竇 明， 胡浩東， 王繼華， 韓宇平， 潘 登

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450011； 3.華北水利水電大學(xué) 黃河科學(xué)研究院，河南 鄭州450045)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，中國許多地區(qū)大量開采深層承壓水造成承壓水位不斷下降、水質(zhì)惡化、含水層疏干、地面沉降等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，嚴(yán)重危及國家和地區(qū)的飲水安全。針對突出的地下水超采問題，2012年《國務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》中進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了嚴(yán)格地下水管理和保護(hù)、實(shí)行地下水取用水總量控制和水位控制管理的必要性。近年來，許多學(xué)者就地下水管理控制水位劃定方法展開研究。袁長極[1]提出了地下水臨界深度及確定方法。方樟等[2]提出了地下水控制性管理水位及閾值的概念，并利用地下水流數(shù)值模擬方法確定了示范區(qū)不同季度不同水平年在不同降水保證率下的控制性管理水位及閾值，將地下水控制性管理水位定量化。于璐等[3]在對海水入侵區(qū)地下水管理控制水位概念界定的基礎(chǔ)上，提出了地下水管理控制水位紅線-黃線-藍(lán)線分級模式?？傮w來看，中國在地下水資源管理方面進(jìn)行的研究工作主要是關(guān)于淺層地下水管理方面的研究，對深層承壓水管理的相關(guān)研究工作相對滯后。本文重點(diǎn)從承壓水管理中存在的實(shí)際問題出發(fā)，以西平縣新建深層承壓水水源地為研究區(qū)，通過對承壓水水源地不同開采情景下未來水位變化情況進(jìn)行預(yù)測，得出一套服務(wù)于當(dāng)前最嚴(yán)格水資源管理制度建設(shè)的城市水源地承壓水合理開采水位的劃定方法。

1 研究方法

1.1 承壓水合理開采水位的界定

結(jié)合城市水源地開采地下水的特點(diǎn)，本文提出了承壓水合理開采水位的概念。承壓水合理開采水位是從水資源管理者的角度出發(fā)，根據(jù)城市水源地深層承壓水的開采現(xiàn)狀、未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水需求、地下水系統(tǒng)的涵養(yǎng)保護(hù)需要以及深層承壓水控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)而劃定的具有強(qiáng)制性效果的承壓水水位閾值區(qū)間。

承壓水合理開采水位的劃定思路為：收集研究區(qū)地下水水位變化資料、水文地質(zhì)資料以及鉆孔資料等，建立水文地質(zhì)概念模型和地下水?dāng)?shù)值模型，得到研究區(qū)范圍內(nèi)不同開采強(qiáng)度下承壓水水位的變化情況；通過地面沉降經(jīng)驗公式法計算出研究區(qū)范圍內(nèi)不同開采強(qiáng)度下年均沉降速率的大小，繪制出年均沉降速率等值線圖；結(jié)合已劃定的水源地保護(hù)區(qū)邊界，將地下水開采所引發(fā)的地面沉降控制在某一合理閾值區(qū)間以內(nèi)(例如對保護(hù)區(qū)以外的地面建筑物不造成顯著影響)，此時所對應(yīng)的承壓水位區(qū)間即為承壓水合理開采水位。

因此承壓水合理開采水位是位于正常開采水位和禁止開采水位之間且由一組水位所構(gòu)成的調(diào)控閾值區(qū)間。同時，為使承壓水合理開采水位具有操作性，引入禁止開采水位、限制開采水位和正常開采水位的概念及劃定方法。禁止開采水位是指地下水開發(fā)利用時不能突破的臨界限值。承壓水位在該水位或低于該水位狀態(tài)下，應(yīng)該減少水源地的開采規(guī)模，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的環(huán)境地質(zhì)問題。限制開采水位位于禁止開采水位和正常開采水位之間，用于警示管理者控制地下水開采規(guī)模。當(dāng)承壓水位低于該水位狀態(tài)時，應(yīng)控制承壓水的開采規(guī)模。正常開采水位是承壓水開發(fā)利用相對安全值。當(dāng)承壓水位處于正常開采水位和限制開采水位之間時，承壓水開發(fā)利用可以正常進(jìn)行。承壓水合理開采水位概念示意圖如圖1所示，圖中黑色曲線表示承壓水水位隨著開采強(qiáng)度增加不斷下降，反映了水源地承壓水水位和開采強(qiáng)度的關(guān)系。

圖1 承壓水合理開采水位概念示意圖Figure 1 Schematic diagram of rational water level concept of confined water

1.2 承壓水合理開采水位的控制指標(biāo)

城市承壓水水源地集中開采承壓水，由于開采量巨大，極易形成承壓水位降落漏斗，進(jìn)而引起區(qū)域地面沉降。研究表明，地面沉降量大小與地下水位變化高度相關(guān)，但是地面沉降過程相對滯后于地下水位的變化[4]。因此，選取年均沉降速率作為量化城市水源地承壓水合理開采水位的依據(jù)。目前，中國并沒有統(tǒng)一的地面沉降危害性程度劃分標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示，天津市目前多用沉降速率來劃分地面沉降危害性程度，浙江省采用累積沉降量作為分級標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)采用年均沉降速率作為地面沉降危害性程度劃分依據(jù)。

表1 地面沉降危害性分級表Table 1 Hazardous classification of land subsidence

針對承壓水水源地的特點(diǎn)，依據(jù)國家HJ 338—2018《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中地下水飲用水源保護(hù)區(qū)的劃分要求，將地下水飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分為一級保護(hù)區(qū)和二級保護(hù)區(qū)。研究區(qū)水源地一級保護(hù)區(qū)半徑為500 m，水源地二級保護(hù)區(qū)半徑為2 000 m。

1.3 地下水?dāng)?shù)值模型

近年來，地下水流數(shù)值模擬得到了長足的發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5]。地下水?dāng)?shù)學(xué)模型是以水文地質(zhì)概念模型為基礎(chǔ)建立起來的，研究區(qū)地下水流動系統(tǒng)的數(shù)值模型可以概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定流系統(tǒng)[6]，建立孔隙含水層的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型見式(1)：

(1)

式中：D為滲流區(qū)域；Kx、Ky、Kz分別為含水層和弱透水層x、y、z方向上滲透系數(shù)，m·d-1；w為含水層的源匯項，d-1；Ss為儲水系數(shù)，m-1；h為水位，m；h0(x,y,z,t)為某一已知函數(shù)，m；q(x,y,z,t)為二類邊界上定流量邊界，m3/d；τ1和τ2分別為第一類邊界和第二類邊界；n為邊界內(nèi)法線。

1.4 地面沉降計算方法

地下水開發(fā)利用引起的地面沉降問題一直備受關(guān)注，尤其是城市水源地集中大量開采深層承壓水引起地下水位持續(xù)下降，進(jìn)而形成區(qū)域地面沉降[7]。選取年均沉降速率作為量化新建城市承壓水源地深層承壓水合理開采水位依據(jù)。由于研究區(qū)缺乏相應(yīng)的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，故采用經(jīng)驗公式法計算研究區(qū)的年均沉降速率。經(jīng)驗公式法是基于太沙基一維固結(jié)理論，根據(jù)含水層和弱透水層的沉降機(jī)理不同，分層計算地面沉降量[8]。侯偉等[9]運(yùn)用經(jīng)驗公式法，對北京市東部區(qū)域抽取地下水引起的地面沉降進(jìn)行計算。

經(jīng)驗公式法為典型的滲流和地面沉降兩步計算模型[10]:第一步，計算研究區(qū)范圍內(nèi)地下水開采引起的水位降深；第二步，根據(jù)水位降深求出研究區(qū)范圍內(nèi)各點(diǎn)的地面沉降量，進(jìn)而求出年均沉降速率，計算公式見式(2):

(2)

式中：ΔB1為含水層的沉降量，mm；ΔB2為弱透水層的沉降量，mm；ΔB為總沉降量，mm；m為沉降時間，a；v為年均沉降速率，mm/a；γω為水的重度，取9 800 N/m3；αν為弱透水層壓縮系數(shù)，MPa-1；Es為含水層的壓縮模量，MPa；e0為初始孔隙比;壓縮系數(shù)、壓縮模量以及初始孔隙比為土力學(xué)參數(shù)，通過土力學(xué)實(shí)驗獲得參數(shù)取值；h1和h2分別為地下水?dāng)?shù)值模型的初始水位和模擬結(jié)果水位，m；Z1、Z2、Z3和Z4分別為含水層的頂板標(biāo)高和底板標(biāo)高以及弱透水層的頂板標(biāo)高和底板標(biāo)高，m。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西平縣中部地區(qū)洪河沖積平原區(qū)，北部和東南部局部為沖積緩傾斜平原。區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉、部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民生活用水以開采淺層地下水為主，淺層地下水水位埋深為1～6 m，井深一般在50 m以內(nèi)；承壓水水位埋深為5～30 m，開采層位為120～200 m，研究區(qū)范圍內(nèi)承壓水開采量基本不變，承壓水水位埋深相對穩(wěn)定。原承壓水水源地開采井14眼，設(shè)計開采能力為20 000 m3/d，新建承壓水水源地開采井15眼，設(shè)計開采能力為30 000 m3/d。研究區(qū)井位分布及目標(biāo)含水層初始水位見圖2。

圖2 研究區(qū)井位分布及目標(biāo)含水層初始水位Figure 2 Well location in the study area and initial water level of target aquifer

2.2 地下水?dāng)?shù)值模型的建立

本次地下水?dāng)?shù)值模擬采用了當(dāng)前國際上運(yùn)用較廣的GMS軟件，建立了研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型。

2.2.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)所收集的研究區(qū)內(nèi)22個鉆孔資料、4幅水文地質(zhì)剖面圖以及其他相關(guān)資料，通過系統(tǒng)分析與研究，明確研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，概化為3個含水層組，分別為潛水含水層、第I承壓含水層和第II承壓含水層，其中第II承壓含水層為目標(biāo)層。研究區(qū)范圍內(nèi)地層比較簡單，地層厚度變化不大，垂向上可以概化為6層。

2.2.2 水文地質(zhì)參數(shù)初始值

根據(jù)地下水富水性特征，將目標(biāo)含水層(即第II承壓含水層)劃分為5個區(qū)域，其他含水層和隔水層概化成1個區(qū)域，如圖2(a)所示。水文地質(zhì)參數(shù)主要包括貯水系數(shù)(Ss)和滲透系數(shù)(K)，水文地質(zhì)參數(shù)初始值見表2。水文地質(zhì)參數(shù)初始值參考了前人開展的抽水試驗和數(shù)值模型識別結(jié)果。

表2 目標(biāo)含水層水文地質(zhì)參數(shù)的初始值和識別值Table 2 Initial value and identification value of hydrogeological parameters of target aquifer m·d-1

2.2.3 計算條件確定

研究區(qū)面積157.1 km2，使用MODFLOW模塊對計算區(qū)域進(jìn)行自動剖分，在平面上將研究區(qū)剖分為100行和100列，共10 000個網(wǎng)格單元，其中有效單元格7 766個。研究區(qū)目標(biāo)含水層系統(tǒng)邊界上多個觀測井均具有長時間的觀測資料，含水層連續(xù)且分布面積較大，故研究區(qū)邊界定義為已知水頭邊界。模型目標(biāo)含水層補(bǔ)給項僅考慮側(cè)向徑流補(bǔ)給和越流補(bǔ)給。排泄項主要包括人工開采和側(cè)向徑流。

2.2.4 模型的識別和驗證

本次模擬采用2016年1月21日到2017年1月21日一個完整水文年的觀測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行識別，采用2017年6月9日22時至2017年6月21日22時群孔抽水試驗獲得的觀測數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行驗證。東觀測井實(shí)測水位與計算水位擬合曲線見圖3，目標(biāo)含水層水文地質(zhì)參數(shù)的識別值見表2。可以看出，該數(shù)值模型具有相當(dāng)高的模擬能力和計算精度，能反映出示范區(qū)第四系承壓水含水系統(tǒng)的實(shí)際特征，可以用于對不同開采情景下水源地地下水位變化的預(yù)測。

圖3 東觀測井?dāng)M合曲線圖Figure 3 The fitting curve of east observation well

2.3 不同開采強(qiáng)度下地面沉降量預(yù)測

2.3.1 開采情景設(shè)計

保持現(xiàn)有開采量不變，根據(jù)新建水源地地下水開采量的不同，確定不同的地下水開采情景。新建水源地共設(shè)定了6種不同的情景(S1,…,S6)，開采量分別為15 000 m3/d(S1)、20 000 m3/d(S2)、25 000 m3/d(S3)、30 000 m3/d(S4)、40 000 m3/d(S5)、45 000 m3/d(S6)，以不同開采強(qiáng)度開采20 a，不同開采情景下的計算結(jié)果如表3所示。

2.3.2 S1～S6情景下地下水位的變化

結(jié)果表明，新建水源地不同開采強(qiáng)度下承壓水位的響應(yīng)情況差別很大。當(dāng)研究區(qū)范圍內(nèi)承壓水位處于穩(wěn)定時，開采強(qiáng)度越大，新建水源地降落漏斗面積越大且漏斗中心承壓水位越小。S1～S6情景下的漏斗中心水位計算結(jié)果見表3。

2.3.3 S1～S6情景下的地面沉降量比較

不同情景下地面沉降的結(jié)果表明，新建水源地開采強(qiáng)度越大，降落漏斗中心水位越低，最大年均沉降速率越大，年均沉降速率大于10 mm/a的面積越大，典型觀測井地下水位越小。S1～S6情景下的地面沉降量的計算結(jié)果見表3。

表3 S1～S6情景下地面沉降量的計算結(jié)果Table 3 Calculation results of land subsidence under S1～S6 scenarios

在S1情景下，研究區(qū)年均沉降速率均小于10 mm/a，最大年均沉降速率為8.78 mm/a，且年均沉降速率大于8 mm/a的區(qū)域均位于水源地一級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)；在S3情景下，年均沉降速率大于10 mm/a的面積擴(kuò)大為2.70 km2，研究區(qū)最大年均沉降速率為11.97 mm/a，均位于水源地一級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，年均沉降速率大于8 mm/a的區(qū)域仍位于水源地二級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)；在S5和S6情景下，研究區(qū)最大年均沉降速率分別為16.37 mm/a和17.96 mm/a，年均沉降速率大于10 mm/a的面積為13.56 km2和16.96 km2，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一級保護(hù)區(qū)的范圍。S1～S6開采情景下年均沉降速率等值線圖見圖4。

圖4 S1～S6情景下年均沉降速率等值線圖Figure 4 Contour map of annual average land subsidence under S1～S6 scenarios

2.4 承壓水合理開采水位的確定

2.4.1 承壓水合理開采水位劃定原則

禁止開采水位的劃定原則為年均沉降速率大于或等于8 mm/a的區(qū)域均位于水源地二級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)時所對應(yīng)的臨界水位；限制開采水位劃定原則為年均沉降速率大于或等于10 mm/a的區(qū)域均位于研究區(qū)一級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，或年均沉降速率大于或等于8 mm/a的區(qū)域均位于研究區(qū)二級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)時所對應(yīng)的臨界水位；正常開采水位的劃定原則是研究區(qū)范圍內(nèi)年均沉降速率均小于10 mm/a，且年均沉降速率大于或等于8 mm/a的區(qū)域均位于研究區(qū)一級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)時所對應(yīng)的臨界水位。

2.4.2 承壓水合理開采水位劃定

依據(jù)承壓水合理開采水位的劃定原則，通過調(diào)整新建水源地地下水開采強(qiáng)度，分別求出正常開采水位、限制開采水位和禁止開采水位劃定原則所對應(yīng)的臨界開采強(qiáng)度。正常開采水位對應(yīng)的臨界開采強(qiáng)度為18 200 m3/d，限制開采水位對應(yīng)的臨界開采強(qiáng)度為28 600 m3/d，禁止開采水位對應(yīng)的臨界開采強(qiáng)度為33 400 m3/d。通過地下水?dāng)?shù)值模型，得到相應(yīng)開采強(qiáng)度下承壓水位的響應(yīng)情況,即為相應(yīng)的承壓水合理開采水位。典型觀測井的承壓水合理開采水位如表4所示。

表4 承壓水合理開采水位Table 4 Rational water level of confined water

3 結(jié)論

以河南省西平縣城市水源地為研究區(qū)，構(gòu)建了一套城市水源地承壓水合理開采水位的劃定方法。通過對該區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水實(shí)際開發(fā)利用情況分析，建立地下水模型，通過不同開采方案下地下水流場的預(yù)測和地面沉降量的計算，以地面沉降為約束條件，劃定研究區(qū)承壓水合理開采水位，為城市水源地承壓水的有效控制管理提供了參考。但由于缺乏研究區(qū)地面沉降數(shù)據(jù)，無法對計算結(jié)果進(jìn)行驗證，故可能存在一定的計算誤差。