四系孔隙承壓水,地下水水位埋深1～2 m,含水層頂板埋深30～40 m,含水層厚度>70 m,單位涌水量接近1 000 m3/d·m,屬水量豐富區(qū),其開采潛力滿足應急水源地開采的需要。

根據(jù)上述條件,確定仙桃市應急供水水源地開采利用方案:適宜機井開采,宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,管材采用鋼管,用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,結(jié)合市政規(guī)劃和建筑物布局,采用網(wǎng)狀布設開采井,井距>500 m。根據(jù)應急城市生活用水定額標準,仙桃市城鎮(zhèn)生活用水需水量為5.4×104m3/d,需布設開采井54眼,目前已有開采井24眼,其中有4眼距離<500 m,不符合布設條件,因此需新增布設34眼,井距均>500 m,以滿足應急開采的需要。

表3 仙桃市地下水開采潛力一覽表Table 3 List of groundwater exploitation potential in Xiantao

注:開采潛力指數(shù)=允許開采量/已開采量。

4 結(jié)論與建議

(1) 本文建立了仙桃市應急水源地數(shù)值模型,模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)擬合較好,可以用來對工作區(qū)的地下水資源量進行評價分析,計算該區(qū)允許開采量為1.561×108m3/a。

(2) 通過開采潛力評價,確定了開發(fā)利用方案:宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,需新增布設34眼,井距>500 m。

(3) 建議對劃定的應急水源地進行水位、水質(zhì)及地面沉降等進行長期監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題應及時制定處理措施。

[1] 沈媛媛,辛寶東,郭高軒,等.北京房山巖溶水應急水源地地下水流數(shù)值模擬及預測 [J].南水北調(diào)與水力科技,2011,9(5):103-106.

[2] 程剛,鄒安權,張勝偉,等.武漢城市圈地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與區(qū)劃報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,2016.

[3] 付曉剛,李擇,王保君,等.鄭州航空港區(qū)應急地下水水流數(shù)值模擬及預測[J].工程勘察,2013,41(5):33-38.

[4] 王澤峰,王麗艷,計升平,等.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北省武漢市黃陂縣地下水資源調(diào)查與開發(fā)區(qū)劃報告[R].武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,1998.

Numerical Simulation Analysis of Groundwater Flow ofEmergency Water Source in Xiantao City

ZHANG Shengwei, CHEN Mengyuan, LI Zhe, PENG Hui, CHEN Yu

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

In order to analyze the exploitation potential and development and utilization scheme in Xiantao City Emergency Water Source,the authors choose the MODFLOW module from the groundwater simulation software GMS,make a reasonable boundary condition generalization for study area model,and through the model debugging and recognition,determine the reliable hydrogeology parameters,and the allowable exploitation quantity are calculated to be 1.561×108m3/a.The exploitation potential is evaluated and analyzed,and the development and utilization scheme is determined: the appropriate mining depth is 90～100 m,the pipe diameter is 250 mm,pumping water with 30 m3/h,and to ensure that pumping time in 16 hours a day.It need layout 34 new eyes with over 500 m well spacing.

emergency water source; numerical simulation; development and utilization scheme; Xiantao city

P641.2

A

1671-1211(2017)06-0735-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.013

2017-08-21;改回日期2017-10-13

長江中游城市群地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與區(qū)劃國家計劃項目(121201094038)。

張勝偉(1981-),男,工程師,碩士,環(huán)境科學專業(yè),從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)方面的工作。E-mail:158221372@qq.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0843.014.html數(shù)字出版日期2017-10-26 08:43

李雯)