胡林,葉飛虹,楊杰
(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210094)
裂隙巖溶水是淮北市居民生活用水主要水源,由于幾十年的過度開采,其水位埋深持續(xù)下降,形成了較大范圍的巖溶水超采區(qū)及區(qū)域性的降落漏斗,有引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。為此,安徽省政府劃定了面積約123.8km的限采區(qū),淮北市政府于2019年實(shí)施了《淮水北調(diào)水源置換及地下水壓采工作方案》,力圖緩解區(qū)內(nèi)巖溶水的超采狀況。因此,建立三維非穩(wěn)定流地下水流數(shù)值模型,對壓采方案實(shí)施后研究區(qū)巖溶水水位動(dòng)態(tài)變化,進(jìn)行預(yù)測顯得很有必要。
淮北市位于安徽省北部,地處華東地區(qū)腹地,市域范圍南北長108km,東西寬近 60km,總面積約2741.4.4km?;幢笔械靥幓幢逼皆?,地勢由西北向東南緩緩傾斜,地面坡降1.5/10000,區(qū)內(nèi)分布有山澗盆地、低山丘陵和洪沖積平原。
淮北市地處中緯度地區(qū),屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。主要?dú)夂蛱卣魇羌撅L(fēng)明顯,氣候溫和,雨水適中,春溫多變,秋高氣爽,冬季顯著,夏雨集中?;幢笔心昃鶜鉁?5.0℃,最高氣溫41.1℃(1972年6月1日),最低氣溫-21.3℃(1969年2月5日),月均日照時(shí)長為193h,積溫4753.6℃(t≥5℃),太陽輻射全年為總量124.5千卡/cm,干熱風(fēng)多出現(xiàn)在5月中、下旬,年均相對濕度71%。
淮北市地層除第四系松散層沉積外,下覆地層裂隙發(fā)育豐富,部分地區(qū)裂隙裸露,地下水的開采呈現(xiàn)出孔隙—裂隙巖溶水混采的局面。淺層孔隙水分布于西部和南部平原區(qū),主要用于農(nóng)田灌溉、禽畜養(yǎng)殖、工業(yè)用水;深層裂隙巖溶水分布于淮北市北部地區(qū),主要用于城鎮(zhèn)居民生活和公共等項(xiàng)目用水。本次研究區(qū)域?yàn)榛幢笔袔r溶水集中開采區(qū)域,位于淮北市北部地區(qū),面積約1000km。研究區(qū)地理位置圖,見圖1所示。
圖1 研究區(qū)地理位置圖
區(qū)域?qū)偃A北地層區(qū)淮河地層分區(qū),上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)(O-C)、三疊系(T)、侏羅系(J)缺失,上第三系(N)、第四系(Q)為松散巖,組成松散巖類含水巖組,賦存孔隙水;上震旦統(tǒng)(Z)、二疊系(P)、白堊系(K)、下第三系(E)為碎屑巖,組成碎屑巖類含水巖組,賦存裂隙水;上石炭統(tǒng)(C)為碎屑巖夾碳酸鹽巖,組成碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水巖組,賦存裂隙巖溶水;下震旦統(tǒng)(Z)、寒武系(∈)、奧陶系(O)為碳酸鹽巖或碳酸鹽巖夾碎屑巖,組成碳酸鹽巖類或碳酸鹽巖夾碎屑巖類含水巖組,賦存裂隙巖溶水。
淺層含水巖組砂層發(fā)育有2層~3層,累計(jì)厚度10m~30m;砂層間無穩(wěn)定的粘性土分布,含水層之間長只有1m~4m的粘性土相隔,許多地方粘性土尖滅;淺層含水巖組各含水層間水力聯(lián)系密切。深層含水巖組由中更新統(tǒng)下部、下更新統(tǒng)和中新統(tǒng)組成;砂層在徐樓、五鋪、前常一帶最為發(fā)育,厚度10m~35m,最厚達(dá)60多米。
基巖裸露的巖溶水分布地區(qū),直接受大氣降水、地表水補(bǔ)給,其他地區(qū)巖溶水受含水層間越流補(bǔ)給影響。巖溶水作為淮北市的主要生活用水供水水源,人工開采是其主要排泄途徑。
2018年,淮北市總用水量為4.36億m,其中裂隙巖溶水用水量1.417億m,占總用水量的32.5%,主要用于居民生活和城鎮(zhèn)公共等項(xiàng)目用水。為了根治淮北市巖溶水超采問題,淮北市實(shí)施了《淮水北調(diào)水源置換及地下水壓采工作方案》。
根據(jù)壓采方案,“引江濟(jì)淮”外調(diào)水將于2025年作為淮北市城鎮(zhèn)居民生活用水的主要水源,淮北市計(jì)劃分2018年~2019年、2020年~2024年、2025年及以后三個(gè)階段對限采區(qū)內(nèi)巖溶水進(jìn)行壓采,2025年前的時(shí)間利用限采區(qū)外的徐樓水源地進(jìn)行水源置換,見表1所示。
淮北市水源配置方案一覽表 表1
根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)及鉆孔資料,在垂向上將研究區(qū)概化為三層,見圖2所示。
圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)概化模型
①潛水—承壓含水層:該層主要由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)的粘質(zhì)砂土、粘土及粉砂組成。該含水層遍布全區(qū),僅在北部山前厚度較薄,層厚約10m~55m左右。
②弱透水層:該層層厚范圍約5m~40m,由于監(jiān)測到上覆孔隙水水位與下伏裂隙巖溶水水位存在數(shù)米水位差,且徑流滯緩,因此將該層概化為弱透水層,既作為孔隙水與巖溶水溝通的主要通道,同時(shí)也起到一定的隔水作用。
③裂隙巖溶含水層:該層主要由第三系的砂礫巖、泥巖以及第四系下的灰?guī)r組成。該層除北部山區(qū)部分出露,均下伏于第四系地層,層厚約370m~430m。
對于本次模型,以淮北市巖溶水集中開采區(qū)為模擬中心,包括整個(gè)限采區(qū)及限采區(qū)外徐樓水源地,模擬區(qū)南北長40km,東西長 25km,總面積為1000km。本次模擬初始時(shí)間為2018年1月1日,模擬期設(shè)為10年。模擬區(qū)范圍及限采區(qū)位置,見圖3所示。
圖3 模擬區(qū)范圍及限采區(qū)位置圖
依據(jù)前面建立的水文地質(zhì)概念模型,構(gòu)建相應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模型,如下所示:
式中:K表示含水層滲透系數(shù)(m/d);H表示第一含水層水位(m);H表示第二含水層 水 位(m);H表示第二含水層初始水位(m);M表示第二含水層厚度(m);m表示弱透水層厚度(m);q表示各抽水井的開采強(qiáng)度(m/d);μ*表示彈性釋水系數(shù);t表示時(shí)間(d);D 表示模擬區(qū)范圍;Γ表示第一類邊界。
數(shù)值模型建立后,利用已有的地下水位觀測值資料,采用試錯(cuò)法進(jìn)行模型識(shí)別,確定水文地質(zhì)參數(shù),使得計(jì)算水位和觀測水位充分?jǐn)M合,滿足規(guī)范要求。
由于水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔的缺乏,難以形成平面空間水位等值線;本次模型識(shí)別僅依據(jù)位于研究區(qū)的H162巖溶水監(jiān)測孔水位動(dòng)態(tài),進(jìn)行數(shù)值模擬模型的識(shí)別;經(jīng)過反復(fù)調(diào)參,最終得到較為理想的模型識(shí)別結(jié)果,擬合結(jié)果如圖4所示,各地層水文地質(zhì)參數(shù)取值,見表2所示。
圖4 H162觀測孔水位擬合過程線
研究區(qū)各含水層參數(shù)賦值表 表2
利用識(shí)別后的模型進(jìn)行模擬,得到了模擬區(qū)以限采方案開采巖溶水2年末、5年末、8年末、10年末的地下水水位等值線圖,見圖5所示。
圖5 不同開采時(shí)期巖溶水水位等值線圖
根據(jù)模型模擬,得到了淮北市“壓采方案”實(shí)施后開采10年期間的區(qū)域水位等值線圖。對巖溶水水位等值線圖進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論:
①開采2年末,限采區(qū)內(nèi)巖溶水開采井群中心水位出現(xiàn)下降趨勢,限采區(qū)外水位基本不變;
②開采5年末,隨著“壓采方案”的實(shí)施,限采區(qū)內(nèi)開采中心水位有所回升,回升幅度在0.5m~1m之間,而限采區(qū)外的徐樓水源地水位出現(xiàn)下降趨勢;
③開采8年末,由于水量壓采幅度的增大,限采區(qū)內(nèi)開采中心水位回升較快,限采區(qū)外徐樓開采點(diǎn)水位持續(xù)下降;
④開采10年末,“引江濟(jì)淮”外調(diào)水開始作為淮北市生活用水主要水源,限采區(qū)內(nèi)水位基本恢復(fù)至初始水位狀態(tài),限采區(qū)外徐樓水源地水位仍保持下降趨勢,但隨著區(qū)域巖溶水補(bǔ)給條件變好,下降速率減緩。
綜上,通過地下水流數(shù)值模型預(yù)測,隨著《淮水北調(diào)水源置換及地下水壓采工作方案》的實(shí)施后,淮北市限采區(qū)內(nèi)巖溶水水位持續(xù)回升,限采區(qū)外徐樓水源地巖溶水水位逐步下降,限采措施對區(qū)域巖溶水水位動(dòng)態(tài)有較大影響,一定程度上能緩解淮北市的巖溶水超采現(xiàn)狀。