周 文

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

1 和田市城市供水現(xiàn)狀

目前和田市有兩座供水廠：和田市第一水廠和和田市第二水廠。和田市第一水廠位于和田市二環(huán)南路西側(cè)，建成于1985年；供水范圍為和田市烏魯木齊路以東區(qū)域；水源為地下水，共有水源井18眼；設(shè)計(jì)日供水規(guī)模50 000 m3/d，現(xiàn)狀供水規(guī)模56 000 m3/d。和田市第二水廠位于古江南路西側(cè)，建成于2004年；供水范圍為和田市烏魯木齊路以西區(qū)域；水源為地下水，共有水源井9眼；設(shè)計(jì)日供水規(guī)模21 000 m3/d，現(xiàn)狀供水規(guī)模21 000 m3/d。

2 供水存在的問題

和田市第一水廠已經(jīng)超負(fù)荷運(yùn)行，第二水廠已經(jīng)滿負(fù)荷運(yùn)行。用水高峰期，下游用水戶出現(xiàn)水壓和水量不足現(xiàn)象。現(xiàn)狀水源地已不能滿足城市發(fā)展，需要建設(shè)新水源地。

水源地已被密集的住宅區(qū)包圍，和田市第一水廠、和田市第二水廠一級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)有大片居民區(qū)耕地，按照《中華人民共和國水污染防治法》的要求，需要拆除一級(jí)水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)所有已建設(shè)施，征地移民成本很大。

和田市第一水廠氟化物濃度為0.9 mg/L，接近臨界值；和田市第二水廠；氟化物濃度為1.1～1.3 mg/L；氟化物超標(biāo)。地下水水質(zhì)超標(biāo)，需經(jīng)超濾膜處理后才能飲用，處理成本較高，難以長期運(yùn)行。

3 新建水源地方案比選[1]

設(shè)計(jì)2025年啟用新水廠，并關(guān)閉和田市第一水廠和第二水廠27眼機(jī)井。新建水源地取水量為84 568 m3/d，年取水2 461萬 m3/a。水源地開采地段選擇在和田市以南10 km處吐沙拉鄉(xiāng)東部臨河地段。地理坐標(biāo)北緯37°0′22.24″～37°2′23.19″，東經(jīng)79°53′58.86″～79°56′30.28″，面積6 km2。

方案一：新建機(jī)井30眼，其中22眼機(jī)井布置在玉龍喀什河西岸一級(jí)階地上，8眼布置在三鄉(xiāng)一鎮(zhèn)水廠西側(cè)。方案二：新建機(jī)井22眼，其中2眼作為備用機(jī)井，22眼機(jī)井均布置在玉龍喀什河西岸一級(jí)階地上。機(jī)井詳細(xì)布置見圖1。

圖1 和田市新建水源井布置情況

4 建立地下水?dāng)?shù)值模型[2]

4.1 模擬范圍

采用Processing Modflow-8.0建立地下水水流數(shù)值模型。模型西南角坐標(biāo)為(395000，4095000)，東北角坐標(biāo)為(408000，4112000)。公里網(wǎng)坐標(biāo)，投影帶類型為3度帶，投影帶序號(hào)27，投影帶中心坐標(biāo)81°。模擬范圍如圖2所示。

圖2 模型初始流場和邊界處理情況

4.2 模型概化

根據(jù)鉆孔資料揭示：模擬區(qū)地層200 m以上為沖洪積層相互迭置，沉積物分布簡單。目前人類活動(dòng)影響的地下水范圍不超過200 m，且無承壓含水層。和田市水源地機(jī)井設(shè)計(jì)深度為120 m，因此本次數(shù)值模擬深度取200 m，將第四系含水介質(zhì)概化為一層潛水含水層，將模擬對(duì)象概化成三維均質(zhì)穩(wěn)定流模型。

4.3 邊界處理

上邊界概化為開放邊界。下邊界受人類活動(dòng)影響很弱，也不受本次水源地開發(fā)的影響，概化為不透水邊界。東側(cè)為玉龍喀什河，設(shè)置為定水頭邊界。南側(cè)接受山前側(cè)向補(bǔ)給，上游多年平均補(bǔ)給量穩(wěn)定，概化為定流量邊界。西側(cè)為玉龍喀什河與喀拉喀什河的分水嶺，設(shè)定為零流量邊界。北側(cè)為地下水下游，概化為定流量邊界。

4.4 空間離散和時(shí)間離散

采用等間距有限差分的離散方法，將含水層離散為340行、260列，網(wǎng)格大小為50 m×50 m，每個(gè)單元面積2 500 m2。模擬區(qū)內(nèi)有效單元格137 920個(gè)，有小單元格個(gè)數(shù)78 718個(gè)，有效區(qū)面積為2 758.4 km2。

根據(jù)兩期(2011年和2021年)流場和長觀井的數(shù)據(jù)，以2011年3月作為初始時(shí)刻，2021年3月為終止時(shí)刻。模擬時(shí)間單位為天，時(shí)間步長為1個(gè)月(每年的天數(shù)均為365 d，不考慮閏年)，整個(gè)模擬時(shí)間分成120個(gè)應(yīng)力期。

4.5 初始條件

4.5.1 初始流場

根據(jù)新疆建筑科學(xué)研究院2011年3月調(diào)查的地下水水位作為初始水位。生成Grid文件加載到PMWIN后自動(dòng)生成初始水位等值線，如圖1所示。

4.5.2 初始水均衡項(xiàng)

模型各個(gè)模擬程序包設(shè)置率定后的水均衡如表1所示。

表1 率定后模型輸出初始水均衡(12個(gè)應(yīng)力期)

4.5.3 初始算法

采用交替方向隱式差分法即強(qiáng)隱式法(SIP)迭代求解有限差分方程組。MXITER：最大迭代次數(shù)，模型擬合初期取50，后期取200。NPARM：迭代參數(shù)數(shù)目，取5，ACCL取值1。

4.6 模型參數(shù)選用

需要設(shè)置的初始參數(shù)包括：水平滲透系數(shù)、垂向滲透系數(shù)、有效孔隙度、給水度。為了快速接近正確結(jié)果，采用前人的工作成果，對(duì)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)。直滲透系數(shù)取值按照水平滲透系數(shù)的1/5取值，本模型為一層含水層，垂向滲透系數(shù)可不賦值。給水度根據(jù)巖性取經(jīng)驗(yàn)值。最終通過模型率定對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。

4.7 參數(shù)率定

為了使模型輸出的水均衡項(xiàng)與輸入的水均衡項(xiàng)在允許的誤差范圍內(nèi)，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定。需率定的參數(shù)有：水平滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)、給水度、排渠導(dǎo)水系數(shù)、蒸發(fā)率、常水頭邊界導(dǎo)水系數(shù)、湖床導(dǎo)水系數(shù)和覆蓋層厚度、干支渠導(dǎo)水系數(shù)及渠水高程等。反復(fù)調(diào)試上述參數(shù)，使模型輸出水均衡滿足要求。

4.8 模型驗(yàn)證

模型檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：模擬水均衡變化與實(shí)際水均衡基本一致；模擬地下水動(dòng)態(tài)過程與實(shí)測過程一致；模擬流場與實(shí)際流場基本一致；所得水文地質(zhì)參數(shù)符合實(shí)際水文地質(zhì)條件。

模型識(shí)別的具體操作方法是通過計(jì)算水位和實(shí)際水位的比較分析，反復(fù)修改參數(shù)，最終得到一組參數(shù)，使得所得模擬水位和野外實(shí)測水位之間的誤差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且盡量最小。采用間接法進(jìn)行人工調(diào)試，若水位擬合差未達(dá)到足夠小，則進(jìn)一步分析其原因，調(diào)整相關(guān)參數(shù)值，再次求取目標(biāo)函數(shù)最小。如此反復(fù)計(jì)算、分析，直至求得滿意結(jié)果為止。

圖3 計(jì)算流場與調(diào)查流場擬合

圖4 號(hào)觀測井?dāng)M合曲線

4.8.1 流場的擬合

將2011年3月調(diào)查流場作為初始流場，運(yùn)行10 a后，與2021年3月調(diào)查的地下水流場進(jìn)行擬合，如圖3所示(藍(lán)線為模型計(jì)算流場，綠線為2021年3月調(diào)查流場)。

模擬區(qū)流場走向基本一致，水位整體高程基本相同，擬合程度較好?；究梢宰鳛楹吞锸兴吹亻_采方案近十年的模擬預(yù)測。

4.8.2 觀測井水位擬合

圖4為模型計(jì)算的吐沙拉鄉(xiāng)長觀井120個(gè)應(yīng)力期(10年)水位動(dòng)態(tài)曲線，其中虛線為對(duì)應(yīng)的2011年至2021年水位實(shí)測值，實(shí)線為模型計(jì)算值。觀測井?dāng)M合曲線較好，說明模型可用。

5 開采方案預(yù)測[3]

在現(xiàn)狀年的開采條件下進(jìn)行地下水預(yù)測，預(yù)測期為2021-2041年。預(yù)測期內(nèi)共計(jì)為73 000 d(20年，240個(gè)應(yīng)力期)。關(guān)閉現(xiàn)有33眼機(jī)井，并根據(jù)新建機(jī)井布置圖在模型中增機(jī)井。將年取水2 461萬 m3/a，均攤至新增機(jī)井。運(yùn)行模型，對(duì)模擬區(qū)流場、地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

5.1 機(jī)井水位動(dòng)態(tài)預(yù)測

水源地運(yùn)行20 a后，方案一30眼機(jī)井中降幅最大的為7#機(jī)井，累計(jì)降幅達(dá)22.50 m，最大干擾降深達(dá)4.23 m。降幅最小的為22#機(jī)井，累計(jì)降幅為15.65 m。方案二22眼機(jī)井降幅最大的為7#機(jī)井，累計(jì)降幅達(dá)22.95 m，最大干擾降深達(dá)4.31 m。降幅最小的為22#機(jī)井，累計(jì)降幅為15.97 m。

表2 運(yùn)行20 a后地下水位降幅統(tǒng)計(jì)表

水位動(dòng)態(tài)曲線見圖5。根據(jù)地下水位動(dòng)態(tài)曲線：地下水位下降速率最快時(shí)段為水源地建成后第一年，第二至第五年地下水位降幅趨于穩(wěn)定，水位還在緩慢下降中，但降幅已經(jīng)越來越小。

5.2 流場預(yù)測

按方案一機(jī)井布置，機(jī)井開采一年后，在機(jī)井周邊形成了2個(gè)降落漏斗。北側(cè)漏斗近似橢圓形，東西寬約3.5 km，南北約6.4 km。南側(cè)漏斗東西長3.6 km，南北寬2.0 km。隨著開采時(shí)間推移，漏斗逐漸擴(kuò)大，兩個(gè)漏斗逐漸相連，至2041年3月，漏斗基本接近穩(wěn)定。2041年3月流場見圖6。

按方案二機(jī)井布置，機(jī)井開采一年后，在機(jī)井周邊形成了帶狀降落漏斗。北側(cè)漏斗近似橢圓形，東西寬約2.2 km，南北約6.8 km。隨著開采時(shí)間推移，漏斗逐漸擴(kuò)大，至2041年3月，漏斗基本接近穩(wěn)定。2041年3月流場見圖7。

圖5 不同方案7#井動(dòng)態(tài)曲線

圖6 方案一新建水源地運(yùn)行 圖7 方案二新建水源地運(yùn)行20后地下水降幅等值線分區(qū)圖 20后地下水降幅等值線分區(qū)圖

6 結(jié)語

方案二單井抽水量大，井群布置集中，影響范圍小，累積降深大，井群抽水相互干擾降深較大，單從抽水影響角度來看，推薦方案一。但是機(jī)井布置方案需要綜合考慮建設(shè)運(yùn)營成本等多方面因素。