李自濤，李 琛，何 鎮(zhèn)

(1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

水資源作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，深刻影響著人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。在干旱半干旱地區(qū)，地下水資源是保障城鄉(xiāng)居民生活、維護(hù)生態(tài)平衡和支持社會(huì)發(fā)展的重要支撐[3]。對(duì)地下水資源進(jìn)行合理性分析、評(píng)價(jià)，是保證其合理、可持續(xù)利用的前提，對(duì)開(kāi)采潛力進(jìn)行正確評(píng)價(jià)分析，是認(rèn)識(shí)地下水開(kāi)發(fā)利用的有效手段和理論指南。文章系統(tǒng)地對(duì)中牟縣東漳—狼城崗區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)區(qū)域地下水資源和可采潛力進(jìn)行了深入分析，這為合理利用地下水資源，避免環(huán)境惡化和地面沉陷等提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

中牟縣東漳—狼城崗水源地評(píng)價(jià)計(jì)算面積205.57 km2，北部至黃河水邊線，西部以九堡-岳莊村-李寺莊一線為界，南側(cè)以李寺莊-北堤村-沙門(mén)村一線為界，東側(cè)以后崗-沙門(mén)村一線為界。根據(jù)黃河沿岸水資源評(píng)價(jià)特點(diǎn)，按照地貌沿黃河大堤將水源地劃分為三個(gè)區(qū)，老灘新灘分界線以北為Ⅰ區(qū)，大堤-老灘新灘分界線為Ⅱ區(qū)，大堤以南為Ⅲ區(qū)。其中Ⅰ區(qū)面積81.50 km2，Ⅱ區(qū)面積48.07 km2，大堤外的面積76.00 km2。水資源評(píng)價(jià)分區(qū)見(jiàn)圖1。

圖1 水資源評(píng)價(jià)分區(qū)圖

2 模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

地下水系統(tǒng)符合能量守恒和質(zhì)量守恒定律，研究區(qū)域地下水流動(dòng)基本上以水平向運(yùn)動(dòng)為主，垂直向?yàn)檩o；常溫常壓環(huán)境下，地下水流動(dòng)符合達(dá)西定律。地下水系統(tǒng)為非穩(wěn)定流，非均質(zhì)，且在平面上具有各項(xiàng)同性，垂直向上表現(xiàn)出明顯的各向異性。此地下水系統(tǒng)可用如下微分方程的定解條件來(lái)描述：

x，y，z∈Ω，t≥0

x，y，z∈Γ0，t≥0

h(x，y，z，t)|t=0=h0x，y，z∈Γ0，t≥0

式中：μ為含水介質(zhì)的給水度；h為含水層的水位標(biāo)高(m)；Ω為滲流區(qū)域；n為邊界面的法線方向。ε為含水層的源匯項(xiàng)(1/d)；S為含水介質(zhì)的儲(chǔ)水率(1/m)；h0為含水層的初始水位(m)；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)(m/d)；p為潛水面的蒸發(fā)和降水(m/d)；Γ1為滲流區(qū)域的側(cè)向和下邊界；Γ2為滲流區(qū)的側(cè)向邊界；q(x,y,z,t)為Γ1邊界的流量，流出為負(fù)，流入為正，隔水邊界為0(m/d)；Kx，Ky，Kz分別為x，y和垂向滲透系數(shù)(m/d)。

2.2 地下水流模型

使用LGR模塊的局域網(wǎng)格嵌套加密功能對(duì)區(qū)域內(nèi)的10個(gè)水源地網(wǎng)格完成加密。即細(xì)化了水源地模型網(wǎng)格，還保證了水源地與區(qū)域模型在流入流出邊界的一致，達(dá)到了準(zhǔn)確細(xì)致模擬水源地的同時(shí)，確保模型預(yù)測(cè)結(jié)果更加精確，網(wǎng)格嵌套加密示意見(jiàn)圖2。

圖2 水源地網(wǎng)格嵌套加密示意圖

水源地位于中牟縣東北黃河大堤內(nèi)，面積205.57 km2。利用LGR模塊，將模擬區(qū)平面上剖分為236行，411列規(guī)則網(wǎng)格，按照50 m×50 m的格式剖分，垂向剖分四層，每層劃分96 996個(gè)單元格，見(jiàn)圖3。根據(jù)物探和鉆探成果在區(qū)域模型的基礎(chǔ)上，對(duì)水源地的滲透系數(shù)進(jìn)行了細(xì)化分區(qū)，見(jiàn)圖4。

圖3 水源地平面和垂向網(wǎng)格剖分圖 圖4 水源地滲透系數(shù)分區(qū)圖

3 允許開(kāi)采量評(píng)價(jià)

3.1 水源地規(guī)劃

規(guī)劃開(kāi)采條件下，水源地的布井方案見(jiàn)圖5、表1。水源地的初始流場(chǎng)詳見(jiàn)圖6，開(kāi)采層位于含水層的第二個(gè)承壓含水層。

表1 水源地布井方案表

圖5 水源地布井方案示意圖 圖6 水源地初始流場(chǎng)

經(jīng)分析降雨周期特性，選取了1972-1991年共計(jì)20 a的降雨量建立水量預(yù)測(cè)模型，此區(qū)間降水周期中共有6個(gè)枯水年，在最后5 a區(qū)間存在4個(gè)連續(xù)枯水年，可滿足極端條件預(yù)測(cè)需要。輸入多年平均補(bǔ)排水量為源匯項(xiàng)，豐水年減小農(nóng)業(yè)和魚(yú)塘開(kāi)采量，枯水年則相應(yīng)增加農(nóng)業(yè)和魚(yú)塘開(kāi)采量。如上述水源地開(kāi)采層位，依據(jù)其坐標(biāo)加載在模型第三層網(wǎng)格之上。

3.2 模型預(yù)測(cè)結(jié)果分析

規(guī)劃開(kāi)采條件下，水源地淺層地下水預(yù)測(cè)流場(chǎng)如圖7，由圖可見(jiàn)，中牟縣東漳-狼城崗水源地地下水位下降幅度較大，形成了局部的降落漏斗。

圖7 規(guī)劃開(kāi)采條件預(yù)測(cè)流場(chǎng) 圖8 規(guī)劃開(kāi)采20a后預(yù)測(cè)水位降深

規(guī)劃開(kāi)采條件下，水源地淺層地下水降深如圖8。由圖可看出，水源地在規(guī)劃開(kāi)采的前十年水位持續(xù)下降，且下降速率很快，十年后速率減慢，水位漸趨于穩(wěn)定。預(yù)測(cè)期水位最大降深約8 m。

3.3 水源地地下水開(kāi)采量組成分析

按照規(guī)劃開(kāi)采量，水源地的開(kāi)采會(huì)激發(fā)黃河側(cè)向補(bǔ)給，在減少區(qū)域蒸發(fā)量和側(cè)向流出量的同時(shí)，縮減了深層躍遷水量，儲(chǔ)存水量亦被開(kāi)采。基于現(xiàn)狀和規(guī)劃開(kāi)采條件下的淺層地下水多年平均水量均衡情況對(duì)比，可知人工開(kāi)采條件下各工況補(bǔ)排量參數(shù)變化。中牟縣東漳-狼城崗水源地在規(guī)劃的開(kāi)采條件下，設(shè)計(jì)開(kāi)采量5 475×104m3/d，黃河側(cè)滲流補(bǔ)給增加量約占總量的63.67%，同時(shí)政法減少量約占開(kāi)采總量的10.82%，動(dòng)用的儲(chǔ)存量?jī)H占開(kāi)采總量的8.15%。見(jiàn)表2。

表2 中牟縣東漳-狼城崗水源地規(guī)劃開(kāi)采條件下的開(kāi)采量組成

3.4 水源地地下水允許開(kāi)采量評(píng)價(jià)

在滿足開(kāi)采約束條件下按照不同開(kāi)采方案，預(yù)測(cè)開(kāi)采資源量，在不影響現(xiàn)有水源地正常運(yùn)行和其他行業(yè)用水的前提下，充分利用現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)為原則。限定的開(kāi)采約束條件有以下幾種：

(1)基于現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，規(guī)定水源地開(kāi)采主井在模型計(jì)算時(shí)的水位下降深度不得超過(guò)含水層的1/3厚度。

(2)要求預(yù)測(cè)開(kāi)采量不得超過(guò)水資源可開(kāi)采總量。

(3)開(kāi)采條件下，要求淺層地下水水位下降速度不得超過(guò)限定值。

綜上，在約束條件下完成預(yù)測(cè)模型計(jì)算，得到中牟水源地允許開(kāi)采量見(jiàn)表3，允許開(kāi)采量可完全滿足規(guī)劃開(kāi)采要求。

表3 中牟縣東漳-狼城崗水源地允許開(kāi)采量計(jì)算表

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)值法計(jì)算表明中牟縣東漳-狼城崗水源地在規(guī)劃開(kāi)采條件下，開(kāi)采量5 475×104m3/d中，黃河側(cè)向激發(fā)補(bǔ)給量占總開(kāi)采量的63.67%，同時(shí)政法減少量約占總開(kāi)采量的10.82%，動(dòng)用的儲(chǔ)存量?jī)H占開(kāi)采總量的8.15%。三維數(shù)值法對(duì)區(qū)域地下水資源計(jì)算評(píng)價(jià)分析，基于相應(yīng)要求的約束條件和邊界條件，合理設(shè)計(jì)參數(shù)，提高了地下水資源的評(píng)價(jià)精度。