孫向田

摘要：應(yīng)用數(shù)值模擬方法，對(duì)洛河水面工程修建后，洛陽(yáng)市盆地區(qū)地下水資源量變化進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對(duì)洛陽(yáng)市區(qū)主要水源地的開采潛力進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，洛陽(yáng)市2007-2009年，地下水年平均可開采量為3.68×108m3，洛河水面工程的修建加強(qiáng)了洛河水對(duì)地下水的補(bǔ)給，年增加補(bǔ)給量0.8×108m3左右，目前伊、洛河對(duì)洛陽(yáng)市地下水的補(bǔ)給量達(dá)到2.78×108m3/a。水面工程修建后，洛南水源地每天增加開采量6×104m3，漏斗中心區(qū)水位增加降深2m左右;李樓水源地每天增加開采量6×104m3，漏斗中心區(qū)水位增加降深2.2m左右。

關(guān)鍵詞：地下水;數(shù)值模擬;洛河;水面工程;洛陽(yáng)市

中圖分類號(hào)：X523 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）05-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.157

Evaluation of groundwater resources and analysis of exploitation potential of water sources in Luoyang city

Sun Xiangtian

（Inner Mongolia Autonomous Region Hohhot Ecological Environment Monitoring Station，Hohhot Inner Mongolia 010000，China）

Abstract： The changes of groundwater resources in Luoyang basin after the construction of the Luohe river surface project were evaluated by using numerical simulation method， and the exploitation potential of the main water source area in Luoyang city was analyzed.The research results show that the average annual exploitable amount of groundwater in Luoyang city was 3.68 × 108m3 from 2007 to 2009. The construction of the Luohe river surface project has strengthened the recharge of the water from the Luohe river to the groundwater， with an annual increase of about 0.8×108m3. At present， the recharge amount of the groundwater in Luoyang city from the Yihe and Luohe rivers has reached 2.78 × 108m3 / a.After the construction of the water surface project， the water source area in Luonan will increase the exploitation amount by 6 × 104m3 every day， and the water level in the center of the funnel will increase the drawdown by about 2m; The exploitable amount of groundwater is increased by 6 × 104m3 every day in Lilou water source area，and the water level in the central area of the funnel is increased by about 2.2m.

Key words： Groundwater; Numerical simulation;Luohe River;Surface engineering;Luoyang City

1996年第30屆國(guó)際地質(zhì)大會(huì)宣布，“全世界地下水的一半正在受到污染”。 21世紀(jì)是水的世紀(jì)，全球面臨著嚴(yán)重的水危機(jī)。2002年的可持續(xù)發(fā)展世界首腦會(huì)議上，水被列為水、能源、健康、農(nóng)業(yè)和生物多樣性五大課題之首，水與發(fā)展、水與環(huán)境和水管理是備受關(guān)注的三大領(lǐng)域。地下水是地球上最為穩(wěn)定，分布最為廣泛的水資源之一，全世界超過15 億的人口主要依靠地下水作為生活水源。 我國(guó)水資源總量的1/3和全國(guó)總供水量的近20%來自地下水。 我國(guó)有400多個(gè)城市開采地下水， 北方和西部地區(qū)主要城市的地下水利用率常超過供水總量的50% ，許多城市高達(dá)80%以上。在部分城市和廣大農(nóng)村地區(qū)，地下水甚至是唯一的供水水源[1]。然而由于天然劣質(zhì)水[2、3]及人類活動(dòng)的影響，優(yōu)質(zhì)地下水資源日趨減少。特別是強(qiáng)烈人工干預(yù)下的地下水流動(dòng)系統(tǒng)演變已經(jīng)成為改變局部乃至區(qū)域水循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力。如采礦活動(dòng)導(dǎo)致地下水形成巨大降落漏斗，地下水水質(zhì)惡化[4、5];農(nóng)業(yè)活動(dòng)大量使用化肥導(dǎo)致的地下水氮化物濃度升高[6]等。

1 洛陽(yáng)市地下水概況

洛陽(yáng)市坐落于洛陽(yáng)盆地西部，由于水文地質(zhì)條件差異，地下水開發(fā)利用程度不同。在伊洛河谷區(qū)工農(nóng)業(yè)用水多以開采淺層地下水為主，工業(yè)開采及城市供水多集中在伊洛河兩岸，目前洛陽(yáng)市區(qū)地下水年開采總量為2.8-3×108m3。現(xiàn)狀條件下洛陽(yáng)市區(qū)共有8個(gè)集中供水水源地（圖1）。由于長(zhǎng)期大量開采地下水，使區(qū)域地下水位比大規(guī)模開采前大幅度下降[7]。

為了防止地下水水位持續(xù)下降和減小地下水降落漏斗的面積，洛陽(yáng)市政府在洛河市區(qū)段修建五級(jí)水面工程，增加洛河水對(duì)地下水的補(bǔ)給。五級(jí)水面工程回水長(zhǎng)度14公里，形成水面11445畝，蓄水量2182×104m3。河水位平均抬高2.2m，側(cè)向及垂直滲漏補(bǔ)給地下水的能力大大加強(qiáng)。

前人對(duì)洛陽(yáng)盆地地下水環(huán)境做了一些研究[8-11]。為了準(zhǔn)確的了解洛陽(yáng)市水面工程修建對(duì)洛陽(yáng)市區(qū)地下水資源量及各水源的開采潛力的影響，本文應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)水面工程修建后，洛陽(yáng)市的地下水資源進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)該區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用。

本次研究區(qū)域?yàn)?，洛?yáng)市主要地下水集中開采區(qū)（洛陽(yáng)盆地洛陽(yáng)市部分），面積為446.2 km2（圖1）。

2 洛陽(yáng)市地下水流動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 概念模型

根據(jù)水文地質(zhì)條件，研究區(qū)在垂向上第四系松散沉積層可以概化為三層，即潛水含水層（Q4及Q3），相對(duì)隔水層（Q2）及一個(gè)承壓含水層（以Q1為主）。洛陽(yáng)市淺層地下水的補(bǔ)給來源主要是降水、河水、灌溉水的入滲及盆地周邊的側(cè)向補(bǔ)給;開采、蒸發(fā)、向深層越流及區(qū)外的側(cè)排為主要排泄途徑。研究區(qū)地下水基本有盆地周邊向盆地中部匯集，沿著伊洛河向偃師方向排泄，研究區(qū)地下水流動(dòng)系統(tǒng)見圖2。深層水的主要補(bǔ)給來源是上層越流和盆地周邊的側(cè)向補(bǔ)給，開采為主要排泄途徑。由于隔水層中天窗及混合開采井的存在，使上、下含水層互相串通，研究區(qū)地下水具有明顯的三維流動(dòng)特征。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型來描述洛陽(yáng)市地下水流動(dòng)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型為：

式中，Kxx、Kyy和Kzz分別為X、Y和Z方向的滲透系數(shù)[L/T]，Kxx=Kyy;H為水頭值[L];ε為源匯項(xiàng)[L/T];S為給水度[-]，第一含水層取重力給水度μd，由于開采地下水，第二層存在由承壓轉(zhuǎn)無壓的情況，當(dāng)為承壓時(shí)，采用彈性釋水系數(shù)μe，為無壓狀態(tài)時(shí)，選用重力給水度μd;Ω為模擬范圍;n為邊界面的外法線方向;Γ為側(cè)邊界;B為底邊界;qb為越流量;H0為初始水位[L]。本次研究中應(yīng)用modflow求解上述數(shù)學(xué)模型。

2.3 模型參數(shù)及源匯項(xiàng)

伊河與洛河是研究區(qū)內(nèi)最主要的河流，根據(jù)水面工程運(yùn)行的情況，設(shè)定各個(gè)河段不同時(shí)刻的河水位高程，計(jì)算河床底板的水力傳導(dǎo)系數(shù)。滲透系數(shù)、給水度、降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)、灌溉滲漏補(bǔ)給系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的方法確定。地下水蒸發(fā)量、側(cè)向徑流量及水源地開采等根據(jù)河南省地質(zhì)工程公司資料賦予模型。

2.4 模型校正及檢驗(yàn)

本次研究中模擬時(shí)間是從1999年1月-2015年2月，共收集到24個(gè)常觀孔資料，觀測(cè)時(shí)間是從2002年1月-2008年12月。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分布特點(diǎn)，本次模型的擬合及檢驗(yàn)時(shí)段劃分如下：

1）以1999年的實(shí)測(cè)淺層地下水滲流場(chǎng)作為模型率定的初始流場(chǎng);

2）研究區(qū)2002-2005年的地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料，作為參數(shù)識(shí)別的依據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行校正;以2006-2008年的動(dòng)態(tài)觀測(cè)水位作為模型的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)（圖3）;

為了對(duì)所有觀測(cè)井的觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對(duì)比，本次研究中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)模型予以檢驗(yàn)。各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，相對(duì)均方差（RMS）為3.11; 平均誤差（ME）為2.26; 平均絕對(duì)誤差（MAE）為0.39m， 這表明觀察值與計(jì)算值符合的較好。從總體上可以看出模型已經(jīng)成功的再現(xiàn)了模擬期的地下水位的時(shí)空變化規(guī)律（例如，地下水位、降落漏斗的降深及位置等）。

2.5 模擬結(jié)果分析

應(yīng)用校正后的模型，對(duì)洛陽(yáng)市盆地區(qū)2007-2009年地下水年平均資源量進(jìn)行分析，見表1，2。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，洛河水面工程的修建大大增加了地表水對(duì)地下水的補(bǔ)給。目前伊、洛河對(duì)洛陽(yáng)市地下水的補(bǔ)給占總補(bǔ)給量的65.4%，達(dá)到2.78×108m3/a，比沒有修建水面工程前，高0.8×108m3/a。

洛陽(yáng)盆地承壓含水層主要接受潛水含水層層的越流補(bǔ)給及邊山的側(cè)向補(bǔ)給，由于在模型中越流補(bǔ)給屬于內(nèi)源存在著重復(fù)計(jì)算問題，因此承壓含水層中補(bǔ)給項(xiàng)只考慮側(cè)向補(bǔ)排（表2）。

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，洛陽(yáng)市多年平均地下水可開采資源量（包括承壓水和潛水）為3.684×108m3/a，而目前開采量在2.8-3×108m3/a，因此洛陽(yáng)市目前地下水處于正均衡狀態(tài)，還有開采潛力可挖。并且在傍河水源地的開采激發(fā)下，洛河水向地下水的補(bǔ)給量將增大，因此洛陽(yáng)市地下水還有增采的空間。

3 洛陽(yáng)市水源地開發(fā)潛力分析

目前洛陽(yáng)市地下水年總補(bǔ)給量為3.684×108m3/a，開采量為2.8-3×108m3/a，尚可增加開采量約0.5×108m3/a。本次研究中，應(yīng)用校正后的模型對(duì)洛陽(yáng)市主要水源地的開采潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

設(shè)計(jì)增加開采量見表3。

模型中增加開采量時(shí)間從2010年1月1日開始，模擬分析到2015年2月份，各水源地地下水位變化。

模擬結(jié)果顯示：

洛南水源地地下水漏斗中心水位降深較少，僅比增采量前，增加降深2m左右，水位保持在127.5m左右（圖4）。

臨澗水源地增加開采2×104m3/d后，漏斗中心地下水位降深比增采前，增加4 m左右，水位穩(wěn)定在129m，降深較大（圖5）。

張莊水源地增加開采2×104m3/d后，漏斗中心地下水位比增采前，增加降深5 m左右，水位穩(wěn)定在129m（圖6）。

東郊水源地漏斗中心水位降深比增加開采量前，增加6m，水位保持在114m左右，不適合擴(kuò)大開采（圖7）。

五里堡水源地增加開采后，漏斗中心地下水位降深，增加0.7m左右，水位穩(wěn)定在120.5m，降深不大（圖8）。