長(zhǎng)江北部三角洲-里下河沉積典型過(guò)渡區(qū)承壓地下水?dāng)?shù)值模擬

李朗，姚炳魁，黃曉燕

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京210018）

長(zhǎng)江北部三角洲-里下河沉積典型過(guò)渡區(qū)承壓地下水?dāng)?shù)值模擬

李朗，姚炳魁，黃曉燕

（江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京210018）

姜堰市地處長(zhǎng)江北部三角洲沉積區(qū)與里下河沉積區(qū)間的過(guò)渡帶，孔隙承壓地下水分布復(fù)雜，南北差異明顯，地下水資源評(píng)價(jià)難度大。對(duì)研究區(qū)復(fù)雜孔隙承壓地下水系統(tǒng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并在模型識(shí)別、驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，確定出符合水位控制要求的可開采資源量及優(yōu)化開采布局。結(jié)果證明，通過(guò)三維數(shù)值模型進(jìn)行地下水資源評(píng)價(jià)，既能客觀再現(xiàn)復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，同時(shí)也有助于對(duì)地下水資源進(jìn)行科學(xué)有效管理。

沉積區(qū)過(guò)渡帶；孔隙承壓地下水；資源評(píng)價(jià)；數(shù)值模擬

江蘇省中部長(zhǎng)江北部三角洲沉積區(qū)與里下河沉積區(qū)的交界地帶，由于地處兩個(gè)不同的水文地質(zhì)單元，受古地貌、古沉積環(huán)境的影響不盡相同，孔隙承壓地下水的賦存條件極為復(fù)雜。該區(qū)域地處湖蕩低洼平原，地面高程較低，作為該區(qū)域主要用水來(lái)源之一的孔隙承壓水若過(guò)量開采，地下水位的快速下降極易引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害。本文以姜堰市為例，旨在通過(guò)建立承壓地下水三維數(shù)值模型來(lái)刻畫該過(guò)渡區(qū)復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化地下水可采量和開采布局，進(jìn)而調(diào)控地下水位的下降趨勢(shì)來(lái)緩解上述不合理開采對(duì)環(huán)境的影響。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

姜堰市域內(nèi)松散巖類孔隙水，從淺到深依次為全新統(tǒng)潛水含水層、上更新統(tǒng)第Ⅰ承壓含水層、中更新統(tǒng)第Ⅱ承壓含水層、下更新統(tǒng)第Ⅲ承壓含水層，其間以弱含水的粘性土層相分隔（圖1）。由于地處長(zhǎng)江北部三角洲平原沉積區(qū)與里下河湖蕩平原沉積區(qū)的過(guò)渡地帶，研究區(qū)含水層沉積環(huán)境復(fù)雜，北部里下河湖蕩平原沉積區(qū)砂層顆粒較細(xì)，以中細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，砂層厚度薄且呈多層狀，水量一般；南部長(zhǎng)江三角洲沉積區(qū)含水層組具有厚度大、砂層層次少（局部地段第四系含水層組之間無(wú)穩(wěn)定隔水層，為連通性巨厚狀砂層）、顆粒粗（多為砂礫結(jié)構(gòu)）、水量豐富的特點(diǎn)，中部過(guò)渡區(qū)含水層富水性在南北之間。當(dāng)?shù)氐叵滤饕_采層為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，由于上世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初地下水開采量的劇增，目前區(qū)內(nèi)各層地下水位下降明顯，均已形成區(qū)域性地下水位降落漏斗。

2 研究區(qū)承壓地下水系統(tǒng)模擬模型

2.1 承壓地下水系統(tǒng)概念模型

將研究區(qū)第四紀(jì)松散承壓含水層系統(tǒng)概化為5層，為第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層及各含水層間的粘性土弱含水層，各層均概化為非均質(zhì)各向異性。各層的水平側(cè)向邊界均按通用水頭邊界處理，模型底板的垂向邊界作隔水邊界處理，考慮到潛水層的垂向補(bǔ)給作用，模型頂板的垂向邊界作流量邊界處理。各含水層由于受到人工開采的長(zhǎng)期強(qiáng)烈影響，且局部地段因隔水層缺失使各含水層上下聯(lián)通，地下水滲流特征極其復(fù)雜，故將整個(gè)地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定流。研究區(qū)地下水開采均以開采井為單位，按實(shí)際統(tǒng)計(jì)開采量賦予。

2.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型［1］∶式中∶H為點(diǎn)（x，y，z）在時(shí)刻t的水頭值（L）；Kx，KY，KZ為各主方向滲透系數(shù)（L.T-1）；μs為儲(chǔ)水率（L-1）；W為源匯項(xiàng)（T-1）；H0為計(jì)算域初始水頭（L）；H1為第一類邊界的水頭值（L）；q（x，y，x，t）為第二類邊界上的單位面積流量（L.T-1）；Ω為計(jì)算域；、Γ1、Γ2分別為第一類邊界、第二類邊界；t為時(shí)間（T）。

2.2 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

上述模型采用有限差分法［2-4］進(jìn)行數(shù)值求解，各層網(wǎng)格剖分為不等距平面長(zhǎng)方體，并運(yùn)用共軛梯度法（PCG）聯(lián)立迭代求解數(shù)學(xué)方程［5］。在平面上全區(qū)剖分為49×43的矩形網(wǎng)格單元，在剖面上將第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)承壓含水層和含水層間的二個(gè)粘性土弱透水層剖分為獨(dú)立的層位進(jìn)行計(jì)算，共5層，每層有效計(jì)算單元為1052個(gè)（圖2～圖3）。2009年1月1日至2010年6月30日作為模型的識(shí)別時(shí)段，2010年7月1日至2010年12月31日作為模型的驗(yàn)證時(shí)段。將每個(gè)季度作為一個(gè)開采制度期，每個(gè)制度期分5個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，識(shí)別時(shí)段6個(gè)制度期，驗(yàn)證時(shí)段2個(gè)制度期。

含水層的初始水位由實(shí)測(cè)給出，弱透水層的初始水位由上下含水層水位插值獲得。區(qū)內(nèi)各開采井的開采量均由實(shí)際調(diào)查獲得。用于水位擬合的觀測(cè)孔位總計(jì)11個(gè)，基本控制全區(qū)。各含水層通用邊界上的水頭值由實(shí)測(cè)經(jīng)插值后賦予，邊界水力傳導(dǎo)系數(shù)按前人資料結(jié)合野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)賦予，潛水含水層對(duì)第Ⅰ承壓含水層的水量補(bǔ)給強(qiáng)度在綜合參考區(qū)域地質(zhì)條件、臨近區(qū)域和前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上賦予經(jīng)驗(yàn)值［6-9］。各含水層參數(shù)分區(qū)的參數(shù)初值根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件結(jié)合野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)賦予。

以第Ⅲ承壓含水層為例，圖4為2009年12月31日各觀測(cè)井的計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位擬合情況，其水位擬合誤差均在1 m以下，末時(shí)刻的計(jì)算流場(chǎng)與實(shí)測(cè)流場(chǎng)擬合情況見圖5。模型參數(shù)分區(qū)見表1。

2.3 模型結(jié)果可靠性分析

模型的識(shí)別應(yīng)符合地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征和水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，另外模型要收斂、穩(wěn)定。從總體上看，模型計(jì)算得到的各含水層水位流場(chǎng)在變化趨勢(shì)、周期、等

水位線分布等方面與實(shí)測(cè)流場(chǎng)律基本吻合；各層參數(shù)值的級(jí)別大小均符合常規(guī)，參數(shù)值除了在局部上能較好地滿足觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比精度要求外，在整體上也與研究區(qū)水文地質(zhì)條件、區(qū)域資料一致。參數(shù)擬合結(jié)果描述地下水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型收斂、穩(wěn)定，說(shuō)明模型的收斂性和穩(wěn)定性較好。

3 承壓地下水可采資源評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方案

由于地處長(zhǎng)江三角洲沉積區(qū)與里下河沉積區(qū)的過(guò)渡地帶，姜堰承壓含水層南北富水性差異較大，而地下水開采量在區(qū)域分布也極不均衡，導(dǎo)致姜堰市各承壓含水層已形成區(qū)域性水位降落漏斗。因此，為防止地面沉降等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，提出至2020年第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的最低水位應(yīng)分別控制在-15 m、-20 m、-28m。將2011年4月17日～2020年12月31日作為預(yù)測(cè)時(shí)段，以2011年地下水的開采布局為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整地下水的開采布局，最終得到符合水位控制條件的優(yōu)化承壓地下水可開采量和滿足此可開采資源量的合理開采布局。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

模型運(yùn)行結(jié)果表明∶按規(guī)劃方案進(jìn)行開采，全市第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的優(yōu)化可開采量為2516.58萬(wàn)m3，其中第Ⅰ承壓地下水可開采量為474.45萬(wàn)m3，占比18.31%；第Ⅱ承壓地下水可開采量為729.76萬(wàn)m3，占比28.17%；第Ⅲ承壓地下水可開采量為1386.37萬(wàn)m3，占比53.52%。2014年后各含水層中的水位降落漏斗發(fā)展均趨于平緩，2017年后達(dá)到穩(wěn)定，2020年12月31日第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的預(yù)測(cè)最低地下水位標(biāo)高分別為-14.59 m、-19.92 m、-25.12 m（圖6），滿足水位控制要求。目前水位下降較快的鄉(xiāng)鎮(zhèn)各主采層地下水可采資源量調(diào)整情況見表2。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于地處兩種沉積環(huán)境的過(guò)渡帶，姜堰市孔隙承壓地下水賦存條件復(fù)雜，且局部區(qū)域因弱透水層缺失而存在上下含水層聯(lián)通的現(xiàn)象，同時(shí)由于前期過(guò)量開采，各承壓含水層均形成區(qū)域性水位降落漏斗，地下水滲流具有明顯的三維特征。通過(guò)三維數(shù)值模型所建立的地下水資源評(píng)價(jià)系統(tǒng)，既客觀再現(xiàn)該區(qū)域孔隙承壓水復(fù)雜的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，模型的水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件也符合區(qū)域水文地質(zhì)特征，同時(shí)流場(chǎng)的宏觀規(guī)律和地下水動(dòng)態(tài)擬合較好，模型正確可靠，具有較高的仿真度。運(yùn)用該模型進(jìn)行地下水資源量評(píng)價(jià)，既有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙承壓含水層系統(tǒng)的統(tǒng)一管理與分層、分區(qū)管理，又可發(fā)現(xiàn)地下水開采布局存在的缺陷進(jìn)而改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)承壓地下水資源的可持續(xù)利用。

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Numerical Simulation for Confined Groundwater in Typical Transition Region Between Yangtze River North Delta Deposition and Lixia River Deposition

LILang，YAO Bingkui，HUANG Xiaoyan
（Geological Survey Institute of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China）

Located in transition region between Yangtze River North Delta deposition area and Lixia River deposition area，the distribution of pore confined groundwater in Jiangyan is complex，and its north-south differences are obvious，so the groundwater resource is difficult to evaluate.A three-dimensional numericalmodel is built for the groundwater system of pore confined aquifer in Jiangyan.Based on the recognition and verification of thismodel，the exploitable amount of groundwater and the optimized exploitation pattern are established for control requirement of thewaterlevel in the each aquifer.The results prove that the groundwater resources evaluation with three-dimensional numerical model，not only reproduces the complex hydrology structure and condition of aquifers，but also contributes to the scientific and effectivemanagement of groundwater resources.

transition region of sediment area；pore confined groundwater；resources evaluation；numerical simulation

TV211.1+2

A

1673-1549（2014）01-0073-04

10.11863/j.suse.2014.01.19

2013-08-28

李朗（1980-），男，四川達(dá)州人，工程師，主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)方面的研究，（E-mail）lilang_jsgs@163.com