基于Modflow的地下水降落漏斗發(fā)展預(yù)測及防治對策
——以東營市廣饒地區(qū)為例

劉詠明，崔圓圓，計孝飛，邵琦

(1.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南　250014；2.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南　250014)

基于Modflow的地下水降落漏斗發(fā)展預(yù)測及防治對策
——以東營市廣饒地區(qū)為例

劉詠明1，2，崔圓圓1，計孝飛1，邵琦1

(1.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南250014；2.山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟南250014)

以工作區(qū)水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，基于Modflow建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)概念模型。通過模型對工作區(qū)地下水降落漏斗的發(fā)展進行預(yù)測，得出5年后地下水流場總體形態(tài)基本沒有大變化，地下水集中開采水源地水位普遍降低，降落漏斗范圍進一步擴大，等水位線降低4～10m，地下水處于超采狀態(tài)，并針對此情況提出切實可行的防治對策。

水文地質(zhì)數(shù)值模擬；離散與校正；地下水降落漏斗；東營廣饒

引文格式：劉詠明，崔圓圓，計孝飛，等.基于Modflow的地下水降落漏斗發(fā)展預(yù)測及防治對策——以東營市廣饒地區(qū)為例[J].山東國土資源，2015,31(3)：50-53.LIU Yongming, CUI Yuanyuan, JI Xiaofei,etc.Development Prediction and Prevention Countermeasures of Groundwater Pumping Cones Based on Modflow——Taking Guangrao region of Dongying City as an Example[J].Shandong Land and Resources,2015，31(3)：50-53.

工作區(qū)地處暖溫帶，屬季風(fēng)型氣候區(qū)，年平均氣溫12.3℃，年平均降水量547.74mm。區(qū)內(nèi)主要河流有小清河、廣利河、淄河等。工作區(qū)位于泰沂山北麓平原地帶，包括廣饒縣全境及東營區(qū)和墾利縣的一部分，面積約2030km2?？偟貏菸髂细?、東北低。小清河以南地面標(biāo)高10～25m，以北一般3～8m，地貌類型可分為山前沖洪積平原和古黃河三角洲平原。

1　地質(zhì)概況

1.1地層

工作區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較齊全。中生代以來受燕山運動和喜馬拉雅運動的影響，該區(qū)一直緩慢下降，其上沉積了巨厚的新生代地層，該次研究的對象為第四系，主要為湖積相，次為海積、沖積相。地層巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土及砂層的互層，層底埋深168.45～420.0m。

1.2構(gòu)造

區(qū)內(nèi)控制性斷裂為齊河-廣饒斷裂，控制著區(qū)內(nèi)整個新生代的發(fā)育。

2　水文地質(zhì)特征

根據(jù)含水層的埋藏條件和地下水水化學(xué)特征，目前區(qū)內(nèi)地下淡水開采深度(600m)內(nèi)的含水層組劃分為淺層、中深層和深層地下淡水含水層組。該次研究著重以目前正大規(guī)模開采的中深層含水層為目的含水層。

2.1含水層特征

中深層含水層組分布在廣北農(nóng)場—丁莊鎮(zhèn)王署埠—牛莊鎮(zhèn)王營—北薛一線以南地區(qū)(圖1),面積1017.25km2。含水層頂板埋深60～120m，底板埋深220～240m，屬承壓水。受沉積環(huán)境的影響，含水層頂?shù)捉缑嬗晌髂舷驏|北傾斜。區(qū)內(nèi)含水層富水性由南向北減弱，廣饒鎮(zhèn)袁家村—廣饒縣城北關(guān)—稻莊鎮(zhèn)徐家樓—長行以南地區(qū)，推算20m降深單井涌水量大于2000m3/d，花官鄉(xiāng)草劉—草橋—西劉橋鄉(xiāng)南塔—大碼頭鄉(xiāng)駐地一線以北地區(qū)單井涌水量小于1000m3/d。地下水礦化度一般小于1000mg/L。

據(jù)2011年8月下旬中深層地下水水位統(tǒng)測資料(圖1)，中深層地下水在廣饒縣東部大王—稻莊鎮(zhèn)、東北部石村鎮(zhèn)大營、西劉橋鄉(xiāng)石碑及丁莊鎮(zhèn)形成4個地下水降落漏斗，有的已擴展到別的行政區(qū)內(nèi)。地下水大量開采使其流場形態(tài)發(fā)生重大變化，以花官鄉(xiāng)草橋—小趙莊—大碼頭鄉(xiāng)北堤為界，南側(cè)地下水從東、西、南三面向中部漏斗區(qū)匯集，以北則基本恢復(fù)原徑流方向。

圖1　東營市中深層地下水水位等值線圖(2011年)

2.2地下水化學(xué)類型

區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)類型具有明顯的水平分帶性。由南往北依次為HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca·Mg·Na型、HCO3-Na·Mg型和HCO3-Na型。地下水陰離子類型較單一，其中HCO3型分布面積最廣，反映出地下水的主要補給來源以南部山區(qū)大氣降水入滲補給為主的特征。地下水陽離子類型較多，由南向北由Ca·Mg型、Ca·Mg·Na型逐步轉(zhuǎn)化為Na型，反映出地下水循環(huán)交替作用減弱、徑流條件差的特征。

2.3中深層含水層補徑排條件

區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源為南部、西南部淄博境內(nèi)地下水的徑流補給，東西兩側(cè)接受周邊地下水的側(cè)向徑流補給，其次在廣饒縣中南部全淡水區(qū)，還接受上層潛水—淺層地下水的越流補給。地下水在廣饒縣境內(nèi)以人工開采的方式排泄，在北部向區(qū)外徑流排泄。

3　地下水資源數(shù)值法計算

3.1數(shù)學(xué)建模

含水層系統(tǒng)垂向上由淺層潛水—微承壓淡水、中深層承壓淡水和深層承壓淡水3個單一含水層，含水層由南向北微傾斜，東西方向呈近水平狀展布(圖2)。全淡區(qū)淺層淡水與中深層淡水含水層間為弱透水層，其余地段各含水層相互獨立。模型概化如下[1，2]：中深層和深層含水層概化為均質(zhì)、各向異性、具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的承壓含水層。全淡區(qū)中深層承壓水流為有越流補給的平面二維流，其他地區(qū)為無越流補給的平面二維流。深層承壓水流為無越流補給的平面二維流。中深層含水層頂板埋深按80m計，底板和深層含水層作出等值線圖輸入，深層底板埋深統(tǒng)一按埋深600m。

圖2　模型含水層空間分布圖

根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層的水文地質(zhì)特征，將含水層概化為非均質(zhì)、各向異性的平面二維非穩(wěn)定地下水流模型。數(shù)學(xué)模型如下[3]：

式中：x,y—坐標(biāo)(m)；T—導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)；H—水頭(水位)標(biāo)高(m)；W—源匯項(m/d)；μ—彈性釋水系數(shù)(無量綱)；H0—初始水頭(水位)標(biāo)高(m)；D—滲流區(qū)域(模擬區(qū)范圍)；t—時間(d)；D1—含水層滲流區(qū)域的一類邊界(給定水頭邊界)；H1—邊界D1上水頭(水位)標(biāo)高(m)。

3.2模型求解

該次數(shù)值法計算采用Visual Modflow 4.2計算機軟件。Modflow采用單元中心有限差分法模擬地下水在含水層中的運動，有限差分方程組用強隱式法和超松馳因子法進行求解。

(1)計算區(qū)空間離散及差分方程建立。將計算區(qū)水文地質(zhì)單元離散成12100個單元，并根據(jù)實際情況對邊界條件進行設(shè)定[4]。對每個計算單元分別輸入相應(yīng)的參數(shù)值、各類補排量，然后把各單元結(jié)合在一起，利用Modflow自動計算每個單元及全區(qū)的水均衡及地下水位。

(2)模擬模型的校正識別[5]。選擇2011年9月1日至2012年10月21日，共416天水位觀測期，作為該次數(shù)值模擬模型的校正識別期，識別期超過一個完整的水文年。

根據(jù)抽水試驗資料計算的水文地質(zhì)參數(shù)，將導(dǎo)水系數(shù)分、儲水系數(shù)(給水度)進行分區(qū)。根據(jù)擬合水位變化特征，結(jié)合含水層富水性及流場變化等特征，對初始水位、水均衡、水位空間分布、水位動態(tài)等水文地質(zhì)參數(shù)進行優(yōu)化修正，以使計算水位與實測水位誤差近可能小。模擬后中深層承壓水水位等值線分布與圖1實際情況比較基本吻合(圖3)。

圖3　擬合中深層承壓水等水位線圖

3.3預(yù)測

用經(jīng)過識別校正的有限差分數(shù)值模型進行地下水水位預(yù)測[6，7]，預(yù)測結(jié)果見圖4。以2011年為基準年，時段為5年(1825天)。預(yù)測時段內(nèi)，農(nóng)業(yè)開采量保持不變，工業(yè)開采量保持不變(2009—2011年開采數(shù)據(jù)基本平衡)，生活用水按每年人口增長率0.34%遞增。將各量分別賦給模型，預(yù)測5年后區(qū)內(nèi)地下水流場如圖4所示。

可見5年后地下水流場總體形態(tài)基本沒有大變化，地下水集中開采水源地水位普遍降低，降落漏斗范圍進一步擴大，等水位線降低4～10m，地下水處于超采狀態(tài)。

圖4　預(yù)測5年后中深層承壓水等水位線圖

4　防治措施

針對軟件對工作區(qū)降落漏斗發(fā)展的預(yù)測，結(jié)合該區(qū)實際情況，提出防治措施[8，9]。

(1)合理規(guī)劃開采布局。根據(jù)水文地質(zhì)條件、地下水開采潛力、主要開采用途，在保障人民生活用水的前提下，考慮經(jīng)濟發(fā)展和資源開發(fā)保護等因素，大致分為調(diào)減開采、控制開采和適增開采三類區(qū)域。 根據(jù)深層含水層厚度、富水性及補給條件，考慮地下水開采現(xiàn)狀、地方經(jīng)濟發(fā)展環(huán)境，在可預(yù)見的時期內(nèi)，作為集中開采有開采潛力的地段在廣饒縣李鵲鎮(zhèn)和大碼頭鄉(xiāng)一帶。

(2)降低工業(yè)耗水，加大引黃力度[10]。在保障國民經(jīng)濟健康發(fā)展的前提下，減少工業(yè)需要地下水的開采量，一是從源頭上控制高耗水項目的上馬，二是對已有高耗水項目進行技術(shù)改造，提高水資源的重復(fù)利用率，降低單位產(chǎn)值水耗。

小浪底水庫建成運行后，黃河基本實現(xiàn)常年不斷流，使得黃河水的利用有了保障。充分利用東營市黃河水優(yōu)勢，興建或利用已有引黃管道、水渠，使全工作區(qū)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)都能用上黃河水，可大大降低地下水開采量。

(3)豐富灌溉水源，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，改進灌溉方式。興修灌渠，利用小清河水或黃河水進行農(nóng)田灌溉，改變地下水作為農(nóng)田灌溉的唯一水源現(xiàn)象。發(fā)展節(jié)水型農(nóng)作物，大力推廣先進的灌溉技術(shù)，如噴灌、滴灌等，杜絕大水漫灌等粗放型耕作方式。

(4)加強地下水動態(tài)長期監(jiān)測，健全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前，地下水監(jiān)測工作主要側(cè)重于淺層地下水，對中深層和深層地下水監(jiān)測基本處于空白。掌握地下水水位、水質(zhì)動態(tài)和出水量變化趨勢，有利于科學(xué)地制定地下水開發(fā)利用與保護規(guī)劃，持續(xù)為國民經(jīng)濟的健康發(fā)展服務(wù)。

(5)加強管理，健全制度。加強水資源開發(fā)規(guī)劃與管理工作，加大水資源管理力度，建立嚴格的打井、取水制度。通過水資源費等價格機制，宏觀調(diào)控地下水開采量。

[1]羅煥炎,陳雨孫.地下水運動的數(shù)值模擬[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

[2]李國敏,石欽周,馬英杰，等.鄭州市北郊水源地地下水流三維有限元模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),1996，(5):4-7.

[3]吳吉春,薛禹群,黃海，等.山西柳林泉域地下水流數(shù)值模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2001,(2)：18-20.

[4]楊曉芳,李玉倩,屈吉鴻.遷安盆地地下水資源有限元數(shù)值模擬與評價[J].地下水,2008,(3):12-14.

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[6]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)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報), 2008,(5) :693-698.

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[9]劉建立,朱學(xué)愚,陳余道.山東淄博市地下水資源評價及其合理開發(fā)利用研究[J].高校地質(zhì)學(xué)報,1999，5(2):211-220.

[10]王文科,李俊亭.地下水流數(shù)值模擬方法的發(fā)展與展望[J].西北地質(zhì),1995,16(4): 52-56.

Development Prediction and Prevention Countermeasures of Groundwater Pumping Cones Based on Modflow——Taking Guangrao region of Dongying City as an Example

LIU Yongming1,2, CUI Yuanyuan1, JI Xiaofei1, SHAO Qi1

(1. Shandong Geo-engineering Limited Corporation, Shandong Jinan 250014, China; 2. Shandong Geological Surveying Institute, Shandong Jinan 250014, China)

On the basis of hydrogeological condition in work area, based on Modflow, mathematical concept model of hydrogeology has been set up. By using the model, development of groundwater puming cones in work area has been predicted. It is obtained that the overall shape of groundwater flow field is basically no big change after 5 years, water level of centralized exploitation groundwater source will generally decrease, the scope of pumping cones will expand, equivalent lines will reduce 4～10m, and groundwater will be over exploited. Pointing to these condition, relevant countermeasures have been put forward in this paper.

Hydrogeological numerical simulation; discrete and correction; groundwater pumping cones; Guangrao in Dongying city

2014-05-16；

2014-08-25；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

劉詠明(1983—)，男，山東泰安人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：lymdreamer@163.com

P618.31

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