豐亞麗

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

阜新地區(qū)位于遼寧的西部，屬于典型旱區(qū)，區(qū)域地表水資源量較貧乏，地下水是區(qū)域水資源供需補(bǔ)給的重要成分[1]。當(dāng)前，在最嚴(yán)格的水資源管理制度下，對區(qū)域地下水開采控制力度不斷增強(qiáng)，為保障阜新地區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用，需要對區(qū)域地下水變化影響因素進(jìn)行有效評估[2]。楊玉光[3]對阜新地區(qū)水資源承載能力進(jìn)行了評估分析，結(jié)果表明區(qū)域地下水資源的承載能力有所減弱，尤其是從2015年以后，阜新地區(qū)由于河道來水量逐變少，使得區(qū)域地下水得不到有效補(bǔ)給，地下水埋深呈現(xiàn)遞減變化[4]。由于地表水資源供給量較少，除了流域外調(diào)水措施，地下水補(bǔ)給是解決當(dāng)前阜新地區(qū)水資源供需矛盾日益緊張的有效措施之一[5]。合理設(shè)置區(qū)域地下水壓采方案將對區(qū)域地下水資源優(yōu)化配置至關(guān)重要,為此需要結(jié)合模擬分析方法，實現(xiàn)不同地下水壓采方案對區(qū)域地下水位的影響分析。李紹飛[6]結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模型對不同地下水開采方案對天津地區(qū)地下水修復(fù)效果進(jìn)行了評估，評估結(jié)果為天津地下水資源優(yōu)化配置提供了重要參考。許多學(xué)者的研究表明[7-12]，Richards模型可綜合考慮區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)，模擬的地下水位變幅和區(qū)域?qū)嶋H水位變化吻合度均較高，但該模型在遼寧地區(qū)還未進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用，為此結(jié)合Richards地下水模擬模型，以阜新地區(qū)為研究案例，對該區(qū)域不同地下水壓采方案下的水位變幅進(jìn)行模擬，從而實現(xiàn)不同壓采方案對地下水位變幅的影響評估，研究成果將為阜新乃至遼寧其他區(qū)域地下水資源規(guī)劃和可持續(xù)利用提供方法參考。

1 評估方法

文章采用Richards地下水模擬模型，通過不同地下水壓采方案，調(diào)整該模型的計算參數(shù)，實現(xiàn)不同地下水壓采方案下的水位計算值，和未開采前的水位進(jìn)行對比，分析其水位的動態(tài)變幅，從而分析該變幅是否對區(qū)域地下水承載能力產(chǎn)生影響。Richards模型首選對各控制計算節(jié)點的水量進(jìn)行分析：

(1)

式中：△Hi表示為控制節(jié)點水量，m3；Bβ和Aβ表示不同計算單位的計算面積，m2以及地下水埋深，m；△Hi為計算節(jié)點的水位，m；Ss為計算節(jié)點的補(bǔ)給率，%。在進(jìn)行數(shù)值模擬時首選需要確定地下水源匯項，即為計算節(jié)點的水量補(bǔ)給，其計算方程為：

(2)

式中：Qsi為地下水源匯補(bǔ)給流量，m3/s；Si為計算節(jié)點i的源匯補(bǔ)給率，%。 在此基礎(chǔ)上對土壤垂向滲透流量進(jìn)行分析：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：△β為不同節(jié)點控制單元的水力傳導(dǎo)度均值；Hs為第s計算節(jié)點的水位，m；bi、bs、ci、cs表示為水力傳導(dǎo)度計算系數(shù)。由于各控制單元流量方向不同，因此需要對控制單元進(jìn)行均衡計算：

(7)

式中：Qsi和Qvi為均通過隱式方程進(jìn)行求解。

2 實例應(yīng)用

2.1 區(qū)域概況

以阜新地區(qū)為研究實例，為遼寧省水資源最為短缺的地區(qū)，區(qū)域?qū)儆诘湫偷母珊禋夂?，多年降水量平均值?92mm，蒸發(fā)量多年均值為1740.5mm。阜新地區(qū)丘陵地形占總面積比例約為68%，平原和山間河谷之間賦存大量的地下含水層，地下水單井出水量可在600-3000m3/d之間。河套沖擊扇區(qū)域地下水富集程度較低，砂礫、礫石混凝土的巖性特征較為明顯，地下水單井出水量<100m3/d。結(jié)合阜新地區(qū)河套沖擊扇區(qū)域和山丘河谷兩個地下水觀測井作為模型數(shù)據(jù)，對地下水模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和驗證分析。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

分別結(jié)合兩個區(qū)域水文地質(zhì)概況，對Richards地下水模擬模型潛水層和深水層的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)設(shè)置情況見表1和表2。

表1 河套沖擊扇區(qū)域參數(shù)設(shè)置結(jié)果

表2 山丘河谷區(qū)域參數(shù)設(shè)置結(jié)果

阜新地區(qū)沖擊扇區(qū)域主要為砂、礫巖體，占總巖體比重為75%，其次為灰?guī)r及其他小類地質(zhì)巖。山丘河谷去主要為頁巖和砂巖，占據(jù)的比重超過80%，碎屑巖占據(jù)的比重較小。采用抽水試驗對模型需要的水力傳導(dǎo)度、滲透水補(bǔ)給率、側(cè)向和垂向滲透系數(shù)進(jìn)行分析，從沖擊扇區(qū)域參數(shù)分析結(jié)果可看出，參數(shù)設(shè)置較為合理，灰?guī)r的水力傳導(dǎo)度較大，這主要和其巖體特征有關(guān)，砂巖的滲透補(bǔ)給率系數(shù)較高，這主要和砂巖孔隙度較大，便于水量滲透有關(guān)。深水層的各項參數(shù)要高于淺水層，這主要是因為淺水層受土壤包氣態(tài)的影響較大，使得其地下水流較為明顯。從山丘河谷參數(shù)分析結(jié)果可看出，碎屑巖的水力傳導(dǎo)度最大，砂巖的最低，碎屑巖由于孔隙率較大，使得其水力傳導(dǎo)度一般較高。和河套沖擊扇區(qū)域較為一致，受土壤包氣帶影響，深水層的各項參數(shù)要大于淺水層。

2.2 模型驗證結(jié)果

在模型參數(shù)設(shè)置基礎(chǔ)上，結(jié)合6組抽水試驗對阜新河套沖擊扇區(qū)域和山丘河谷區(qū)地下水模型的計算效率進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表3。

表3 不同區(qū)域地下水模擬效率驗證結(jié)果

從各抽水試驗的分析結(jié)果可看出，Richards地下水模擬模型在阜新地區(qū)地下水模擬具有一定的精度，基本可滿足區(qū)域地下水位的預(yù)測分析。從對比恩熙結(jié)果可看出，山丘河谷區(qū)計算效率要好于河套沖擊扇區(qū)，這主要是因為山丘河谷區(qū)地下水富集程度較高，地下水模擬模型受數(shù)據(jù)輸入不確定性誤差較小，而河套沖擊扇區(qū)由于由于地下水富集程度較低，因此其模型輸入的水位和參數(shù)數(shù)據(jù)不確定性程度要高于山丘河谷區(qū)，使得其計算效率系數(shù)和各控制節(jié)點單元的計算時間都要明顯高于山丘河谷區(qū)，因此可表明，Richards地下水模擬模型在地下水富集較高的區(qū)域一般模擬精度要好于地下水資源富集度較低的區(qū)域。

2.3 不同開采方案下的潛水位動態(tài)變幅分析

在模型驗證的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定阜新地區(qū)河套沖擊扇及山丘河谷區(qū)域兩種主要地下水開采方案(見表4和表5,)作為模型輸入，主要調(diào)整模型的水力傳導(dǎo)度和補(bǔ)給率兩個參數(shù)，對不同地下水開采方案下的地下水位進(jìn)行變幅的動態(tài)分析，水位變幅結(jié)果見表6和表7。

從河套沖擊扇區(qū)域的兩種地下水開采方案可看出，主要是對淺層地下水進(jìn)行開采，地下水開采量每年在352萬m3-505萬m3，深層地下水開采量較小，主要考慮保護(hù)區(qū)域深層的地下水水量，其年均開采量<100萬m3。從表6河套沖擊扇區(qū)域的不同地下水開采方案的水位變幅可看出，由于河套沖擊扇區(qū)域地下水富集程度較低，因此其不同試驗組序下地下水動態(tài)變幅程度總體較低，不同地下水壓采方案下淺層地下水變幅在-0.11--0.34m之間，且第二種開采方案下的水位變幅較大，這主要是因為第二種地下水壓采率相比于第一種壓采方案偏高，且壓采時間較為集中，而第一種壓采方案時間間隔較長，地下水補(bǔ)給率較好，因此對其地下水位變幅影響程度較低。在河套沖擊扇區(qū)域一般建議壓采時間間隔10-15d左右，山丘河谷區(qū)域壓采時間間隔6-8左右，利于區(qū)域地下水的有效補(bǔ)給。從區(qū)域山丘河谷的水位變幅可看出，由于阜新地區(qū)山丘河谷地下水相比于沖擊扇區(qū)較為充沛，使得其地下水壓采率和壓采量均要高于河套沖擊扇區(qū)域，使得其不同地下水開采方案下的水位變幅明顯增加，但由于山丘河谷地下水埋深一般較大，因此只要壓采量符合區(qū)域地下水可承載的能力，其基本影響較低，從各試驗組序下的水位變幅結(jié)果可看出，各開采方案下淺層地下水位變幅在-0.15--0.45m之間，深層地下水位變幅在-0.07--0.18m之間，且同樣第二種壓采方案下的水位變幅更大。從楊玉光[3]對阜新地區(qū)水資源承載能力的分析結(jié)果可知，設(shè)定兩種地下水開采方案下的水位變幅均可滿足阜新地區(qū)地下水資源承載能力需求。

表4 河套沖擊扇區(qū)域地下水開采方案

表5 山丘河谷區(qū)域不同地下水開采方案

表6 河套沖擊扇區(qū)域不同地下水壓采方案下的水位變幅評估結(jié)果

表7 山丘河谷區(qū)域不同地下水壓采方案下的水位變幅評估結(jié)果

3 研究結(jié)論

1)在采用Richards地下水模擬模型進(jìn)行區(qū)域地下水位變幅模擬時，需要結(jié)合區(qū)域不同水文地質(zhì)分區(qū)來分別進(jìn)行模型參數(shù)的設(shè)置，從而提高區(qū)域地下水位變幅模擬精度；

2)Richards地下水模擬模型在地下水富集較高的區(qū)域一般模擬精度要好于地下水資源富集度較低的區(qū)域，在具體模擬不同地下水開采方案對區(qū)域地下水位影響時，主要是調(diào)整水力傳導(dǎo)度和滲透補(bǔ)給率兩個參數(shù)；

3)在河套沖擊扇區(qū)域一般建議壓采時間間隔10-15d左右， 山丘河谷區(qū)域壓采時間間隔6-8左右，利于區(qū)域地下水的有效補(bǔ)給；