山東省莒縣沭河盆地地下水資源評價(jià)

白 平, 朱 偉,楊 鵬

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 日照 276826)

山東省莒縣沭河盆地地下水資源評價(jià)

白 平, 朱 偉,楊 鵬

(山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 日照 276826)

通過物探、鉆探手段對沭河盆地的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)徑排條件進(jìn)行研究,建立水文地質(zhì)模型,并利用GMS數(shù)值模擬和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法對地下水開采潛力及水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明:沭河盆地含水層分布具各向異性,按含水層厚度可劃分為兩個(gè)富水區(qū);地下水補(bǔ)給來源以大氣降水和河流側(cè)滲補(bǔ)給為主,排泄途徑主要為人工開采,地下水正均衡2 312.85萬m3/a;經(jīng)模擬不同開采情況下地下水變化情況,確定莒縣沭河盆地地下水開采潛力為6.1萬m3/d;地下水水質(zhì)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域占總面積的71.4%,基本滿足供水質(zhì)量要求。

地下水資源；含水層結(jié)構(gòu);地下水開采潛力;水資源評價(jià)；數(shù)值模擬;內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法;沭河盆地

莒縣位于山東省日照市西部,是沂蒙山區(qū)主要糧食產(chǎn)區(qū)之一,人均占有水資源量574m3,按國際通用標(biāo)準(zhǔn)屬重度缺水區(qū)[1]。近年來,隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,水資源短缺矛盾日益突出。沭河盆地地下水儲(chǔ)存條件得天獨(dú)厚,開發(fā)潛力較大。通過研究沭河盆地含水層結(jié)構(gòu)特征,對地下水資源進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià),可為確保城市用水安全、促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。

1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)地處沂沭斷裂帶之安丘-莒縣與昌邑-大店斷裂組成的地塹內(nèi),南北長約16 km,東西寬10 km,總面積160 km2。其東、西、北三面地勢較高,為剝蝕丘陵—崗地地區(qū),巖性以安山巖為主,上覆粉砂巖0.3～2.0 m;南部略低,下伏地層為具有隔水性的玄武巖,基巖裸露地表,形成天然擋水壩;中部為河谷平原,其間廣泛分布第四系中粗砂、沙礫石層。區(qū)域整體呈簸箕口狀,為一個(gè)四周相對封閉、中部低的侵蝕盆地,盆地內(nèi)沉積了大量松散巖類,為地下水儲(chǔ)存提供了良好條件。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水介質(zhì)的差異,區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔裂隙水和基巖裂隙水兩類。基巖裂隙水主要賦存于局部破碎的安山巖、玄武巖基巖中,整體富水透水性差,單井涌水量一般小于50 m3/d,不具集中供水意義。松散巖類孔裂隙水賦存于第四系沖(洪)積層的不同粒徑砂、沙礫石中,透水儲(chǔ)水性能好,水位埋深一般2～4 m,單井涌水量一般可達(dá)2 000 m3/d,是本區(qū)的主要含水巖組。

2.1 含水層結(jié)構(gòu)特征

含水層富水性主要取決于砂層厚度,而砂層的厚度又與古河道分布及基巖界面有關(guān),由于砂層與基巖的物性特征存在較大區(qū)別,可通過視電阻率變化區(qū)分。本次研究主要采用視電阻率聯(lián)合剖面和激電測深法等物探手段圈定低阻異常帶,再經(jīng)鉆探驗(yàn)證。沭河盆地內(nèi)含水層厚度一般在7.4～35.0 m,最厚可達(dá)119 m,砂及沙礫層的顆粒級(jí)配及分選性具有差異性，從中心向兩側(cè)漸細(xì),由淺部向深部變粗,層間夾雜厚度不等的淤泥,整體砂層厚、顆粒粗、空隙大,符合古河道的物質(zhì)組成特征,但由于處于沭河中下游,粉細(xì)砂-卵石的典型二元結(jié)構(gòu)不明顯[2]。砂層底板由頁巖或泥巖組成,頁巖和泥巖的透水性很弱,可視為不透水層。

另外,根據(jù)鉆探編錄資料,沭河盆地砂層厚度具有各向異性(圖1)。在垂直河流方向上,砂層呈中間厚、兩邊薄的特點(diǎn),說明沭河干流兩側(cè)為古河道。在多次搬運(yùn)沉積的作用下,砂層厚度大,具備良好的儲(chǔ)藏地下水空間;平行于河流方向上,以縣城東的沭河河道為界,砂層可分為兩段,在剖面上呈連續(xù)透鏡體狀延伸,這反映了沭河古河道的分布與現(xiàn)代河床具有一定差異性。經(jīng)多次河流改道后,古河道中心分別位于現(xiàn)代河床東南和西北側(cè),在砂層等厚線圖上反映為兩個(gè)漏斗狀區(qū)域。由抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)可知,該區(qū)域孔(井)在深度、含水層厚度及水位降深相差不大的情況下,其滲透系數(shù)均達(dá)25 m/d左右,遠(yuǎn)大于區(qū)域平均值13.13 m/d,表明含水層骨架較粗,透水性強(qiáng),可充分接受地表地下水的補(bǔ)給;同時(shí)涌水量也較平均值大2 L/s左右,說明漏斗范圍內(nèi)地下水資源豐富,具有較大供水潛力,圖1中Ⅰ、Ⅱ區(qū)為盆地內(nèi)兩個(gè)主要富水區(qū)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件及砂層等厚線(m)

表1 古河道與研究區(qū)部分水文地質(zhì)參數(shù)對比

2.2 地下水補(bǔ)徑排條件

沭河盆地地下水的補(bǔ)給來源包括大氣降水、上游徑流、河流滲漏和基巖裂隙水側(cè)滲。區(qū)域地下水的徑流方向與地表水基本一致,即由盆地兩側(cè)向中心、由河谷上游向下游運(yùn)移。當(dāng)?shù)厮ζ露刃∮谇Х种?表明地下水的徑流流速比較緩慢。地下水的徑流排泄和河流側(cè)滲排泄量較小,農(nóng)業(yè)開采為排泄主要途徑,部分潛水以垂向排泄消耗于地面蒸發(fā)及植物蒸騰,但穩(wěn)定開采后,地下水蒸發(fā)排泄的量將大大減少。

3 地下水資源評價(jià)

3.1 地下水天然資源量計(jì)算

由上述分析可知,沭河盆地為一個(gè)相對獨(dú)立完整的水文地質(zhì)單元,補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)較清楚,可采用水均衡法對其地下水天然資源量進(jìn)行計(jì)算[3](表2)。

表2 沭河盆地地下水天然資源量計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，莒縣沭河盆地地下水補(bǔ)給來源主要為河流側(cè)滲補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給,排泄方式以人工開采為主。均衡結(jié)果處于正均衡,且正均衡差為2 312.85萬m3/a(折合為63 365.75 m3/d)。均衡期內(nèi),盆地內(nèi)的補(bǔ)給量大于排泄量,地下水水位呈上升趨勢。

3.2 地下水允許開采量計(jì)算

3.2.1 數(shù)值模型

地下水允許開采量可理解為地下水動(dòng)水位不低于警戒水位的最大開采量[4],本文借助GMS進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。沭河盆地南部為沭河支流合流處,常年有水且與地下水存在聯(lián)系;同時(shí)由于常測孔資料顯示沭河盆地地下水開采與北部水位無明顯聯(lián)系,故將南北視為定水頭邊界。西部沭河和柳清河之間分布有一地表分水嶺,其兩側(cè)的地下水水位高于河流兩側(cè)的地下水水位,由此可推斷此處也是地下水分水嶺,故定為隔水邊界;盆地東部為基巖區(qū),大氣降水以地表徑流形式匯入盆地中心含水層內(nèi),可定義為定流量邊界。研究區(qū)內(nèi)的地下水既有水平方向運(yùn)動(dòng)又有垂直方向運(yùn)動(dòng),可概化為非均質(zhì)各向異性介質(zhì)中的三維非穩(wěn)定流,根據(jù)2012年5月的地下水動(dòng)態(tài)觀測孔的實(shí)測水位,通過插值獲得研究區(qū)內(nèi)各結(jié)點(diǎn)的初始水位。利用店子集2012年常測孔實(shí)測資料與模擬計(jì)算值進(jìn)行擬合校正,以滿足GB/T 14497—93《地下水資源管理模型工作要求》。

3.2.2 模擬計(jì)算

在富水區(qū)中心布置4口開采井,各井平均開采,1～4號(hào)含水層的厚度分別為13.0 m、13.2 m、12.9 m、10.6 m,初始水位分別為106.5 m、105.5 m、104.3 m、104.0 m,以研究區(qū)多年平均降雨量745.25 mm作為模擬降雨量,利用數(shù)值模型模擬，分別計(jì)算不同開采量下的穩(wěn)定水位和區(qū)域平均降深(表3、表4、圖2)。當(dāng)開采量增大至8萬m3/d時(shí),降落漏斗中心水位由104.0 m降至96.3 m，平均降深達(dá)6.925 m，水位急速下降。按水位降深達(dá)到含水層厚度1/3時(shí)的動(dòng)水位為警戒水位,逐步調(diào)整地下水開采量,直至均衡區(qū)年總儲(chǔ)存量變化量為零,最終計(jì)算出均衡條件下莒縣沭河盆地地下水允許開采資源量為61 133 m3/d,這與利用水均衡法確定的補(bǔ)給量與開采量差值(63 365 m3/d)基本吻合。綜合確定莒縣沭河盆地未來地下水開采量控制在6.1萬m3/d以內(nèi)較為合理。

表3 模擬不同開采量時(shí)1～4號(hào)水位

表4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

圖2 不同開采量下地下水流場模擬(m)

3.3 地下水水質(zhì)評價(jià)

(1)

(2)

評價(jià)級(jí)別按F值分為以下5類:F< 0.80，優(yōu)良;0.807.20，極差[6]。

取樣化驗(yàn)分析結(jié)果表明,莒縣沭河盆地地下水水化學(xué)類型自上游向下游依次是HCO3型、HCO3-Cl型和HCO3-Cl-SO4型,沭河下游地下水質(zhì)量總體有逐漸變差的趨勢。評價(jià)結(jié)果表明,莒縣沭河盆地地下水質(zhì)達(dá)到Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域約占總面積的38.6%,主要分布在沭河王家墩頭—莒縣城區(qū)北段兩側(cè)約400 m范圍內(nèi)及閻莊鎮(zhèn)北一帶;達(dá)到Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域約占總面積的32.8%,分布于店子集—莒縣城區(qū)東的支流兩側(cè);達(dá)到Ⅳ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域約占總面積的22.7%,分布于莒縣城區(qū)南—陵陽一帶以及城區(qū)北—閻莊鎮(zhèn)南部分地區(qū);地下水質(zhì)達(dá)到Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域約占總面積的8.4%,分布于劉家官莊—大放鶴一帶?？偟膩砜?水質(zhì)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域占總面積的71.4%,除沭河莒縣南段流域因工業(yè)、養(yǎng)殖及生活污水的排入使水體遭遇污染外,其他大部分區(qū)域地下水質(zhì)狀況良好,基本滿足供水質(zhì)量要求。

表5 沭河盆地水樣分析評價(jià)

4 結(jié) 論

a. 莒縣沭河盆地屬侵蝕盆地,面積約160 km2。含水層以第四系含沙礫石層為主,按砂層分布各向異性分為兩個(gè)富水區(qū)。

b. 地下水補(bǔ)給來源主要為河流側(cè)滲補(bǔ)給和大氣降水補(bǔ)給,排泄方式以人工開采為主。

c. 現(xiàn)狀條件地下水天然總補(bǔ)給量與總排泄量正均衡2 312.85萬m3/a,地下水開采潛力為6.1萬m3/d。

d. 地下水化學(xué)類型自上游至下游依次為HCO3型、HCO3-Cl型和HCO3-Cl-SO4型,逐漸變差,水質(zhì)達(dá)到Ⅲ級(jí)及以上標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域占總面積的71.4%,總體滿足供水質(zhì)量要求。

[1] 于鳳鳴,劉興起,蔣援民,等.保障莒縣水資源可持續(xù)利用的對策[J].水資源保護(hù),2004,20(2):57-59.(YU Fengming,LIU Xingqi,JIANG Yuanmin,et al.The countermeasures of ensuring sustainable use of water resources in Ju County[J].Water Resources Protection,2004,20(2):57-59.(in Chinese))

[2] 孫仲明. 古河道的類別、成因與研究意義[J].灌溉排水,1984,3(2):42-45.(SUN Zhongming.Ancient river types,causes and significance[J].Irrigation and Drainage,1984,3(2):42-45.(in Chinese))

[3] GB 50027—2001 供水水文地質(zhì)勘查規(guī)范[S].

[4] 康鳳新.地下水允許開采量及其潛力評價(jià)研究[J].工程勘察,2005,35(3):29-33.(KANG Fengxin. Groundwater allowable exploitation and evaluation of potential[J].Engineering Survey,2005,35(3):29-33. (in Chinese))

[5] 王文強(qiáng).綜合指數(shù)法在地下水水質(zhì)評價(jià)中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2008,14(1):54-55.(WANG Wenqiang.Application of composite index method in groundwater quality evaluation[J].Hydraulic Technology and Economy,2008,14(1):54-55. (in Chinese))

[6] GBT14848-1993 地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

Assessment on groundwater resources in Shuhe Basin,Ju County, Shandong Province

BAI Ping, ZHU Wei, YANG Peng

(The8thInstituteofGeology&MineralExplorationofShandongProvince,Rizhao276826,China)

The techniques of geophysical prospecting and drilling are used to study the hydrogeological structure and the conditions of groundwater recharge, runoff and discharge in Shuhe Basin. A hydrogeological model has been set up, and an assessment on the groundwater exploitation potential and groundwater quality was made by means of GMS software numerical simulation and Nemoro comprehensive index method. The results show that the aquifers in Shuhe Basin are anisotropic, and can be divided into two water-rich zones according to the thickness of aquifers; atmospheric precipitation and lateral inflow of river are the main recharge ways of groundwater; artificial groundwater exploitation is the main discharge way, the balance of groundwater is 2 312.85 ×104m3/a. By simulating the changes of groundwater under different exploitation schemes, the groundwater exploitation potential is 6.1×104m3/d. The areas in which groundwater quality is superior to Ⅲ level account for 71.4% of the total area, which basically meets the water quality requirements of water supply.

groundwater resources; aquifer structure; groundwater exploitation potential; water resources assessment; numerical simulation; Nemoro comprehensive index method; Shuhe Basin

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.013

2010年山東省財(cái)政出資地質(zhì)勘查項(xiàng)目(魯勘字(2010)115號(hào))

白平(1987—),男,助理工程師,主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)工作。E-mail:dkbybp@163.com

TV213，X824

A

1004-6933(2015)02-0065-05

2014-06-19 編輯：徐 娟)