數(shù)值模擬法在西龍河嶧山斷層帶巖溶水允許開采量評價(jià)中的應(yīng)用

劉志峰,柳碩林,王琳琳,林洪孝

(1.濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟(jì)南250100;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南南陽473056;3.山東省環(huán)境保護(hù)學(xué)校,山東濟(jì)南250014;4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安271018)

數(shù)值模擬法在西龍河嶧山斷層帶巖溶水允許開采量評價(jià)中的應(yīng)用

劉志峰1,柳碩林2,王琳琳3,林洪孝4

(1.濟(jì)南市邢家渡引黃灌溉管理處,山東濟(jì)南250100;2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院,河南南陽473056;3.山東省環(huán)境保護(hù)學(xué)校,山東濟(jì)南250014;4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué),山東泰安271018)

在研究西龍河嶧山斷層帶水源地地下巖溶水系統(tǒng)特征的基礎(chǔ)上,成功建立了符合該水源地實(shí)際地下水流場的數(shù)值模型,對地下水位動態(tài)變化進(jìn)行模擬和預(yù)測,進(jìn)而對巖溶水允許開采量進(jìn)行了評價(jià)。最后得出的結(jié)論是該水源地允許開采量定為2.8萬m3/d是絕對可行的。

數(shù)值模擬法;巖溶水;允許開采量;山東鄒城

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地理位置

西龍河嶧山斷層帶水源地位于山東省鄒城市唐村鎮(zhèn)西龍河村、孫家莊至王爐村、西郭村一帶,西邊界為一號井東斷層,東邊界為嶧山斷層,呈西北—東南走向的長條狀,長約3.3km,寬約1.8km,面積為7.33km2。

1.2 水文地質(zhì)概況

水源地主要含水層發(fā)育在奧陶系中統(tǒng)馬家溝組2段—4段碳酸鹽巖中。該地段灰?guī)r隱伏于第四系之下,第四系厚度一般在19m～40m,第四系下部普遍發(fā)育一層10m左右的粘土層,具弱透水性,第四系孔隙水與灰?guī)r巖溶水可通過弱透水層發(fā)生微弱垂向水力聯(lián)系。

1.3 水文地質(zhì)條件概化模型

該水源地可概化為一個(gè)東部有嶧山斷裂阻隔,北部有煤系地層阻隔,南、西部接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,上覆第四系孔隙水與下伏地下巖溶水可通過弱透水層發(fā)生微弱垂向水力聯(lián)系的3層水文地質(zhì)模型。

2 數(shù)值模型的建立及模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

2.1 數(shù)值模擬軟件簡介及模擬范圍確定

本次采用的模擬模型(G WMS)是基于迦遼金有限元法的三維地下水水流和污染質(zhì)或熱溶質(zhì)運(yùn)移模型軟件包,計(jì)算時(shí)采用G WMS軟件包之Aqua 3D地下水流數(shù)值模擬模型軟件。根據(jù)水源地地質(zhì)詳查可知,在該水源地北部地區(qū),即孫莊以北地區(qū),系煤系地層分布區(qū),根據(jù)以往多期研究成果,其巖溶發(fā)育微弱,富水性差,故認(rèn)為孫莊—孔莊一線為模型北部隔水邊界,所以此次數(shù)值模擬模擬區(qū)為孫莊—孔莊一線以南的水源地,即巖溶水富存區(qū),面積為5.05km2,故模擬區(qū)的巖溶水資源量即為整個(gè)工作區(qū)的巖溶水資源量。

2.2 數(shù)值模擬模型

模擬區(qū)可概化為3層結(jié)構(gòu):第一層孔隙含水層當(dāng)潛水處理,第二層為弱透水層只考慮垂向一維流,第三層為具承壓性質(zhì)的巖溶含水層。第一層與第三層可通過中間的弱透水層發(fā)生水力聯(lián)系,各個(gè)地段的聯(lián)系程度不同,模型中通過調(diào)整弱透水層垂向滲透系數(shù)(越流系數(shù))來實(shí)現(xiàn)對越流程度的控制。對于上述3層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng),采用偏微分方程進(jìn)行描述。

2.3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分及邊界確定

對模型采用三角網(wǎng)格剖分,考慮該軟件計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模大小等因素,把模擬區(qū)共劃分為974個(gè)三角單元,含534個(gè)節(jié)點(diǎn),其中邊界節(jié)點(diǎn)91個(gè),內(nèi)節(jié)點(diǎn)443個(gè)。

表1 數(shù)值模擬水文地質(zhì)參數(shù)

巖溶水西部邊界和南部邊界為流量邊界,北部和東部邊界為隔水邊界,即二類邊界中的零流量邊界。

3 模型識別

鑒于模擬區(qū)為水源地的一部分,其地下水開采動態(tài)監(jiān)測資料只有開采性抽水試驗(yàn)期間的數(shù)據(jù),故選擇抽水試驗(yàn)期間的觀測井水位進(jìn)行模擬識別,即識別期為2006年3月26日—4月26日。模型調(diào)參初始值是根據(jù)本次開采性抽水試驗(yàn)的結(jié)果,結(jié)合模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件進(jìn)行的,其在每個(gè)計(jì)算單元上的數(shù)值都有可能不同,其中參數(shù)數(shù)值相近的各個(gè)單元組成若干個(gè)分區(qū),不斷進(jìn)行迭代,時(shí)刻注意模型的模擬程度,嚴(yán)格控制每次迭代的誤差,確定模擬區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)的分區(qū)和各分區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)參數(shù)。

圖1是識別期末時(shí)段(2006年4月26日)地下巖溶水流場擬合圖。從模擬成果得知,水位模擬值與實(shí)測最大誤差小于0.3m,符合模擬標(biāo)準(zhǔn),由此推出水文地質(zhì)參數(shù)(表1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6)。

圖1 識別期末時(shí)段地下巖溶水流場擬合圖

圖2 孔隙含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖3 巖溶含水層滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖4 孔隙含水層給水度分區(qū)圖

圖5 巖溶含水層給水度分區(qū)圖

4 模型驗(yàn)證

為了對西龍河水源地計(jì)算區(qū)的允許開采量進(jìn)行科學(xué)評價(jià),需對已識別的模型進(jìn)行驗(yàn)證。由于是新建水源地,資料很少,就用識別期內(nèi)其他未參加模型識別的觀測井資料進(jìn)行驗(yàn)證。模型驗(yàn)證水位動態(tài)曲線見圖7、圖8,由圖中水位擬合曲線分析,水位模擬曲線的變化趨勢與實(shí)測水位一致,模擬區(qū)內(nèi)模擬巖溶水水位最大誤差點(diǎn)小于0.20m,模型通過驗(yàn)證。

圖7 驗(yàn)證孔隙地下水水位動態(tài)擬合曲線圖

圖8 驗(yàn)證期地下巖溶水水位動態(tài)擬合曲線圖

5 水源地允許開采量預(yù)測

從模型識別期與驗(yàn)證期水位與流場擬合效果來看,所建立的模擬模型符合工作區(qū)水文地質(zhì)條件,滿足精度要求,可以用來進(jìn)行地下巖溶水開采量預(yù)測。

圖6 弱透水層滲透系數(shù)分區(qū)層

5.1 預(yù)報(bào)模型

5.1.1 水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件與初始水位 以模型識別的水文地質(zhì)參數(shù)和確定的邊界條件作為預(yù)報(bào)模型參數(shù)和邊界條件,并以模擬計(jì)算末時(shí)段水位作為預(yù)報(bào)模型初始水位。

5.1.2 降水序列的選擇 降水量是地下水系統(tǒng)最重要的補(bǔ)給源,降水量的大小控制著地下水系統(tǒng)的動態(tài)和均衡,決定著地下水資源量的多少。為此,在綜合分析多年降水系列基礎(chǔ)上,選取自然降水序列中1986年—1990年連續(xù)枯水年的降水量資料,作為枯水年補(bǔ)給量計(jì)算與開采量預(yù)報(bào)的依據(jù)。選取1994年—1998年降水量資料,作為平水年補(bǔ)給量計(jì)算與開采量預(yù)報(bào)的依據(jù)(表2)。

表2 預(yù)報(bào)模型降水序列選取統(tǒng)計(jì)表

5.1.3 開采方案設(shè)置 根據(jù)水文、氣象、區(qū)域水文地質(zhì)條件和用水需求,為了充分合理地利用地下水資源,本次水位預(yù)報(bào)按不同設(shè)計(jì)開采量分別進(jìn)行,以求得滿足約束條件的最大允許開采量。

5.1.4 開采約束條件 以開采井動水位不低于巖溶水含水層頂板、不改變巖溶水的水動力性質(zhì)為約束條件,確定計(jì)算區(qū)內(nèi)約束條件為巖溶水限制標(biāo)高>12m,限制埋深<45m。

5.2 開采量預(yù)測

經(jīng)過對設(shè)置的多個(gè)級別開采量進(jìn)行試算,最后預(yù)測計(jì)算區(qū)內(nèi)在滿足各類約束條件下的最大允許開采量為2.8萬m3/d。

按照確定的預(yù)報(bào)模型,將平水年和枯水年降水序列以及2.8萬m3/d的開采量輸入模型,以2006年4月的水位為初始水位進(jìn)行計(jì)算,即可得到相應(yīng)預(yù)測結(jié)果(圖9、圖10)。

圖9 開采量預(yù)報(bào)平水年地下水水位過程曲線圖

圖10 開采量預(yù)報(bào)枯水年地下水水位過程曲線圖

6 結(jié) 語

數(shù)值模擬法考慮了西龍河嶧山斷層帶水源地含水層在空間上的非均質(zhì)性和降水、開采、越流等各匯源項(xiàng)在時(shí)間上的動態(tài)變化特點(diǎn),建立了雙層結(jié)構(gòu)三維流數(shù)學(xué)模型,通過識別校正和推演,較好地刻劃了巖溶蓄水系統(tǒng)的特征,并且根據(jù)各種約束條件預(yù)測了允許最大開采量為2.8萬m3/d,并依據(jù)以前的降雨量資料預(yù)報(bào)了今后5年的水位變化。預(yù)報(bào)在計(jì)算區(qū)內(nèi)按2.8萬m3/d連續(xù)開采時(shí),連續(xù)5個(gè)枯水年水源地最低水位仍略高于允許最低水位12m,說明進(jìn)行2.8萬m3/d的抽水是完全可行的。

[1] 蘇淑榮,林洪孝,牛磊,等.兗礦集團(tuán)國宏化工公司西龍河嶧山斷層帶水源地供水水文地質(zhì)詳查報(bào)告[R].2006.

[2] 盧京,張欽.數(shù)值模擬在銀川市地下水資源開采評價(jià)中的應(yīng)用[J].河北師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000, 24(4):536-539.

[3] 劉志峰,林洪孝,許向軍,等.小范圍群井與單井抽水試驗(yàn)推求水文地質(zhì)參數(shù)的比較分析[J].地質(zhì)與勘探, 2007,43(1):94-97.

[4] 劉志峰,李福軍,王琳琳,等.山東某斷層帶水源地巖溶水允許開采量評價(jià)[J].勘察科學(xué)技術(shù),2007(6):44-47.

[5] 張勇,田勝龍,趙云云.黑龍洞泉域地下水流數(shù)值模擬與預(yù)測[J].地球科學(xué),2008,33(5):693-698.

[6] 李斌,王剛,王開章.Aqua 3D在傍河飲用水水源地地下水污染數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,38(2):281-290.

Application of numericalmodeling in permissive karstwater yield assessment in fault zone in Yishan along Xilong River

L IU Zhi-feng1,L IU Shuo-lin2,WANG L in-lin3,L IN Hong-xi ao4
(1.Xingjiadu Yellow RiverWaterDrawing Irrigation Station,Jinan 250100,China;2.The First Geological Prospecting Institute of Henan ProvincialBureau of Geo-exploration andMineralDevelopment,Nanyang 473056,Henan;3.Environmental Protection School of Shandong Province,Jinan 250014,China;4.ShandongAgriculture University,Taian 271018,Shandong)

Based on the karst groundwater system characters of the fault zone water source site in Yishan along Xilong River,the authors established the numericalmodel for real flow field of karst groundwater of the water source site,in order to si mulate and forecast the groundwater level dynamic variation,and then carried out the assess ment of the per missive karst water exploitation yield.It was concluded that a yield of 28 000m3/d was feasible for the permissive karstwater exploitation yield.

Numericalmodelingmethod;Karst groundwater;Per missive exploitation yield;Zoucheng,Shandong

book=3,ebook=214

P641.134

A

1674-3636(2010)03-0271-04

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.03.271

2009-03-19;

2009-04-13;編輯:陸李萍

劉志峰(1982—),男,助理工程師,碩士,主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、水利水電工程經(jīng)濟(jì)與項(xiàng)目管理.