青島市黃島區(qū)潮河水源地地下水數(shù)值模擬

付佳妮，孫建明，林青

(1.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島　266071；2.青島大學環(huán)境科學系，山東 青島　266071)

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青島市黃島區(qū)潮河水源地地下水數(shù)值模擬

付佳妮1，孫建明1，林青2

(1.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島266071；2.青島大學環(huán)境科學系，山東 青島266071)

在分析研究青島市黃島區(qū)潮河流域水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，建立了水文地質(zhì)概念模型和地下水流數(shù)值模擬模型，利用地下水水位動態(tài)監(jiān)測資料對模型進行了識別，并預測了三枯一豐一平條件下地下水最大開采量以及水位、降深分布情況。結(jié)果表明，模型驗證擬合結(jié)果較好，地下水最大開采量為2.4萬m3/d，地下水開采不會引起地面沉降、海水入侵等問題。

地下水；數(shù)值模擬；水位；降深；開采量；青島市黃島區(qū)

引文格式：付佳妮，孫建明，林青.青島市黃島區(qū)潮河水源地地下水數(shù)值模擬[J].山東國土資源，2015，31(7)：45-49.FU Jiani, SUN Jianming, LIN Qing.Numerical Simulation of Groundwater Sources of Chaohe River in Huangdao District in Qingdao City[J].Shandong Land and Resources,2015，31(7)：45-49.

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展及城市化進程加快，青島市水資源供需矛盾日益突出，地下水超采日趨嚴重，引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題[1-2]。部分正在建設(shè)中的開發(fā)區(qū)或港城需水量巨大，造成供水水量遠不能滿足近期要求，亟需建設(shè)新的水源及供水工程。潮河發(fā)源于日照市五蓮縣的九泉，屬青島市的過境河道，地下水資源量豐富，開發(fā)利用程度較低，未有大規(guī)模的水資源利用項目。通過數(shù)值模擬方法評價潮河地下水開采潛力，預測開采條件下地下水變化趨勢，對有效管理、合理利用地下水，緩解區(qū)域供水緊張狀態(tài)，保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境等，具有重要的意義。

1　水文地質(zhì)概況

潮河發(fā)源于日照市五蓮縣的九泉，由海青鎮(zhèn)孔家小嶺村東北入青島市，流經(jīng)海青鎮(zhèn)，于海青鎮(zhèn)修七園村東南入日照市(圖1)。河道全長33km，全部流域面積為367.1km2，青島境內(nèi)河段長6.8km，流域面積34.1km2。地貌類型為河谷沖積平原和剝蝕丘陵。

圖1　潮河流域位置示意圖

地下水類型分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2種，松散巖類孔隙水含水層主要由第四紀沖積、沖洪積層不同粒徑的砂及砂礫石組成，其平面形態(tài)呈NW—SE向帶狀展布，厚度一般4.0～9.0m，透水性強，水量較豐富，單井出水量一般大于1000.0m3/d，水位埋深一般0.5～7.0m(圖2)?；鶐r裂隙水主要賦存于基巖表層風化裂隙或構(gòu)造破碎帶中，巖性為新元古代晉寧期片麻狀中粗粒含黑云二長花崗巖，裂隙發(fā)育呈網(wǎng)狀，有統(tǒng)一水面，厚度一般為20.0～30.0m，滲透系數(shù)一般為0.3～2.6m/d，單井涌水量一般小于100.0m3/d，局部裂隙發(fā)育地區(qū)單井涌水量可大于100.0m3/d。地下水化學類型為HCO3·Cl-Ca·Na，HCO3·SO4-Ca·Na，礦化度小于1g/L。

圖2　潮河地下水含水層剖面圖

地下水主要補給來源為大氣降水入滲補給和上游徑流補給，其次為潮河河流滲漏補給和基巖裂隙水側(cè)向補給。地下水的排泄方式主要為徑流排泄和蒸發(fā)，人工開采較少。地下水總體流向以順河流流勢和地形坡降的方向為主，排泄強度隨季節(jié)而變化?？菟诤恿髁枯^小，第四系地下水部分向河流補給。

2　水文地質(zhì)概念模型的建立

水文地質(zhì)概念模型的建立，在原則上盡量充分利用自然邊界，以避免人為邊界對模擬計算造成干擾[3]。

模擬區(qū)北部為基巖丘陵區(qū)，分布有裂隙十分發(fā)育的基巖裂隙含水層，且多與區(qū)內(nèi)孔隙含水層直接接觸，接受大氣降水入滲補給，并形成地下水徑流側(cè)向補給含水層，將這一邊界概化為給定水頭邊界；西部為地下水徑流補給區(qū)，上游為日照水庫，水力坡度較大，在開采條件下水位相對穩(wěn)定，故將這一邊界概化為定水頭邊界；南部地勢較緩，含水層延伸較遠，地下水位不受開采影響，以青島市界為邊界，與地下水流線平行，概化為隔水邊界；中部自西向東有潮河穿過，河流切割含水層，二者有密切水力聯(lián)系，但水量隨季節(jié)變化明顯，將其概化為變水頭邊界。開采條件下潮河下游將設(shè)置防滲墻，為隔水邊界。地下水頂部邊界為潛水面，受大氣降水、河水入滲、人工開采以及蒸發(fā)等因素影響，水位不斷變化[4]。底部邊界為第四紀砂或砂礫石含水層底板，概化為隔水邊界[5]。地下水水源地數(shù)值模型的模擬面積為26.6km2。

3　數(shù)學模型的建立及求解

依據(jù)滲流的連續(xù)性方程和達西定律，結(jié)合潮河地區(qū)地下水系統(tǒng)實際水文地質(zhì)條件，運用地下水模擬系統(tǒng)Visual Modflow軟件中的Modflow模塊，建立與潮河地區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對應的數(shù)學模型[6-8]。地下水的三維流動數(shù)學模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Ω—滲流區(qū)域；h—含水層的水位標高(m)；kx，ky，kz—x，y，z方向的滲透系數(shù)(m/d)；S—自由面以下含水層儲水系數(shù)(1/m)；Q—單位體積流量，用以表示流進匯或來自源的水量(m3/d)；H0—含水層的初始水位(m)；t—計算時段時間(s)。

4　數(shù)學模型的識別與驗證

模擬區(qū)網(wǎng)格剖分為70行×100列，每個單元格為103m×106m，共7000個單元，去除研究區(qū)范圍以外不用參與計算的單元，其中有效計算單元共計4596個。垂向上分為1層，為潛水含水層，將有效計算單元劃分為4個滲透系數(shù)分區(qū)和3個給水度、降水入滲系數(shù)分區(qū)(圖3、圖4)，每個分區(qū)內(nèi)的含水介質(zhì)可看作均質(zhì)各向同性，參數(shù)分配情況見表1。

圖3　數(shù)值模擬區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)圖

圖4　數(shù)值模擬區(qū)給水度和降水入滲系數(shù)分區(qū)圖

為了檢驗所建立模型以及模型參數(shù)的準確性，以2001年1月1日至2010年12月31日作為模型校正的時段，共分120個應力期，每個應力期(計算時段)為30天，通過擬合模擬區(qū)上游MJ6和下游MJ29兩個觀測孔水位對模型進行校正。經(jīng)多次參數(shù)調(diào)整，曲線擬和結(jié)果較好(圖5、圖6)，水文地質(zhì)參數(shù)的識別值與實際值基本一致(表1)。

表1　水文地質(zhì)參數(shù)模擬識別結(jié)果

圖5　MJ6水位模擬值和觀測值對比

圖6　MJ29水位模擬值和觀測值對比

為進一步檢驗所建數(shù)學模型和模型校正后確定的水文地質(zhì)參數(shù)的可靠性，利用模擬區(qū)內(nèi)6個長期觀測孔(MJ6，MJ15，MJ18，MJ25，MJ27，MJ35)在2013年7月1日—2014年3月31日時間段內(nèi)的地下水位動態(tài)監(jiān)測資料驗正模型[9-11]。模型驗證水位擬合結(jié)果見圖7。

圖7　地下水水位模型驗證圖

擬合結(jié)果顯示，各點均勻地分布在1∶1相關(guān)線兩側(cè)，標準誤差為0.12m，標準均方根誤差為6.529%，各種誤差指標均在允許的范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.991，表明計算地下水位和實測結(jié)果吻合較好，模型所取參數(shù)和水文地質(zhì)條件概化的準確、合理，運行穩(wěn)定，可以采用該模型進行水位預測。

5　模型的預測

根據(jù)青島市歷年降水量和蒸發(fā)量觀測資料，最不利供水條件為連續(xù)出現(xiàn)3個枯水年1個豐水年1個平水年系列。地下水合理開采量預測目標為：開采活動對地下水流場影響較小，連續(xù)3個枯水年后地下水位降深小于含水層厚度三分之二，且在豐水年水位基本能夠恢復。三枯一豐一平的水文氣象條件由黃島區(qū)2006—2010年的相應氣象條件來表示，初始水位由2013年1月4號的觀測水位插值獲得。

將工作區(qū)已有的24口抽水孔全部設(shè)定為開采井，各井的開采量為其單井涌水量，在此基礎(chǔ)上逐步增加開采井數(shù)量。通過多個階段的開采流量試算，連續(xù)3個枯水年后，地下水水位降深范圍為0～3.0m，大部分區(qū)域水位降深1.0m，局部地區(qū)形成降落漏斗，但降深小于含水層厚度三分之二，此時地下水開采量為2.4萬m3/d(圖8)。豐水年雨季來臨后地下水位逐漸回升(圖9)，平水年開采相同水量，地下水降落漏斗僅局部存在，降深為0～2.0m，未對地下水流場造成大面積影響(圖10)。

圖8　連續(xù)3個枯水年后地下水水位等值線及降深預測圖

圖9　豐水年后地下水水位等值線及降深預測圖

圖10　平水年后地下水水位等值線及降深預測圖

地下水位和降深模擬結(jié)果滿足地下水最大開采量預測目標，因此青島市黃島區(qū)潮河供水水源地地下水合理開采量為2.4萬m3/d。

6　結(jié)論

(1)該次數(shù)值模擬所建立的水文地質(zhì)概念模型合理，模擬所取參數(shù)和其邊界條件概化準確合理，模型驗證擬合結(jié)果較好，符合青島市黃島區(qū)潮河流域?qū)嶋H情況。

(2)模型預報的結(jié)果顯示，在三枯一豐一平條件下青島市黃島區(qū)潮河地下水最合理的開采量為2.4萬m3/d，地下水資源具有較大的開發(fā)利用潛力，可對其進行合理開發(fā)利用，緩解區(qū)域供水矛盾。

(3)地下水開采不會造成大面積降水漏斗，豐水期水位基本能夠恢復，不會引發(fā)地面沉降、海水入侵等問題，但地下水位降低在不同程度上影響周圍村民生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，建議在后期地下水開采規(guī)劃中將村民用水考慮在內(nèi)。

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Numerical Simulation of Groundwater Sources of Chaohe River in Huangdao District in Qingdao City

FU Jiani1, SUN Jianming1, LIN Qing2

(1.Qingdao Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Qingdao 266071，China;2. Environmental Science Department of Qingdao University, Shandong Qingdao 266071，China)

On the basis of studying hydrogeological condition of Chaohe river basin in Huangdao district in Qingdao city, hydrogeological conceptual model and numerical simulation model of groundwater flow have been established. The maximum of groundwater exploitation and the groundwater level as well as the drawdown have been predicted in three dry years, one wet year and one flat year after the model identification by using dynamic monitoring data of groundwater level. It is known that the calculated results can fit the measured data well. The maximum of exploitation of groundwater is 24000 m3/d, and will not lead to land subsidence and seawater intrusion.

Groundwater; numerical simulation; water level; drawdown; exploitation amount

2014-08-04；

2014-11-26；編輯：曹麗麗

付佳妮(1987—)，女，山西長治人，助理工程師，主要從事水文地質(zhì)勘察、地下水質(zhì)量監(jiān)測等工作；E-mail:497384588@qq.com

P641.134

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