劉若愚, 康 博

(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.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

宿州地區(qū)地表水與潛水水質(zhì)性缺水嚴(yán)重,長(zhǎng)期以來(lái)城市供水基本依靠開(kāi)采中深層地下水,目前已形成了以城區(qū)為中心的地下水降落漏斗,并依據(jù)此范圍劃定了中深層地下水超采區(qū)[1]。關(guān)井壓采可以有效地修復(fù)地下水超采區(qū)因開(kāi)采過(guò)量而引發(fā)的一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[2-3]。安徽省水利廳于2013年3月發(fā)布了《安徽省地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)與限采規(guī)劃報(bào)告》[4],該報(bào)告提出,在2020年前,壓縮超采區(qū)現(xiàn)狀開(kāi)采量的20%～30%。但隨著城市化進(jìn)程的加速和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,宿州市用水需求逐步增大,水資源供需矛盾愈來(lái)愈嚴(yán)重,壓采難以實(shí)施;如何既滿(mǎn)足城區(qū)用水需求,又實(shí)現(xiàn)壓采的要求,是目前宿州地區(qū)亟待解決的問(wèn)題,也是我國(guó)廣大北方地區(qū)地下水壓采限采之后面臨的窘境。

面對(duì)壓采之后日益突出的供水矛盾,各地常采用的方法是水源置換。江蘇省沿長(zhǎng)江地區(qū)規(guī)劃以長(zhǎng)江、太湖為主建設(shè)永久性水源地,置換地下水水源,使得68%的地區(qū)地下水位明顯上升,30%的地區(qū)水位處于穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)地下水修復(fù)產(chǎn)生積極影響[5]。東光縣為解決地下水超采引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,提出將生活用水及部分工業(yè)用水水源由地下水開(kāi)采置換為以“南水北調(diào)”外調(diào)水供給的方案,取得城區(qū)地下水位升高11.7 m的效果,對(duì)地下水位持續(xù)下降帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題有一定的緩解作用[6-8]。天鎮(zhèn)縣利用杏園窯溝傍河開(kāi)采淺層地下水,替代下游井采地下水,解決人畜吃水和灌溉問(wèn)題,保護(hù)和涵養(yǎng)地下水資源[9]。

目前引江濟(jì)淮工程尚未建成,宿州市暫無(wú)外調(diào)水源條件,因此本文提出基于壓采的地下水源置換方案,將超采區(qū)內(nèi)擬壓采的水量置換到宿州北部符離集地下巖溶水源地,并利用地下水?dāng)?shù)值模型對(duì)方案實(shí)施后的地下水位與降落漏斗變化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),旨在對(duì)區(qū)域水資源進(jìn)行合理調(diào)控規(guī)劃,為宿州市水資源合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

埇橋區(qū)是宿州市唯一的市轄區(qū),位于東經(jīng)116°51′～117°08′、北緯 33°30′～33°43′,面積2 907 km2。該區(qū)地處淮北北部丘陵與平原的過(guò)渡地區(qū),地形較為復(fù)雜,以宿北斷裂為界,北側(cè)為丘陵地區(qū),地面標(biāo)高一般為30～150 m;南側(cè)為平原地區(qū),地形平坦,地面標(biāo)高一般為24～27 m;地形總趨勢(shì)西北和北部稍高,向東南和南緩傾,地形坡降約1/8 000。

埇橋區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,夏季暖熱多雨,冬季寒冷干燥,四季分明,多年平均降水量為865 mm,多年平均蒸發(fā)量為1 589.4 mm。區(qū)內(nèi)主要河流為新汴河、沱河,橫貫中部。城西、符離水源地位置如圖1所示。

圖1 城西、符離水源地位置示意圖

城西水源地位于埇橋區(qū)南側(cè),是宿州市城區(qū)唯一的供水水源地,地貌屬?zèng)_積平原和堆積剝蝕平原,地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮北地層小區(qū),第四紀(jì)地層發(fā)育,本次研究目標(biāo)層為松散巖類(lèi)孔隙水含水層組,根據(jù)埋藏條件、水力特征,自上而下分為潛水含水層、中深層承壓含水層,兩者之間有較穩(wěn)定的弱透水層分布,主要由粉質(zhì)黏土構(gòu)成,厚度約30 m,但局部地段較薄,在市區(qū)中心存在天窗。潛水含水層屬上更新統(tǒng)(Q3),巖性以粉細(xì)砂為主,砂層厚度為5～15 m,單井涌水量為100～1 000 m3/d;降水入滲是潛水的主要補(bǔ)給來(lái)源;天然狀態(tài)下,潛水徑流受地形影響由西北流向東南,現(xiàn)狀條件下,受開(kāi)采影響,徑流由四周匯入中心;排泄方式主要為蒸發(fā)、開(kāi)采以及通過(guò)天窗和越流向中深層地下水排泄。中深層承壓含水層屬中更新統(tǒng)(Q2)、下更新統(tǒng)(Q1),巖性以粉砂為主,砂層厚度為10～30 m,單井涌水量為100～2 000 m3/d;中深層地下水主要是通過(guò)天窗和越流接受潛水的補(bǔ)給,其次為層間側(cè)向徑流補(bǔ)給;受開(kāi)采影響,徑流由四周匯入中心;主要排泄方式為城區(qū)集中式開(kāi)采。根據(jù)地下水資源勘查和計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果,城西水源地多年平均可采資源量約為15×104m3/d[10]。

符離水源地位于埇橋區(qū)北側(cè),按地下水含水介質(zhì)和賦存狀態(tài)的不同,可劃分為松散巖類(lèi)孔隙含水巖組和碳酸鹽巖類(lèi)裂隙巖溶含水巖組。巖溶含水巖組在全區(qū)廣泛分布,主要為寒武系中統(tǒng),巖性以白云巖、灰?guī)r為主,厚度為83.5～110.0 m,部分出露地表,其余覆蓋于南部平原區(qū)松散沉積之下,巖溶發(fā)育好,單井涌水量可達(dá)3 000～7 500 m3/d;天然狀態(tài)下,巖溶水的主要補(bǔ)給來(lái)源是灰?guī)r裸露區(qū)的降水入滲補(bǔ)給,水源地南部邊界為宿北斷裂隔水邊界,東部、西部、北部邊界為丘陵組成的分水嶺,無(wú)側(cè)向徑流補(bǔ)給;巖溶水自北部裸露區(qū)向南部淺覆蓋區(qū)徑流;排泄方式主要為頂托補(bǔ)給孔隙水排泄以及下降泉排泄?？紫逗畮r組分布于水源地內(nèi)平原區(qū),中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)發(fā)育,巖性以黏土、粉細(xì)砂為主,厚度為46.5～61.5 m；其中,黏土層厚度均大于30 m,若存在因開(kāi)采等因素形成的土洞,在塌陷波及地面之前,就達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài),不再發(fā)展成塌陷坑[11-13]。符離水源地多年平均可采資源量[14]約為6.13×104m3/d。

2 開(kāi)采方案的設(shè)計(jì)研究

城西水源地內(nèi)共有中深層地下水開(kāi)采井153眼,均位于地下水超采區(qū)內(nèi),開(kāi)采量14.7×104m3/d。其中,市政水井110眼,密度約為1～8眼/km2,最大密度可達(dá)11～12眼/km2,開(kāi)采量11.8×104m3/d;自備水井43眼,井間距離約為100～300 m,開(kāi)采量2.9×104m3/d。開(kāi)采井分布情況如圖2所示。開(kāi)采井分布過(guò)于密集,導(dǎo)致局部地下水位持續(xù)下降。符離水源地現(xiàn)狀地下水用途主要為極少量的農(nóng)業(yè)、生活用水,且符離鎮(zhèn)距宿州市北區(qū)供水基地僅15 km,可鋪設(shè)管道將水輸?shù)匠菂^(qū),是理想的供水基地[15]。

本文基于壓采要求,考慮方案實(shí)施過(guò)程中的可行性,擬封閉超采區(qū)內(nèi)分布密集的部分水井,將壓采的水量置換到符離水源地南部開(kāi)采,并根據(jù)壓采比例的不同,提出2種壓采方案。這2種壓采方案,既削減了超采區(qū)中深層地下水開(kāi)采量,使井間距趨于合理,也能滿(mǎn)足城區(qū)用水需求,達(dá)到遏制超采區(qū)擴(kuò)大、緩解環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的目的。地下水開(kāi)采現(xiàn)狀方案和2種壓采方案規(guī)劃見(jiàn)表1所列。

圖2 城西水源地開(kāi)采井布局示意圖

表1 3種開(kāi)采方案規(guī)劃

3 地下水流數(shù)值模型的建立與求解

由于城西水源地屬于平原孔隙水水文地質(zhì)區(qū),符離水源地屬于丘陵裂隙巖溶水水文地質(zhì)區(qū),兩者所屬水文地質(zhì)單元不同,將城西和符離水源地的數(shù)值模擬分為2個(gè)獨(dú)立的部分。

3.1 城西水源地地下水流數(shù)值模型

根據(jù)地下水的埋藏情況及與降水、地表水的交替強(qiáng)弱,將城西水源地地層自上而下劃分為潛水含水層組、弱透水層組、中深層承壓含水層組。

城西水源地北部宿北斷裂為隔水?dāng)嗔?因此概化為隔水邊界;其余邊界主要通過(guò)地下徑流方式獲取側(cè)向徑流補(bǔ)給,概化為流量邊界。模型頂部潛水含水層接受大氣降水補(bǔ)給,底部為厚度較大的隔水層,概化為隔水底板。

地下水流系統(tǒng)符合達(dá)西定律,運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)空變化,滲透系數(shù)等參數(shù)隨空間變化,故將其概化為非均質(zhì)各向同性、非穩(wěn)定三維地下水流模型,相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下:

(1)

其中:H為地下水水位;K為含水層滲透系數(shù);W為源匯項(xiàng);μ*為彈性釋水系數(shù);H0為地下水初始水位;H1為第一類(lèi)邊界條件下的水位;n為邊界Γ2的外法線方向;q為含水層第二類(lèi)邊界單位面積流量;t為時(shí)間;Ω為模擬區(qū)范圍;Γ1為第一類(lèi)邊界;Γ2為第二類(lèi)邊界。

應(yīng)用Visual MODFLOW 軟件對(duì)模型區(qū)進(jìn)行劃分,共62 500個(gè)單元格(250行×250列);單位網(wǎng)格長(zhǎng)為100 m,寬為100 m,面積為0.01 km2。根據(jù)城西水源地地下水位觀測(cè)資料,以 2015年1月1日到 2015年12月31日作為模型識(shí)別期,以2016年1月1日到2016年12月31日、2017年10月1日至2018年9月30日作為模型驗(yàn)證期。

城西水源地典型觀測(cè)孔609水位擬合曲線如圖3所示。經(jīng)計(jì)算,識(shí)別、驗(yàn)證期內(nèi),5口潛水觀測(cè)孔、5口中深層地下水觀測(cè)孔水位擬合小于0.5 m的誤差結(jié)點(diǎn)占已知水位結(jié)點(diǎn)的70%以上,模擬水位與實(shí)際水位擬合效果較好,模型可以應(yīng)用到后續(xù)的預(yù)測(cè)中。降雨入滲系數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[16]取值,水文地質(zhì)參數(shù)通過(guò)反復(fù)調(diào)試,最終確定的分區(qū)結(jié)果如圖4所示。

圖3 城西水源地典型觀測(cè)孔609水位擬合曲線

圖4 城西水源地水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

3.2 符離水源地地下水流數(shù)值模型

將符離水源地地層自上而下劃分為孔隙潛水含水層組、巖溶裂隙含水層組。符離南部邊界為宿北斷裂,東部、西部、北部邊界為丘陵組成的分水嶺,均概化為隔水邊界。潛水含水層上部接受大氣降水補(bǔ)給;巖溶含水層底部巖溶欠發(fā)育,概化為隔水底板。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型,將符離模擬區(qū)地下水流概化為非均質(zhì)各向同性、非穩(wěn)定三維地下水流模型,數(shù)學(xué)模型與(1)式一致。

將模型區(qū)劃分成22 800個(gè)單元格(190行×120列);單位網(wǎng)格長(zhǎng)為100 m,寬為100 m,面積為0.01 km2。因符離水源地巖溶水基本處于未開(kāi)發(fā)狀態(tài),故利用抽水試驗(yàn)的水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,而本次抽水試驗(yàn)水位變化幅度較小,以降深來(lái)反映水位變化更為直觀。

將模型中的水位降深數(shù)據(jù)導(dǎo)出,與抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果顯示,小于0.05 m的誤差結(jié)點(diǎn)占已知水位結(jié)點(diǎn)的80%以上,整體上擬合效果較好,模型可以應(yīng)用到后續(xù)的預(yù)測(cè)中。符離水源地抽水試驗(yàn)水位降深擬合曲線如圖5所示。降雨入滲系數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[17]取值,水文地質(zhì)參數(shù)通過(guò)反復(fù)調(diào)試,最終確定分區(qū)結(jié)果。

圖5 符離水源地抽水試驗(yàn)水位降深擬合曲線

城西、符離水源地水文地質(zhì)參數(shù)取值見(jiàn)表2所列。

表2 城西、符離水源地水文地質(zhì)參數(shù)取值

4 地下水開(kāi)采方案的效應(yīng)分析

利用已構(gòu)建的地下水流數(shù)值模型,將源匯項(xiàng)以多年平均賦值,對(duì)不同開(kāi)采方案在2019—2028年10 a內(nèi)的地下水位和降落漏斗變化過(guò)程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)并分析。由模擬結(jié)果可知:按照現(xiàn)狀方案繼續(xù)開(kāi)采,超采區(qū)地下水位將持續(xù)下降,漏斗范圍不斷擴(kuò)大,而實(shí)行壓采后,全區(qū)水位較現(xiàn)狀方案有顯著抬升;符離水源地由于新增開(kāi)采,出現(xiàn)水位不同程度下降。

4.1 城西水源地模擬結(jié)果

城西水源地3種方案10 a末地下水位分布如圖6所示,3種開(kāi)采方案下漏斗中心和邊緣的水位變化如圖7所示。

圖6 城西水源地3種方案10 a末水位等值線

圖7 城西水源地3種方案水位變化曲線

根據(jù)圖6可以得出,現(xiàn)狀方案、壓采方案1、壓采方案2開(kāi)采10 a形成的降落漏斗面積分別為233.47、180.29、160.99 km2;壓采方案1、壓采方案2相較于現(xiàn)狀方案對(duì)于降落漏斗都有較好的修復(fù)效果。

由圖7可知：壓采方案1、壓采方案2都呈不同程度的水位上升趨勢(shì)。在漏斗中心處,現(xiàn)狀方案的水位下降速率為0.96 m/a;壓采方案1在3 a內(nèi)升高1.72 m,隨后水位基本保持穩(wěn)定;壓采方案2在4 a內(nèi)水位上升幅度較大,達(dá)4.33 m,隨后的水位上升速率為0.19 m/a。在漏斗邊緣,現(xiàn)狀方案的水位下降速率為0.37 m/a;壓采方案1保持0.07 m/a的下降趨勢(shì);壓采方案2在前3 a下降0.16 m,隨后保持約0.07 m/a的上升速率。

總體上,在城西水源地實(shí)施壓采后,水位較現(xiàn)狀都有一定幅度的抬升。其中,壓采方案1的修復(fù)效果一般,水位在上升一定幅度后基本保持穩(wěn)定,遏制了漏斗擴(kuò)大的趨勢(shì)。壓采方案2的修復(fù)效果更好,全區(qū)水位持續(xù)抬升,漏斗面積逐漸減少。

4.2 符離水源地模擬結(jié)果

由于在符離水源地新增開(kāi)采,水位出現(xiàn)不同程度下降。由于地下水位降深可以更直觀地反映從靜水位到動(dòng)水位的變化,本文以水位降深來(lái)分析2種壓采方案下地下水位動(dòng)態(tài)變化。符離水源地2種壓采方案10 a末降深等值線如圖8所示,降深變化曲線如圖9所示。

圖8 符離水源地2種壓采方案10 a末降深等值線

圖9 符離水源地2種壓采方案降深變化曲線

從圖8、圖9可以看出,壓采方案2開(kāi)采10 a形成的降落漏斗面積和水位降深明顯大于壓采方案1。在漏斗中心處,壓采方案1在前3 a水位下降5.09 m,隨后的水位下降速率為0.36 m/a,模擬期末下降速率為0.21 m/a;壓采方案2在前3 a水位下降9.63 m,隨后的水位下降速率為0.86 m/a,模擬期末下降速率為0.44 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1、壓采方案2由于降雨入滲補(bǔ)給且初期開(kāi)采的影響尚未顯現(xiàn),水位初期有所抬升,此后的水位下降速率分別為0.22、0.57 m/a,至模擬期末下降速率分別為0.12、0.28 m/a。

總體上,在符離水源地,以壓采方案1開(kāi)采3 a后,水位和漏斗基本保持穩(wěn)定;以壓采方案2開(kāi)采,水位持續(xù)下降,漏斗面積也不斷增大,但在后期水位下降速率明顯變小,水位基本保持穩(wěn)定。

4.3 綜合分析

2種壓采方案下城西、符離水源地的降落漏斗面積和水位變化速率對(duì)比見(jiàn)表3所列。壓采方案2對(duì)于城西水源地的水位抬升效果優(yōu)于壓采方案1,雖然在符離水源地以壓采方案2持續(xù)開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致水位下降更迅速,但在后期下降速率也趨于穩(wěn)定,且中心水位在下降15.63 m后仍然在基巖面以上,對(duì)其他用戶(hù)的開(kāi)采利用不會(huì)產(chǎn)生影響,故總體上,壓采方案2要優(yōu)于壓采方案1。

表3 2種壓采方案下水位降落漏斗變化

5 結(jié) 論

本文針對(duì)宿州市水資源條件,提出地下水源置換方案,即將城西水源地內(nèi)擬壓采的水量替換至符離水源地,既滿(mǎn)足城區(qū)用水需求,又實(shí)現(xiàn)壓采的要求;根據(jù)壓采比例不同提出2種開(kāi)采方案,利用地下水流數(shù)值模型,對(duì)不同開(kāi)采方案下城西、符離水源地的降落漏斗分布及水位變化進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果顯示,壓采方案2(壓采比例30%)的效果優(yōu)于壓采方案1(壓采比例20%)。

(1) 在城西水源地漏斗中心,壓采方案1中深層地下水水位在3 a內(nèi)上升1.72 m,隨后基本保持穩(wěn)定;壓采方案2水位在4 a內(nèi)上升4.33 m,隨后的水位上升速率為0.19 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1的水位下降趨勢(shì)為0.07 m/a;壓采方案2在3 a內(nèi)下降0.16 m,隨后的水位上升速率為0.07 m/a,壓采方案2的水位抬升效果明顯優(yōu)于壓采方案1。

(2) 在符離水源地漏斗中心,壓采方案1在前3 a水位下降5.09 m,隨后的水位下降速率為0.36 m/a;壓采方案2在前3 a水位下降9.63 m,隨后的水位下降速率為0.86 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1、壓采方案2的水位下降速率分別為0.22、0.57 m/a,壓采方案2開(kāi)采形成的水位降深明顯大于壓采方案1,但在后期下降速率也趨于穩(wěn)定,且10 a末中心水位15.63 m的下降幅度對(duì)其他用戶(hù)的開(kāi)采利用不會(huì)產(chǎn)生影響。

本文研究成果可為宿州市水資源合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù),也可為廣大北方地區(qū)地下水壓采之后制定水資源利用方案提供參考。