榆溪河流域水源地地下水資源評(píng)價(jià)數(shù)值模擬研究

，，

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

榆溪河流域水源地地下水資源評(píng)價(jià)數(shù)值模擬研究

何小亮，劉瀟敏，王逸民

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

依據(jù)榆溪河流域水文地質(zhì)條件構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上基于可視化數(shù)值模擬軟件建立流域三維地下水流數(shù)值模型，模型經(jīng)識(shí)別與校驗(yàn)完成后，分別對(duì)流域地下水補(bǔ)給排泄量、地下水儲(chǔ)量、可開采資源量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，研究表明：(1)流域2006年、2009年和2010年在均衡期內(nèi)地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年在均衡期內(nèi)地下水處于正均衡狀態(tài)。(2)區(qū)內(nèi)第四系含水巖組地下水容積儲(chǔ)存量為157.488×108m3，侏羅系含水巖組地下水彈性儲(chǔ)存量為9.477×108m3。(3)全流域現(xiàn)狀地下水開采率為16.40%，新增開采后總的地下水開采率為29.21%，屬于較低～合理水平。

榆溪河；水源地；數(shù)值模擬；地下水資源

榆溪河位于榆陽區(qū)境內(nèi)，全長98 km，流域面積近4 000 km2，發(fā)源于毛烏素沙漠南緣，由北向南，匯入無定河，是榆陽區(qū)的水資源命脈。榆溪河有十?dāng)?shù)條支流，流域分布有十余座中小型水庫，根據(jù)地形地貌及支流分水嶺等整個(gè)流域被劃分為10個(gè)水源地。

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是能源化工基地建設(shè)以及城市化水平的提高，區(qū)內(nèi)用水量急劇增加。加之流域內(nèi)水資源開發(fā)利用缺乏統(tǒng)籌安排，沒有形成協(xié)調(diào)統(tǒng)一的水資源管理體制，無序采水、引水現(xiàn)象嚴(yán)重，水資源得不到合理利用開發(fā)和有效保護(hù)，導(dǎo)致榆溪河流域水資源供需矛盾日益突出，缺水已成為制約榆陽區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素[1-6]。

本文依據(jù)流域水文地質(zhì)條件構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，在此基礎(chǔ)上基于可視化數(shù)值模擬軟件(Processing Modflow)建立流域三維地下水流數(shù)值模型[7]，模型經(jīng)識(shí)別與校驗(yàn)完成后，分別對(duì)流域地下水補(bǔ)給排泄量、地下水儲(chǔ)量、可開采資源量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，為后續(xù)研究提供參數(shù)和依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)描述

1.1 水文地質(zhì)模型

研究區(qū)范圍覆蓋榆溪河流域陜西境內(nèi)的牛家梁(紅石峽)、小壕兔、金雞灘、馬合、芹河、頭道河則、水掌灣、色草灣、沙河、趙家灣等十個(gè)水源地分布區(qū)，面積約3 600 km2；垂向上包含從地面到開采煤層底板之間的全部地層結(jié)構(gòu)，主要包括第四系含水層(全區(qū)分布)、第三系極弱透水層(不連續(xù)分布)、白堊系含水層(西北局部分布)、侏羅系與煤層弱含水層(全區(qū)分布)。研究區(qū)垂向上剖分為5層，第一層為第四系含水層，第二層為新近系紅土層或白堊系碎屑巖層或侏羅系碎屑巖層，第三層為導(dǎo)水裂隙帶之上侏羅系原巖層，第四層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層，第五層為主采煤層及采空區(qū)。區(qū)內(nèi)含水層為多層結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)各向異性介質(zhì)，存在時(shí)空分配不均的面狀補(bǔ)給源(大氣降水入滲補(bǔ)給、凝結(jié)水入滲補(bǔ)給、農(nóng)灌水回歸補(bǔ)給)和面狀蒸發(fā)排泄，線狀與點(diǎn)狀的地下水溢出(泉集河與海子)，點(diǎn)狀地下水開采(水井)，分層地下水流場(chǎng)與越流關(guān)系等。

1.2 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)水文地質(zhì)概念模型，地下水流數(shù)學(xué)模型可描述為：

式中：H，Hr為地下水位標(biāo)高(m)，泉集河水位標(biāo)高(m)；K，Kr為含水層滲透系數(shù)(m/d)，河床淤積層垂向滲透系數(shù)(m/d)；μ，Ss為潛水含水層給水度，承壓含水層彈性釋水率(1/m)；Q，W為水井開采量(m3/d)，礦井涌水量(m3/d)；δ為δ函數(shù)(分別對(duì)應(yīng)水井、坑道位置坐標(biāo))；h0，h1為初始水位標(biāo)高(m)，定水頭邊界水位標(biāo)高(m)；q0，Qr為定流量邊界流量(m3/d·m2)，泉集河流量(m3/d)；A，Mr為泉集河計(jì)算面積(m2)，河床淤積層厚度(m)；ε為潛水面垂向交換量(入為正、出為負(fù))(m3/d·m2)；x，y，z，t為坐標(biāo)變量(m)，時(shí)間變量(d)；Γ1，Γ2為一類邊界，二類邊界；n，Ω為二類邊界外法線方向，計(jì)算區(qū)范圍。

2 地下水流數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建

模型區(qū)水平方向上，北以公里網(wǎng)4310為界，南至4208，西以342為界，東至412，平面面積7 140 km2，模型區(qū)有效面積3 521.5 km2；垂直方向上，為地面至侏羅系22煤層之間的部分，總厚度100～770 m。

本次計(jì)算根據(jù)三維有限差分方法，對(duì)計(jì)算域采用規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行剖分，根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立研究區(qū)的三維有限差分?jǐn)?shù)值模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。研究區(qū)為大地坐標(biāo)x=342 000～412 000，y=420 8000～4 310 000范圍內(nèi)的矩形區(qū)域。平面上采用500×500 m的網(wǎng)格將計(jì)算區(qū)在平面上沿南北向剖分為204行，沿東西向剖分為140列；垂向上剖分為5層，第一層為第四系含水層，第二層為新近系紅土層或白堊系碎屑巖層，第三層為導(dǎo)水裂隙帶之上侏羅系原巖層，第四層為導(dǎo)水冒裂帶及兩側(cè)原巖層，第五層為主采煤層及采空區(qū)。這樣將整個(gè)模型區(qū)剖分為204行、140列、5層共142 800個(gè)單元，其中有70 430個(gè)為活動(dòng)單元。

區(qū)內(nèi)地形等高線依據(jù)1：10萬地形圖繪制，各層頂?shù)酌娓叱痰戎稻€依據(jù)前人工作資料繪制。

2.2 模型識(shí)別與校驗(yàn)

選用2005年10月—2006年10月區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料和各種源匯資料為依據(jù)進(jìn)行模型的校正。其中選用潛水動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔28個(gè)，各水源地內(nèi)地下水溢出量進(jìn)行了擬合。選用2006年—2013年研究區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料和各種源匯資料為依據(jù)進(jìn)行擬合，其中潛水動(dòng)態(tài)觀測(cè)孔4個(gè)；2013年實(shí)測(cè)潛水位點(diǎn)228個(gè)，實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位擬合見圖1。

圖1 研究區(qū)2013年實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位擬合圖

各觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位擬合誤差絕對(duì)值絕大多數(shù)小于1m，且水位變化趨勢(shì)一致，各觀測(cè)孔的水位擬合效果較好；各河流的實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量擬合誤差絕對(duì)值較小，且流量變化趨勢(shì)一致，各河流的流量擬合較好。計(jì)算區(qū)2013年實(shí)測(cè)水位與計(jì)算水位的相關(guān)系數(shù)R2=0.999，呈高度線性相關(guān)，表明數(shù)值模型擬合效果較好。

3 地下水資源計(jì)算

3.1 地下水補(bǔ)給量及排泄量

利用三維地下水流數(shù)值模型，計(jì)算了2006年～2013年榆溪河流域各水源地地下水補(bǔ)排量(限于篇幅，計(jì)算數(shù)據(jù)不再詳列)，2006年～2013年流域水源地地下水總補(bǔ)給量為(136.220～224.410)×104m3/d，平均值為183.785×104m3/d，地下水總排泄量為(152.739～210.000)×104m3/d，平均值為180.263×104m3/d，總均衡差為(-16.519～19.722)×104m3/d，平均值為3.522×104m3/d。

圖2為各水源地地下水的總補(bǔ)給量和總排泄量曲線圖，可以看出，2006年、2009年和2010年的總補(bǔ)給量小于總排泄量，在均衡期內(nèi)地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年的總補(bǔ)給量大于總排泄量，在均衡期內(nèi)地下水處于正均衡狀態(tài)。

圖2 2006—2013年研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量和總排泄量曲線圖

3.2 地下水儲(chǔ)存量

利用地下水流數(shù)值模擬模型，采用離散化的方法計(jì)算第四系含水巖組地下水容積儲(chǔ)存量、侏羅系含水巖組彈性儲(chǔ)存量，計(jì)算的各水源地地下水儲(chǔ)存量列入表1。結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)第四系含水巖組地下水容積儲(chǔ)存量為157.488×108m3，侏羅系含水巖組地下水彈性儲(chǔ)存量為9.477×108m3，總儲(chǔ)存量為166.935×108m3。

3.3 可開采資源量預(yù)測(cè)

本次預(yù)測(cè)是在研究區(qū)地下水現(xiàn)狀開采26.240×104m3/d的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模型，在水源地增加開采的條件下進(jìn)行地下水可開采資源量預(yù)測(cè)。現(xiàn)狀地下水開采主要為農(nóng)業(yè)分散式開采，研究區(qū)水源地地下水開采井分布見圖3。

表1 榆溪河流域各水源地地下水儲(chǔ)存量計(jì)算成果表 108 m3

圖3 研究區(qū)水源地地下水開采井分布圖

利用建立的三維地下水流數(shù)值模型，將大氣降水入滲補(bǔ)給量、農(nóng)灌水回歸補(bǔ)給量、地下水現(xiàn)狀開采量、水源地新增開采量、煤礦采空區(qū)范圍等加入模型，以地下水流模型識(shí)別得到的擬穩(wěn)定流場(chǎng)作為預(yù)測(cè)的初始流場(chǎng)，設(shè)置10個(gè)潛水位觀測(cè)點(diǎn)，預(yù)測(cè)2030年的地下水末流場(chǎng)、末埋深場(chǎng)、末降深場(chǎng)、潛水位降深曲線以及地下水補(bǔ)排均衡量成果詳見圖4～圖7，限于篇幅，計(jì)算數(shù)據(jù)不再詳列。

圖4 采水地下水末流場(chǎng)圖 圖5 采水地下水末埋深圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，研究區(qū)地下水現(xiàn)狀開采量26.240×104m3/d，水源地新增開采量20.500×104m3/d，水源地地下水總補(bǔ)給量160.013×104m3/d，總排泄量160.354×104m3/d，均衡差-0.341×104m3/d，地下水處于擬均衡狀態(tài)。

榆溪河流域水源地新增開采量由增加的補(bǔ)給量、減少的排泄量和動(dòng)用的儲(chǔ)存量三部分組成。五個(gè)水源地的開采量25.0×104m3/d，主要來自增加的河水入滲量(牛家梁水源地)和減少的潛水蒸發(fā)量，其中河流入滲增補(bǔ)量占29.7%、潛水蒸發(fā)減少量占66.3%，潛水溢出減少量占4.0%，動(dòng)用的儲(chǔ)存量?jī)H占0.1%。

圖6 采水地下水末降深圖 圖7 采水地下水末凈降深圖

榆溪河流域各水源地現(xiàn)狀開采率為7.72%～40.84%，其中開采率最小水源地為頭道河則水源地，開采率最大為牛家梁水源地。牛家梁水源地為傍河取水，隨著地下水開采量的增加，襲奪紅石峽水庫地表水量也會(huì)增加，相應(yīng)地下水補(bǔ)給量也會(huì)增加，而本次計(jì)算是基于現(xiàn)狀地下水總補(bǔ)給量，所以開采率計(jì)算結(jié)果偏大。各水源地在現(xiàn)狀開采量的基礎(chǔ)上，允許新增開采量后，地下水總開采率為7.72%～72.25%，其中開采率最小水源地為頭道河則水源地，開采率最大為牛家梁水源地。同理，牛家梁水源地開采率偏高的原因?yàn)橛?jì)算方法所至，實(shí)際開采率應(yīng)在合理區(qū)間。榆溪河全流域現(xiàn)狀地下水開采率為16.40%，新增開采后總的地下水開采率為29.21%，屬于較低～合理水平。

4 結(jié)語

本文通過建立榆溪河流域水源地三維地下水流數(shù)值模型，對(duì)流域地下資源進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，結(jié)論包括：

(1)流域2006年、2009年和2010年的總補(bǔ)給量小于總排泄量，在均衡期內(nèi)地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)；2007年、2008年、2011年、2012年和2013年的總補(bǔ)給量大于總排泄量，在均衡期內(nèi)地下水處于正均衡狀態(tài)。

(2)區(qū)內(nèi)第四系含水巖組地下水容積儲(chǔ)存量為157.488×108m3，侏羅系含水巖組地下水彈性儲(chǔ)存量為9.477×108m3，總儲(chǔ)存量為166.935×108m3。

(3)研究區(qū)地下水現(xiàn)狀開采量26.240×104m3/d，水源地新增開采量20.500×104m3/d；全流域現(xiàn)狀地下水開采率為16.40%，新增開采后總的地下水開采率為29.21%，屬于較低～合理水平。

[1]榆林市水政水資源辦公室.榆林市21世紀(jì)初期(2000年～2010年)水資源可持續(xù)利用規(guī)劃.2001.

[2]西北農(nóng)林科技大學(xué).榆林市水資源開發(fā)利用綜合規(guī)劃.2006.

[3]陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.榆林市水資源綜合規(guī)劃.2009.

[4]江河水利水電咨詢中心.陜北能源化工基地供水規(guī)劃報(bào)告.2010.

[5]西北農(nóng)林科技大學(xué).榆溪河流域水資源綜合規(guī)劃.2011.

[6]榆林市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.榆林市水資源綜合規(guī)劃.2011.

[7]付延玲,郭正法.Processing Modflow在地下水滲流與地面沉降研究中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù).2006(4):19-23.

StudyonNumericalSimulationofgroundwaterresourcesassessmentofwatersourceinYuxiRiverBasin

HEXiao-liang，LIUXiao-min，WANGYi-min

(China Electric Power Construction Group Northwest Survey Design & Research Institute Co., Ltd., Shaanxi Xi’an,710065)

Based on the hydrogeological conditions of Yuxi River Basin Construction of hydro geological conceptual model, based on the simulation software to establish the three-dimensional basin groundwater flow numerical model based on the numerical model of the visualization, recognition and verification is completed, respectively for the basin groundwater recharge, groundwater storage and excretion of recoverable resources evaluation calculation. The results show that: (1) in 2006, 2009 and 2010, the inland water is in a negative equilibrium state; in 2007, 2008, 2011, 2012 and 2013, during the equilibrium period, the inland water is in a positive equilibrium state. (2) The volume storage of groundwater in the Quaternary aquifer group is 157.488×108m3, and the elastic storage of groundwater in the Jurassic aquifer group is 9.477×108m3. (3) The exploitation rate of groundwater in the whole basin is 16.40%. After the new mining, the total groundwater exploitation rate is 29.21%, which belongs to the low to reasonable level.

Yuxi River；water source；numerical simulation；groundwater resources

P641.12

A

1004-1184(2017)06-0024-03

2017-05-12

何小亮(1985-)，男，陜西延安人，工程師，主要從事地下水資源研究工作。