三維水流數(shù)值模型在地下水允許開采量評價中的應(yīng)用

武秋娟 魯康橋

(鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院，河南鄭州 450006)

三維水流數(shù)值模型在地下水允許開采量評價中的應(yīng)用

武秋娟 魯康橋

(鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院，河南鄭州 450006)

為查明趙口引黃灌區(qū)中牟境內(nèi)深層地下水允許可開采量，采用地下水流數(shù)值模擬軟件GMS建立三維水流數(shù)值模型，對地下水資源進(jìn)行評價計算。將開采井的開采層位根據(jù)其具體坐標(biāo)和開采量加載在模型相應(yīng)的網(wǎng)格上，在規(guī)劃開采條件下按運行20年預(yù)測模型，得出該水源地2030年末深層地下水預(yù)測流場，分析深層采井附近的降落漏斗。

數(shù)值模型;水資源;開采量

1 概述

河南省趙口引黃灌區(qū)位于黃河南岸豫東平原，始建于1970年，是以引黃灌溉為主要任務(wù)的大型灌區(qū)。灌區(qū)中牟縣境內(nèi)趙口總干渠為土渠，未護(hù)砌，農(nóng)業(yè)用水直接引自渠內(nèi)黃河水。而作為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活用水取水水源則多為深層地下水，靠趙口總干渠及黃河側(cè)滲補給。為查明該區(qū)域作為城區(qū)水源地時深層地下水允許可開采量，采用地下水流數(shù)值模擬軟件GMS建立三維水流數(shù)值模型，對地下水資源進(jìn)行評價計算。依據(jù)水源地的地形、地貌、水文地質(zhì)條件和水源地開采后的影響范圍，評價計算的范圍:北至黃河水邊線，南至鄭開大道;東至瓦坡，西至萬灘，面積324.5km2。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水層組

趙口引黃灌區(qū)中牟境域地處黃河下游平原，本區(qū)地下水類型均為松散巖類孔隙水。

根據(jù)含水層的埋藏條件、成因類型、水力性質(zhì)等，將區(qū)內(nèi)550m以上劃分為淺層孔隙含水層組、中層孔隙含水層組和深層孔隙含水層組三個含水層層組，分別對應(yīng)淺層水、中層水和深層水。淺層水系指埋藏于地表下100m以淺的含水巖組，中層水系指埋藏于地表下100～250m深度的含水巖組，250～500m為深層水。富水程度以單井涌水量為指標(biāo)進(jìn)行評價。單井涌水量淺層按降深5m和深層按降深15m進(jìn)行換算。

2.2 富水性特征

2.2.1 富水區(qū)(3000～2000m3/d)

分布在勘查區(qū)盆王—賀崗—太平莊一線以西，水文地質(zhì)井抽水試驗時，水位降深10.74m，單井涌水量1688.4m3/d，推算涌水量為2359.26m3/d。地下水礦化度＜1g/L，水位埋深19～21m。

2.2.2 中等富水區(qū)(2000～1000m3/d)

分布在勘查區(qū)盆王—賀崗—太平莊一線以東，水文地質(zhì)井抽水試驗時，降深 17.59m，單井涌水量1680.24m3/d，推算涌水量為1432.63m3/d，該區(qū)地下水礦化度＜1g/L，水位埋深20～21m。

3 地下水補給、徑流與排泄

3.1 淺層地下水

淺層地下水的補給以大氣降水入滲為主，其次為黃河測滲及其他河流、渠道滲漏、農(nóng)田灌溉回滲及地下徑流補給。

淺層地下水徑流總體流向為自西北向東南徑流。淺層地下水的排泄主要是開采和蒸發(fā)及側(cè)向徑流，本區(qū)河流洪水期水位高補給地下水，枯水期地下水位高向河流徑流排泄。鄉(xiāng)鎮(zhèn)以居民生活用水開采為主，外圍以農(nóng)業(yè)、灌溉開采為主。

3.2 中層地下水

中層水補給主要來自北部、西北部側(cè)向徑流補給。另外淺層與中層之間無良好隔水層，且由于本區(qū)農(nóng)村集中供水均采用中層水，造成中層水位低于淺層水位，故淺層水對中層水具有一定的補給作用。

中層地下水的徑流，由西北、北部向東南、南部徑流。排泄主要是農(nóng)村集中供水開采及向深層越流排泄。將來大量開采淺層地下水時，有可能向淺層越流排泄。

3.3 深層地下水

深層地下水主要來自西北部的徑流補給，深層與中層之間弱透水層較薄，且中層水位高于深層，故中層水對深層水有一定的補給作用。深層水的徑流方向由西北向東南。排泄主要是側(cè)向徑流排泄。

4 地下水動態(tài)特征

4.1 淺層地下水動態(tài)特征

潛水蒸發(fā)是淺層地下水保持均衡狀態(tài)的一個重要因素，隨著年開采量的增加，淺層水位下降，蒸發(fā)排泄量相應(yīng)減少，直至遇到豐水年和豐水季節(jié)，接受降水補給再度回升。根據(jù)淺層地下水位的變化過程劃分出兩種動態(tài)類型:入滲—開采型與入滲—蒸發(fā)型。

4.2 中層地下水動態(tài)特征

中層地下水來源于側(cè)向徑流及淺層越流補給，消耗于開采和側(cè)向徑流及向深層越流排出。由于人工開采，地下水位已降至8～12m左右，因中層開采在本區(qū)均布，區(qū)內(nèi)未形成明顯降落漏斗。故其動態(tài)類型為徑流—開采型。其變化主要受開采量大小控制。

4.3 深層地下水動態(tài)特征

深層地下水天然狀態(tài)下來源于側(cè)向徑流補給，消耗于側(cè)向徑流排出，工程區(qū)深層開采量較小。所以，本區(qū)深層地下水動態(tài)，仍大致保持著天然狀態(tài)，年變幅1m左右。隨著人工開采量的增加，將變?yōu)閺搅?開采型。

5 數(shù)值法評價地下水允許開采量

5.1 地下水系統(tǒng)概念模型

5.1.1 含水層結(jié)構(gòu)特征

本區(qū)地下水類型均為松散巖類孔隙水。

模型將勘察區(qū)在空間上大致劃分為淺層孔隙含水層組(100m以淺)、中層孔隙含水層組(100～250m)和深層孔隙含水層組(250～500m)三個含水層組。

5.1.2 地下水流動特征

淺層地下水的徑流受地形和補給源控制。由于黃河現(xiàn)行河道是下游平原的中脊和地表水、地下水的分水嶺。所以，在黃河影響帶內(nèi)，黃河以南地下水自西北向東南徑流;黃河以北地下水自西南向北徑流。由于黃河在東壩頭北折，地下水流向逐漸變?yōu)槲鞅薄｜S河影響帶外，由于受西部山區(qū)的側(cè)向徑流補給，黃河北側(cè)地下水自西南向東北測流，黃河南側(cè)自西向東逐漸變?yōu)闁|南方向。水力坡度和地形坡降相近，屬徑流滯緩類型。

5.1.3 邊界條件的概化

根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件和地下水開發(fā)利用情況，將地下水系統(tǒng)模擬區(qū)定為:模型的北部以黃河為界，南邊界至鄭開大道，西至萬灘，東到瓦坡村，總面積324.5km2。

a.側(cè)向邊界:對于淺層含水層，北邊界黃河定為River邊界;參照區(qū)域內(nèi)多年平均的流場圖將東部和南部邊界定為通用水頭邊界，將西部定為隔水邊界，對于中層和深層含水層，將模型各邊界均定義為通用水頭邊界。

b.垂向邊界:潛水含水層自由水面為系統(tǒng)的上邊界，通過該邊界，潛水與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換，如接受大氣降水入滲補給、河渠補給、田間入滲補給、蒸發(fā)排泄等。三個含水層組之間通過越流交換物質(zhì)和能量，其越流量由含水層在垂向上的滲透系數(shù)及含水層的厚度決定。

c.水力特性:地下水系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律;含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達(dá)西定律;考慮淺、深層之間的流量交換以及軟件的特點，地下水運動可概化成空間三維流;地下水系統(tǒng)的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題;地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時間、空間變化，故地下水為非穩(wěn)定流;參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，而且在水平和垂直方向上各不相同，所以參數(shù)概化成各向異性。

綜上所述，分析評價區(qū)可概化成非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，即地下水系統(tǒng)的概念模型。

5.2 模型預(yù)測條件

地下水?dāng)?shù)值預(yù)測模型的模擬期為20年(2011年1月至2030年12月)，以一個月為一個應(yīng)力期，共240個應(yīng)力期，其初始流場為2010年模擬期末的流場，如圖1。

圖1 預(yù)測模型深層初始流場

根據(jù)降雨的周期性，選取歷史上1980—1999年的降雨量作為預(yù)測模型20年的降雨量，該20年的降雨量中有7個枯水年份，尤其是最后5年中包含了3個枯水年份，可以達(dá)到預(yù)測極端氣候下地下水變化趨勢的要求。

以2010年補給、排泄量作為預(yù)測期間的源匯項，在枯水年份相應(yīng)地增加農(nóng)業(yè)和生活用水開采量，在豐水年份相應(yīng)地減小農(nóng)業(yè)和生活用水開采量。水源地開采井的開采層位根據(jù)其具體坐標(biāo)和開采量加載在模型相應(yīng)的網(wǎng)格上。

5.3 模型預(yù)測結(jié)果

在規(guī)劃開采條件下運行20年預(yù)測模型，得出該水源地2030年末深層地下水預(yù)測流場如圖2。由圖中可以看出，在深層的開采井附近形成了局部的降落漏斗，但水位下降幅度并不大，影響范圍也在開采井周圍的區(qū)域內(nèi)。水源地深層含水層在預(yù)測期末的水位降深如圖3所示。

圖2 規(guī)劃開采條件下預(yù)測期末深層流場

5.4 允許開采量分析

開采資源量的預(yù)報，應(yīng)在現(xiàn)有開采技術(shù)條件下，以不影響已有水源地正常運行和工、農(nóng)業(yè)用水等為原則，限定預(yù)報開采約束條件為:?根據(jù)現(xiàn)有開采技術(shù)和本區(qū)水文地質(zhì)條件，模型預(yù)測水源地開采主井最大水位降深不應(yīng)超過含水層厚度的1/3;?根據(jù)實際取水能力，由開采引起的主井水位降深不大于設(shè)計降深;?預(yù)測開采量不應(yīng)超過區(qū)域可開采資源量;?開采狀態(tài)下，保證淺層地下水水位不可下降太快。

在以上約束條件下，通過模擬計算得出雁鳴湖水源地一期深層的開采量如表1所列，深層允許開采量為9980m3/d，完全可以滿足規(guī)劃開采條件下9980m3/d的開采要求。

表1 水源地允許開采量模擬計算

圖3 規(guī)劃開采20年后模擬區(qū)深層地下水位降深

5.5 水源地開采量組成分析

對比深層含水層未開采條件下和開采9980m3/d條件下預(yù)測模型20年間地下水多年平均水量均衡情況，可以得到深層地下水各補排量的變化如表2所列。

表2 預(yù)測模型深層地下水多年平均補排量變化情況

由表可知，水源地深層含水層在規(guī)劃開采條件下，動用了儲存量，主要激發(fā)了邊界側(cè)向流入量和中層含水層的越流補給量，且研究區(qū)邊界的側(cè)向流出量明顯減少。水源地規(guī)劃開采量(365×104m3/a)的來源組成分析如表3，由此可見水源地深層含水層的規(guī)劃開采量是有保證的。

表3 深層含水層開采量來源組成分析

6 結(jié)語

地下水流數(shù)值模擬計算結(jié)果表明:水源地深層地下水開采9980m3/d時，水源地開采20年地下水位降落漏斗中心水位降深為6.02m，水源地開采主要依靠激發(fā)地下水側(cè)向流入量及越流補給量，襲奪地下水側(cè)向流出量，以滿足地下水位處于含水層頂板之上。因此，水源地深層井的開采是有保證的。

Application of Three-dimensional Water Flow Numerical Model in Groundwater Allowable Exploitation Evaluation

WU Qiujuan，LU Kangqiao
(Zhengzhou Water Conservancy Construction Survey and Design Institute，Zhengzhou450006，China)

Groundwater flow numerical value stimulation software GMS is adopted for establishing three-dimensional water flow numerical value model in order to identify the amount of deep groundwater allowable exploitation in Zhaokou Yellow River Diversion Irrigation Area.Groundwater resources can be evaluated and calculated.The mining layer of exploration wells can be loaded on corresponding network of the model according to specific coordinates and exploitation.Deepest layer groundwater predication flow field of the water source at the end of 2030 is obtained under planned exploitation condition according to operation of 20-year forecast model.Depression funnel near deep exploitation well can be analyzed.

numerical value model;water resources;exploitation quantity

TV211.1+2

:A

:2096-0131(2015)01-0064-05