孔令堯

(遼寧省阜新水文局，遼寧 阜新 123000)

對(duì)于干旱半干旱區(qū)域而言，地下水占據(jù)水資源的比重均在50%以上，是區(qū)域水資源總量的重要組成。隨著當(dāng)前水資源矛盾的日益緊張，對(duì)于區(qū)域地下水的開(kāi)采量也逐步較大，而由于不當(dāng)?shù)牡叵滤_(kāi)采，對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響也越來(lái)越顯著。為此對(duì)不同開(kāi)采方案下的地下水環(huán)境進(jìn)行有效評(píng)估，確定適宜的地下水開(kāi)采方案對(duì)于區(qū)域地下水環(huán)境保護(hù)十分重要。近些年來(lái)，對(duì)于地下水開(kāi)采下環(huán)境影響評(píng)估的研究也逐步成為國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1- 5]。采用的方法主要為兩種，一種是觀測(cè)試驗(yàn)方式，這種方式較為直接，但這種試驗(yàn)方式需要大量的人力和物力；另一種方式為采用數(shù)值模型，對(duì)區(qū)域地下水進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同地下水開(kāi)采方案下的地下水模擬結(jié)果，來(lái)對(duì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)估[6- 10]。這種方式較為快捷，這種方式在地下水模擬試驗(yàn)中應(yīng)用較多。遼西為遼寧省地下水開(kāi)采量最大區(qū)域，年地下水開(kāi)采量在900萬(wàn)m3左右，而地下水開(kāi)采量的加劇，勢(shì)必造成區(qū)域地下水環(huán)境的影響，為對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，本文結(jié)合改進(jìn)的積分型Richards方程對(duì)遼寧西部某區(qū)域不同地下水開(kāi)采方案下的環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，提出適宜的地下水開(kāi)采方案。

1 改進(jìn)的積分型Richards方程計(jì)算原理

改進(jìn)的積分型Richards方程計(jì)算每個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的控制水量，各節(jié)點(diǎn)控制水量的計(jì)算方程為：

(1)

式中，ΔWi—第i個(gè)節(jié)點(diǎn)控制水量，m3；Bβ—β單元的控制面積，m；Aβ—β單元的控制深度，m；ΔHi—第i個(gè)節(jié)點(diǎn)水頭，m；Ss—節(jié)點(diǎn)給水率。在進(jìn)行數(shù)值求解時(shí)，需要對(duì)能量方程的源匯項(xiàng)進(jìn)行確定，源匯項(xiàng)方程為：

(2)

式中，Qsi—源匯等效流量，m3/s；Si—控制單元i的源匯項(xiàng)。在進(jìn)行源匯項(xiàng)計(jì)算后，對(duì)控制單元的垂向流量進(jìn)行計(jì)算，方程為：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Δβ—控制單元β的平均水力傳導(dǎo)度；Hs—節(jié)點(diǎn)s的水頭，m；bi、bs、ci、cs—水力傳導(dǎo)系數(shù)。此外，在控制單元不同方向流量計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行均衡分析，分析方程為：

(7)

式中，各變量同上述方程中的變量含義，Qsi和Qvi采用隱式方程進(jìn)行求解。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

本文以遼寧西部某區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)域，區(qū)域地下基巖含水層的富集程度分布十分不均勻，地下水主要分布在風(fēng)化巖裂隙以及線性充水帶中，上、中、下更新層的砂礫石分布不均，水文地質(zhì)較為復(fù)雜，區(qū)域單井涌量變化較為穩(wěn)定，穩(wěn)定在50～150m3/d，整個(gè)地下系統(tǒng)主要為沖擊巖組成。受地下水開(kāi)采量逐年增加的影響，區(qū)域地下水環(huán)境造成一定程度的影響。為對(duì)區(qū)域不同地下水開(kāi)采方案進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估，對(duì)區(qū)域內(nèi)布設(shè)6組地下水觀測(cè)井。各觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)位置如圖1所示。

圖1 觀測(cè)井分布位置

2.2 模型參數(shù)動(dòng)態(tài)識(shí)別及驗(yàn)證

為對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)動(dòng)態(tài)識(shí)別并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合6個(gè)區(qū)域觀測(cè)點(diǎn)的組水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并對(duì)比分析改進(jìn)前后模型的計(jì)算質(zhì)量及時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表1、2及圖1。

表1 模型參數(shù)動(dòng)態(tài)識(shí)別結(jié)果

表2 模型計(jì)算質(zhì)量及計(jì)算時(shí)間對(duì)比

*Em表示計(jì)算質(zhì)量；tc表示網(wǎng)格控制單元計(jì)算時(shí)間。

表1中給出了改進(jìn)的積分型Richards方程下區(qū)域不同水文地質(zhì)下的主要敏感參數(shù)。結(jié)合參數(shù)設(shè)置結(jié)果對(duì)比分析改進(jìn)前后模型的計(jì)算質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間，從6組樣本序列計(jì)算質(zhì)量和計(jì)算時(shí)間的對(duì)比結(jié)果可以看出，相比于傳統(tǒng)模型，改進(jìn)模型下各組樣本序列計(jì)算時(shí)間縮短約11.5倍，格網(wǎng)點(diǎn)計(jì)算質(zhì)量整體提高22倍。

2.3 不同開(kāi)采方案下的潛水位動(dòng)態(tài)變幅分析

結(jié)合不同地下水開(kāi)采方案(見(jiàn)表3)，應(yīng)用改進(jìn)的積分型Richards方程模擬分析了不同開(kāi)采方案下的地下水潛水位的變幅，如圖2、3所示。

表3 不同地下水開(kāi)采方案

圖2中方案下淺層地下水前期變幅波動(dòng)性較大，后期區(qū)域穩(wěn)定，各觀測(cè)點(diǎn)整體下降率平均為1.2～1.5m，后期區(qū)域地下水變化較為平穩(wěn)，在在深層區(qū)域，由于深層地下水壓采量的減少，深層地

圖2 方案1下地下水變幅結(jié)果

圖3 方案2下地下水變幅結(jié)果

圖4 不同開(kāi)采方案下的區(qū)域地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

下水水位整體抬升。而在方案2下，由于同時(shí)開(kāi)出深層和淺層地下水，淺層地下水水位變幅明顯高于方案1下的水位變幅，各觀測(cè)點(diǎn)整體下降水位為2.5～4.8m，而受到深層地下水開(kāi)采影響，方案2下深層地下水變幅要低于方案1，不同方案下的地下水潛水位降低和抬升幅度主要受到各方案的壓采率密切相關(guān)。

2.4 不同開(kāi)采方案下的地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

結(jié)合改進(jìn)積分型Richards方程實(shí)現(xiàn)了區(qū)域地下水的三維數(shù)值模擬，并結(jié)合地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)對(duì)區(qū)域不同開(kāi)采方案下的地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，各開(kāi)采方案下的評(píng)估結(jié)果如圖4所示。

從區(qū)域地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可看出，發(fā)生地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)值較高區(qū)域地下水水位埋深為3.5m，而在潛水埋深2.5～3.5m之間的區(qū)域較易發(fā)生次生的地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)。從方案對(duì)比結(jié)果可以看出，方案1下區(qū)域發(fā)生地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)程度高于方案2，建議區(qū)域主要采用方案2進(jìn)行地下水的開(kāi)采。從區(qū)域地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)分布可看出，區(qū)域的中南部較易發(fā)生地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量減少該區(qū)域的地下水開(kāi)采，維持區(qū)域地下水環(huán)境健康。

3 結(jié)論

(1)改進(jìn)的積分型Richards方程較傳統(tǒng)方法的計(jì)算時(shí)效性改善程度較高，可用于非飽和水流的數(shù)值模擬。

(2)只開(kāi)采深層地下水，其水位較同時(shí)開(kāi)采淺層和深層地下水的方案下的水位變幅波動(dòng)性更大，建議應(yīng)采取淺層和深層地下水同時(shí)開(kāi)采的方案，適當(dāng)調(diào)整方案的壓采率，保持區(qū)域地下水的平穩(wěn)變化。

(3)方案1下區(qū)域發(fā)生地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)程度高于方案2，區(qū)域中南部較易發(fā)生地下水鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量減少該區(qū)域的地下水開(kāi)采。

[1] 段艷華. 淺層地下水系統(tǒng)中砷富集的季節(jié)性變化與機(jī)理研究[D]. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 2016．

[2] A. H. 阿辛頓, 錢(qián)卓洲, 付湘寧. 地下水生態(tài)系統(tǒng)的分析與評(píng)估[J]. 水利水電快報(bào), 2015, 36(12): 13- 16+26．

[3] Hussein Ibrahim Ahmed. 中國(guó)北方大型灌區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬和預(yù)測(cè)[D]. 西北農(nóng)林科技大學(xué), 2014．

[4] 魏鈺潔. 海水入侵區(qū)的地下水開(kāi)采控制方法及應(yīng)用研究[D]. 鄭州大學(xué), 2013．

[5] 項(xiàng)國(guó)圣. 黑河中游張掖盆地地下水開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及調(diào)控[D]. 蘭州大學(xué), 2011．

[6] 苗添升, 盧文喜, 歐陽(yáng)琦, 等. 地下水?dāng)?shù)值模擬的不確定性分析在水質(zhì)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 水電能源科學(xué), 2016, 34(08): 20- 23+44．

[7] 陳南祥, 楊杰, 屈吉鴻. 中牟縣地下水生態(tài)水位研究[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 37(01): 84- 88.

[8] 張麗, 溫斯鈞, 田曉龍. 鞏義市城區(qū)地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)分析[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 37(05): 68- 71.

[9] 張麗, 田曉龍. 鞏義市城區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征分析[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(03): 24- 27.

[10] 嚴(yán)鋒, 郭玉法, 劉波, 等. GIS技術(shù)在地下水資源研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2005(05): 63- 65．