鄭 杰

(福建省廈門地質(zhì)工程勘察院，廈門，210098)

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，供水問題已經(jīng)成為影響城市發(fā)展的關鍵性問題[1-3]。漳州市是閩南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展迅速的城市，城市應急地下水源地的圈定及其資源量的評價已經(jīng)成為了城市建設的重要內(nèi)容。顏厝應急地下水源地位于漳州龍海市顏厝鎮(zhèn)巧山村，面積約12 km2。圈定應急地下水源地，采用國際通用的地下水運移數(shù)值模擬軟件Visual MODFLOW，建立應急地下水源地地下水系統(tǒng)三維數(shù)值模型，評價了該應急地下水源地在應急開采方案下的應急供水能力，為今后該應急地下水源地的建設提供了科學合理的建議。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)范圍內(nèi)地下水為第四系松散巖類孔隙水，以承壓水為主，主要含水巖組為第四系沖洪積砂礫石層，據(jù)水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，水源地含水巖組滲透系數(shù)一般為0.33～29.70 m/d。地下水主要接受大氣降水補給，同時也接受基巖裂隙水和風化帶空隙裂隙水的側向補給，地下水總體徑流方向由南向北，最終向九龍江西溪排泄。

2 水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學模型

根據(jù)鉆孔資料，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為3層，第1層為黏性土弱含水層，第2層為砂礫石層是區(qū)內(nèi)主要含水層，第3層為殘積黏性土弱含水層。其中砂礫石層為計算目的層。模型頂部接受大氣降雨入滲補給，為補給邊界，同時地下水通過其蒸發(fā)排泄，為排泄邊界；底部視為隔水邊界；模型四周接受基巖山區(qū)側向補給，為流量邊界，此次計算概化為通用水頭邊界。各個含水層概化為均質(zhì)各向異性，地下水運動為三維非穩(wěn)定流。

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，建立了以下與其相適應的數(shù)學模型[4-9]：

H(x,y,z,t)∣=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z)∈Ω

H(x,y,z)=z(x,y,z)∈Γ3

(x,y,z)∈Γ3

式中：Ss為貯水率(L/m)；kxx，kyy，kzz為含水層各向異性主方向的滲透系數(shù)(m/d)；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值(m)；W為源匯項(L/d)；t為時間(d)；Ω為計算區(qū)；H0(x,y,z,t0)為點(x,y,z)處的初始水位(m)；q(x,y,z,t)為第二類邊界上單位面積補給量(m/d)；cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z) 為流量邊界外法線方向與坐標軸方向夾角的余弦；μ為飽和差或給水度，表示在自由面改變單位高度，含水層單位截面積吸收或排除的水量；qw為自由面單位面積上綜合入滲補給量(m/d)； Γ2、 Γ3為第二類邊界和自由面邊界。

3 模型的識別驗證

在上述數(shù)學模型的基礎上，運用Visual Modflow建立顏厝應急地下水源地的地下水系統(tǒng)三維數(shù)值模型。計算將研究區(qū)在平面上剖分成100×200的矩形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元尺寸為45 m×50 m，垂向上根據(jù)鉆孔資料，從上往下分為3層，每層的有效計算單元為8 735個，共計26 205個，其垂向和平面剖分網(wǎng)格(圖1～3)。

圖1 研究區(qū)橫向剖面第91行剖分圖Fig.1 Partition qraph of transverse section in the study area(row 91)

圖2 研究區(qū)縱向剖面第41列剖分圖Fig.2 Partition graph of longitudinal section in the study area (column 41)

以抽水試驗進行的時間結合不同時段抽水流量的變化進行劃分制度期，根據(jù)研究區(qū)抽水試驗資料對模型進行識別和驗證，通過反演計算求得出各層的水文地質(zhì)參數(shù)。通過研究區(qū)初始水位由實測數(shù)據(jù)，借助surfer軟件以線性插值的方式求出研究區(qū)初始流場(圖4)。經(jīng)識別、驗證的含水層各參數(shù)分區(qū)的參數(shù)值(表1)，研究區(qū)內(nèi)部分抽水試驗孔的水位擬合情況(圖5,6)。

圖3 研究區(qū)平面剖分圖 Fig.3 Planar subdivision graph in the study area

圖4 研究區(qū)初始流場圖 Fig.4 the initial head of the study area

圖5 SWK6地下水位擬合圖 Fig.5 Fitting figure of groundwater level(swk6)

圖6 SWK12地下水位擬合圖 Fig.6 Fitting figure of groundwater level(swk12)

表1 模型各參數(shù)分區(qū)參數(shù)值

4 模型可靠性分析

驗證模型是否可以預測研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，主要是由2個方面的因素決定的。①要確保研究區(qū)地下水系統(tǒng)的結構以及功能特征在模型識別的時候都真實的反應了進去，就是說模型識別是符合這些特征的。②所建立的模型是收斂的、穩(wěn)定的[10,11]。在詳細分析研究了應急水源地的地下水系統(tǒng)的功能及結構特征和充分了解研究區(qū)地下水系統(tǒng)的宏觀變化規(guī)律的前提下，進行了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬。在模型識別的過程中，涉及到的物理量都是通過實際調(diào)查所獲得的資料確定的從模型識別得到的結果可以看出，研究區(qū)所建立的模型地下水系統(tǒng)各層的分區(qū)參數(shù)的取值數(shù)量級大小都符合要求。在模型邊界上水量交換的強弱程度與研究區(qū)實際地下水系統(tǒng)基本一致，能夠反映出研究區(qū)實際地下水系統(tǒng)的結構與功能特征。除此之外，識別所得到的各個觀測井的水位計算值均與其水位實測值較好的擬合。模擬計算得出各個含水層地下水流場變化與研究區(qū)地下水流場的宏觀變化規(guī)律相同。研究區(qū)所建立的模型識別計算階段所得到的水均衡(圖7)。建立的模型各個含水層的地下水流入量基本上與流出量達到了平衡，這說明了所建立的模型具有較好的收斂性及穩(wěn)定性，通過模型計算所得出的結果是正確、可信的，因此，建立的模型可以用來模擬預測研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化情況。

5 應急地下水源地地下水資源量評價

根據(jù)顏厝應急地下水源地的實際情況，模擬計算在應急水源地內(nèi)布置了30口開采井，模型計算了應急開采時間10 d和180 d的地下水最大供水量。利用上述識別驗證后的三維數(shù)值模型分別計算了該水源地在連續(xù)開采180 d方案下的允許開采量和最大供水量。所謂允許開采量，就是確保在連續(xù)開采180 d后，水源地內(nèi)地下水水位不低于承壓含水層的頂板標高；而最大供水量就是連續(xù)開采180 d后將承壓含水層疏干的水量。允許開采量可作為日常開采的參考開采值，而最大供水量僅在應急情況下方能體現(xiàn)。

(1)模型計算了連續(xù)開采10 d的最大供水量。經(jīng)識別驗證后的模型計算，最大供水量為18 475 m3/d，按照應急供水水量的要求30 L/日·人，各開采量分別可滿足61.58萬的用水。各開采井的最大開采量(表2)。

(2)連續(xù)開采180 d方案下應急水源地地下水允許開采量和最大供水量計算允許開采量是指布置30口抽水井同時抽水，180 d以后確保承壓含水層水位不低于其頂板標高的水量。經(jīng)過上述識別驗證后的模型計算，應急水源地的允許開采量為7 365 m3/d，按照應急供水水量的要求30 L/日·人，可滿足24.55萬人的用水。各開采井的允許開采量(表3)，開采180 d后應急水源地的流場變化(圖8)。

表2 連續(xù)開采10 d各開采井最大開采量(m3/d)

表3 連續(xù)開采180 d各開采井允許開采量(m3/d)

(3)計算所得的最大供水量是指180 d后將承壓含水層疏干所得到的水量。經(jīng)過上述識別驗證后的模型計算，應急水源地的最大供水量為14 750 m3/d，按照應急供水水量的要求30 L/日·人，該開采量可滿足49.16萬人的用水。各開采井最大的開采量(表4)，開采180 d后應急水源地的流場變化(圖9，10)。

表4 連續(xù)開采180 d各開采井最大開采量(m3/d)

圖8 按允許開采量開采180 d后計算流場圖Fig.8 Calculated flow field after mining by allowable amount 180 days

圖9 按最大供水量開采180 d后計算流場圖Fig.9 Calculated flow field after mining by maximum amount 180 days

圖10 按最大開采量開采180 d后橫向剖面計算流場圖(第32行)Fig.10 The transverse section of calculated flow field after mining by maximum amount 180 days(row32)

6 結論

(1)應急地下水源地對于城市建設有著十分重要的意義，顏厝應急地下水源地在30口開采井同時開采的情況下，連續(xù)開采10 d的最大供水量為18 475 m3/d，按照應急供水水量的要求30 L/日·人，各開采量可滿足61.58萬的應急供水。連續(xù)開采180 d的情況下，允許開采量為7 365 m3/d，應急水源地的最大供水量為14 750 m3/d，按照應急供水水量的要求30 L/日·人，可滿足49.16萬人的應急供水。

(2)在考慮應急地下水源地的水資源量的同時，應當對該水源地的地下水水質(zhì)進行綜合的分析評價，對該水源地的水質(zhì)情況有一個更加清楚的認識，為以后水源地的建設提供有力的依據(jù)。

(3)顏厝應急地下水源地處在人類活動較為強烈的區(qū)域，地下水埋深較淺，較易受到人類活動的影響，建議加強保護措施，確保水源地的地下水水質(zhì)得到有效的保護。