數(shù)值模擬在地下水開采方案制定中的應(yīng)用
——以某市一應(yīng)急備用水源地為例

魏永霞，李志剛，程宏超

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

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數(shù)值模擬在地下水開采方案制定中的應(yīng)用
——以某市一應(yīng)急備用水源地為例

魏永霞，李志剛，程宏超

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

根據(jù)應(yīng)急備用水源地的水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法，并運(yùn)用商業(yè)模擬軟件GMS中的modflow模塊建立數(shù)值模型，通過(guò)模擬不同開采方案，探討在允許降深內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)日開采量的情況下，比對(duì)擇優(yōu)選取合理的開采方案。

水文地質(zhì)概念模型；數(shù)學(xué)模型；modflow；開采方案

地下水?dāng)?shù)值模擬是定量評(píng)價(jià)地下水資源量的方法之一，更為重要的是，利用地下水?dāng)?shù)值模型可以對(duì)不同的開采方案進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，從中比選出相對(duì)優(yōu)化的開采方案。本文以某市一應(yīng)急備用水源地建設(shè)時(shí)的水資源評(píng)價(jià)為例，采用商業(yè)軟件GMS中的MODFLOW模塊建立數(shù)值模型，探討數(shù)值模擬在地下水資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

研究區(qū)位于市區(qū)南部偏西的位置，區(qū)內(nèi)含水巖組巖性為松散巖類，平面上分布全區(qū)，剖面上為粘性土和砂層組成的多層結(jié)構(gòu)。根據(jù)埋藏條件、水力性質(zhì)及含水層之間的聯(lián)系條件，將其概化為淺層、中深層、深層三個(gè)含水層組及四個(gè)粘性土相對(duì)隔水層。研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型如圖1。

1 地下水流數(shù)學(xué)模型的建立

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，研究區(qū)地下水流可概化為三維非均質(zhì)各向異性的非穩(wěn)定流動(dòng)。當(dāng)滲透系數(shù)主方向與坐標(biāo)軸方向一致時(shí)，建立的數(shù)學(xué)模型為：

式中：Ω為滲流區(qū)域；H為地下水系統(tǒng)的水頭(m)；Kxx、Kyy、Kzz為含水層在滲透主方向上的滲透系數(shù)(m/d)；ε為含水層的源匯項(xiàng)(m/d)；H0為初始流場(chǎng)(m)；μ為比儲(chǔ)水系數(shù)(1/m)；Γ1為第一類邊界；HΓ1為第一類邊界上的水頭值；Γ2為第二類邊界；Kn為第二類邊界法向方向的滲透系數(shù)(m/d)，n為邊界面的外法線方向；q為第二類邊界Γ2上單位面積上的流量(m/d)，流入為正，流出為負(fù)。

2 研究區(qū)地下水流數(shù)值模型

2.1 含水層三維結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)研究區(qū)鉆孔資料和典型剖面圖資料，依據(jù)含水巖組概化分層結(jié)果，建立了含水層三維結(jié)構(gòu)模型(圖2～圖3)。由三維結(jié)構(gòu)模型可知，研究區(qū)含水層特征為西南厚、東北薄。

圖1 水文地質(zhì)概念模型圖

圖2 橫剖面圖

圖3 縱剖面圖

2.2 網(wǎng)格剖分

研究區(qū)范圍為東西向約為14 km，南北向約為17 km，面積為198 km2，網(wǎng)格數(shù)剖分為100×100，平面上每層10 000個(gè)網(wǎng)格。共分為5層，淺部含水層為第一層，中深層含水層為第三層，深層巨厚層含水層為第五層，其他兩層為隔水層。

2.3 初始條件

根據(jù)收集的水位資料選取2011年為模擬初始時(shí)間段，將2011年等水位線圖(圖4)作為模型的初始水位。從圖中可以看出，在淺層含水層，研究區(qū)西北部水位高，地下水總體流向是從西北部到東南部；而對(duì)于深層含水層，由于局部抽水導(dǎo)致了一定范圍的降落漏斗，因此地下水的初始流場(chǎng)總體流向是從南部向北部流動(dòng)。

2.4 邊界條件

由于研究區(qū)不是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，只能人為定義數(shù)值模型范圍及邊界條件，根據(jù)外圍水文地質(zhì)條件，通過(guò)模擬其邊界水位計(jì)流量值，來(lái)確定研究區(qū)對(duì)應(yīng)位置的水頭。

2.5 含水層參數(shù)初步選取

通過(guò)區(qū)域上的鉆孔及其抽水試驗(yàn)資料，獲得研究區(qū)不同層位含水層的巖性特征及各層含水層參數(shù)分區(qū)(表1和圖5)。

圖4 含水層初始水位圖

分區(qū)淺層中深層深層滲透系數(shù)m/d給水度滲透系數(shù)m/d彈性釋水系數(shù)滲透系數(shù)m/d彈性釋水系數(shù)Ⅰ區(qū)40.0250.000130.0001Ⅱ區(qū)50.0360.000260.0002Ⅲ區(qū)50.0660.0002570.0004Ⅳ區(qū)70.0004

圖5 含水層參數(shù)分區(qū)圖

2.6 源匯項(xiàng)

2.6.1 降水入滲系數(shù)

研究區(qū)屬平原地區(qū)，降水入滲補(bǔ)給量是地下水資源的主要組成部分。降雨入滲系數(shù)的求取選取無(wú)開采、地下水徑流遲緩的典型地段、時(shí)段，根據(jù)地下水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料，采用年水位法進(jìn)行計(jì)算，降雨入滲系數(shù)分區(qū)及各區(qū)的參數(shù)值如圖6。

2.6.2 蒸發(fā)排泄

潛水年蒸發(fā)強(qiáng)度主要取決于包氣帶巖性、地下水埋深及相應(yīng)時(shí)間水面蒸發(fā)強(qiáng)度，根據(jù)已有成果資料，研究區(qū)蒸發(fā)系數(shù)分區(qū)如圖7，極限蒸發(fā)深度4 m。

2.6.3 地表水體補(bǔ)給與排泄

區(qū)內(nèi)水系主要為渦河及其支流，地形平緩，坡降1/8 000，河流排泄、側(cè)向徑流等排泄微弱，本文將河流的補(bǔ)給和排泄概化到源匯項(xiàng)，當(dāng)河水位高于地下水水位時(shí)，河流補(bǔ)給地下水，反之，地下水排泄到河流。

圖6 降雨入滲系數(shù)分區(qū)圖

圖7 蒸發(fā)強(qiáng)度分區(qū)圖(m/a)

圖8 淺層模擬水位與觀測(cè)水位對(duì)比圖

2.6.4 人工開采

研究區(qū)供水水源均為地下水，而且淺、中、深三層含水系統(tǒng)均有開采，2011年度開采總量約104.72×104m3。

3 模型的識(shí)別和驗(yàn)證

本文以2011年為初始時(shí)間，選用2011年1月至2014年12月為模型識(shí)別時(shí)間段，根據(jù)該時(shí)段內(nèi)區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行擬合。將模型中的初始水位和已有的觀測(cè)水位等值線數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，兩者擬合度較好，如圖8～圖9。

圖9 深層模擬水位與觀測(cè)水位對(duì)比圖

將區(qū)內(nèi)觀測(cè)孔BZ02孔的2014年的地下水水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模型中該孔處的計(jì)算水位值進(jìn)行擬合，如圖10。

圖10 BZ02孔實(shí)測(cè)水位與模擬水位擬合曲線圖

將模擬等水位線和實(shí)測(cè)等水位線進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.995，兩者擬合度較高，從而確定了模型擬定的參數(shù)值如表2和表3。

表2 數(shù)值模型參數(shù)(Kx、Ky)

4 開采方案設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)模擬

4.1 開采方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)擬建水源地及其周邊水文地質(zhì)條件和人工開采情況，設(shè)計(jì)了五種開采方案，各種開采方案如表4。

表3 數(shù)值模型參數(shù)

表4 開采方案對(duì)比表

4.2 開采方案預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

4.2.1 邊界條件的確定

通過(guò)對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)觀孔的水位動(dòng)態(tài)規(guī)律分析，結(jié)合地下水水位等值線圖，確定邊界水力坡度，再根據(jù)滲透系數(shù)和含水層厚度，計(jì)算邊界流量，結(jié)合滾動(dòng)預(yù)測(cè)方法，對(duì)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4.2.2 降雨入滲量的確定

根據(jù)研究?jī)?nèi)降雨歷史資料，統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)未來(lái)不同頻率(豐平枯水期)降雨量趨勢(shì)，結(jié)合區(qū)內(nèi)降雨入滲系數(shù)值，模擬確定降雨入滲量。

4.2.3 蒸發(fā)排泄量的計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)蒸發(fā)量及蒸發(fā)系數(shù)，結(jié)合地下水水位埋深，按照極限深度4 m，耦合計(jì)算。

4.2.4 河流補(bǔ)給或排泄量的計(jì)算

在modflow模塊中，根據(jù)河水位動(dòng)態(tài)資料和計(jì)算的地下水位值及河床滲透系數(shù)，耦合計(jì)算河流補(bǔ)給地下水或地下水排泄到河流的量。

4.2.5 農(nóng)田灌溉開采及回滲

根據(jù)農(nóng)田灌溉開采特點(diǎn)，將其概化為面源排泄，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，計(jì)算開采強(qiáng)度。

4.3 開采方案預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

研究區(qū)中深層地下水水質(zhì)極差，而且上部隔水層粘性土壓縮性高，大量開采中深層地下水易于誘發(fā)地面沉降災(zāi)害和水質(zhì)竄層污染，故禁止開采該層水。因此，本次只針對(duì)淺層和深層地下水進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

4.3.1 淺層含水層開采方案預(yù)測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)20年的模擬開采(圖11)，淺層含水層地下水水位層周期性變化。開采初期，水位降深約1 m左右，最大降深達(dá)到2.85 m，隨著時(shí)間增加，逐漸穩(wěn)定。研究區(qū)淺層水位受大氣降水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄控制，雨季開采量主要來(lái)自降雨補(bǔ)給，旱季開采量主要是消耗儲(chǔ)存資源量。

4.3.2 深層層含水層開采方案對(duì)比

經(jīng)過(guò)20年的模擬開采(圖12)，降落漏斗降深在40～55 m之間，在研究區(qū)外圍北部降落漏斗影響的情況下，模擬區(qū)出現(xiàn)兩個(gè)漏斗區(qū)即：北部邊界漏斗區(qū)，為模擬區(qū)內(nèi)最大的降落漏斗區(qū)；南部降落漏斗區(qū)，次漏斗區(qū)與南部設(shè)計(jì)的兩排開采井有關(guān)。根據(jù)模擬結(jié)果，在保持水力梯度一致，井距變化的情況下，井距越大，南部漏斗的最大降深越小，而北部漏斗的最大降深越大。對(duì)比五種模擬方案可知，第三種方案，保障程度較高，但降深較大，第四種和第五種方案，雖然降深較低，但是邊界上水力梯度較大，使得側(cè)向補(bǔ)給量較大，保障程度較低。五種方案的預(yù)測(cè)降深差異不大，在保證保障程度情況下，第三種方案比較合適。

圖11 淺層地下水位降深值對(duì)比圖

圖12 深層地下水位降深值對(duì)比圖

深層含水層地下水儲(chǔ)存量動(dòng)用情況對(duì)比分析(表5)，方案三與前兩種方案相比，動(dòng)用的存儲(chǔ)資源量基本相同，后兩種開采方案，雖然動(dòng)用了較少的存儲(chǔ)資源量，但是在以提高側(cè)向補(bǔ)給量的前提下獲得的，比對(duì)分析第三種方案比較保險(xiǎn)。在相同井距開采條件下，邊界補(bǔ)給量越大，儲(chǔ)存量動(dòng)用程度越低，相應(yīng)的地下水水位降深越小(圖13)。

通過(guò)比對(duì)五種方案的降深與存儲(chǔ)量動(dòng)用情況分析可知，方案三是比較理想。

表5 深層含水層儲(chǔ)存量動(dòng)用情況

5 地下水可開采資源量評(píng)價(jià)

5.1 淺層地下水可開采資源量

通過(guò)水均衡法計(jì)算淺層地下水開采資源量，在降水保證率50%情況下，淺層地下水可開采資源量為1.75×104m3/d，按照方案三開采量為1.8×104m3/d狀態(tài)下，模擬預(yù)測(cè)長(zhǎng)期開采地下水動(dòng)態(tài)趨勢(shì)基本平衡。

圖13 含水層釋水量與邊界流入量曲線圖

5.2 深層地下水可開采資源量

通過(guò)水均衡法計(jì)算深層地下水開采資源量，在降深50 m情況下，深層地下水可開采資源量為3.93×104m3/d，模擬顯示，各開采方案下，深層地下水位是呈長(zhǎng)期較快速下降趨勢(shì)的，說(shuō)明深層地下水可開采資源量是以消耗區(qū)域性地下水貯存量為主的。按照方案1-5開采量3.887×104m3/d，開采20年時(shí)，深層地下水位下降41.88～53.36 m，局部已略超過(guò)允許水位降深值。綜合分析認(rèn)為，在合理的開采方案和允許水位降深前提下，在允許水位降深50 m，開采期限為15年內(nèi)，按照方案1-5深層地下水可開采資源量為3.887×104m3/d。

圖14 水源地開采方案布置圖

6 開采方案的確定

6.1 地下水開采方案選取

根據(jù)模擬結(jié)果，以方案三最為適宜，但考慮適當(dāng)減小井距可節(jié)約水源地地下水管網(wǎng)建設(shè)成本，以及開采井開采影響半徑不大于500 m的實(shí)際情況，以方案一為基礎(chǔ)，采用集中區(qū)域線狀平均布井法，布井間距等于或略大于1 000 m，布置位置兼顧已有深層地下水探采結(jié)合孔。

為盡量減少與三水廠水源地相互影響，開采井主要布置于研究區(qū)南部，北部條帶區(qū)域僅以單線布置8眼開采井。

深層地下水開采井井深控制在450 m左右為宜，最深不超過(guò)480 m。

該水源地峰值供水量為5×104m3/d，一般平均供水量為該峰值除以系數(shù)1.3，即3.85×104m3/d，為提供該供水量，需保證有22眼開采井24小時(shí)正常供水，按規(guī)范一般施工開采井?dāng)?shù)量為保證開采井?dāng)?shù)量的110%～120%，即布置施工深井?dāng)?shù)為24～26眼，取其均值為25眼，如圖14。

6.2 地下水開采方案保證程度

按照開采井布置方案，南部水廠水源地共施工深井25眼，設(shè)計(jì)單井開采量1 800 m3/d，考慮需檢修及故障處理等原因，按常態(tài)下可啟用深井22眼計(jì)算總開采量可達(dá)到3.96×104m3/d，可滿足3.85×104m3/d平均日供水需求。

7 水資源及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)

(1)依據(jù)地下水開采動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果，研究區(qū)深層地下水位呈持續(xù)較快速下降狀態(tài)，反映區(qū)域性深層地下水資源補(bǔ)給來(lái)源量不足，為防止深層地下水資源枯歇和產(chǎn)生較嚴(yán)重的地面沉降及水質(zhì)惡化問(wèn)題，應(yīng)充分利用地表水利工程。

(2)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水源地水井布局施工，控制好井距，杜絕井對(duì)井群相互嚴(yán)重干擾現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)個(gè)別已施工距農(nóng)飲深井較近的供水深井，應(yīng)進(jìn)行開采量合理調(diào)配或聯(lián)合供水的方式進(jìn)行解決。

(3)在嚴(yán)格執(zhí)行地下水資源保護(hù)條例規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定實(shí)施本水源地淺層地下水開發(fā)利用保護(hù)方案。采取生態(tài)環(huán)境治理改善，清除及避讓污染源，禁止污染項(xiàng)目建設(shè)，建立開采井區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶等措施，避免或減輕井區(qū)淺層地下水的污染。

(4)開展地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握開采區(qū)及外圍深淺層及中深層地下水降落漏斗的變化發(fā)展情況。

8 結(jié)語(yǔ)

研究區(qū)應(yīng)急備用水源地適宜開采深層含水層，水位允許降深50 m，開采期限15年，初步勘查探明深層地下水允許開采資源量3.887×104m3/d。

[1]亳州幅1:20萬(wàn)水文地質(zhì)普查報(bào)告.安徽省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).1989.

[2]安徽省亳縣中深部農(nóng)灌水文地質(zhì)勘查報(bào)告.安徽省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì).1972.

[3]亳州市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告(1：10萬(wàn)).安徽省地勘局第二水文工程地質(zhì)勘查院.2008.

[4]安徽省阜陽(yáng)市水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報(bào)告.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.1993.

[5]安徽省亳州市區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(1：10萬(wàn)).安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.1996.

[6]亳州市地面沉降調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.2014.

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1004-1184(2016)06-0050-04

2016-05-23

魏永霞(1983-)，女，河南周口人，工程師，主要從事水工環(huán)、地?zé)岬刭|(zhì)研究。