科卡礦區(qū)地下水資源開采方案優(yōu)化研究

閆鑫宇，吳先勇，權(quán)振龍，林國慶，龐紅璐，李文娟

（1.上海外經(jīng)集團控股有限公司，上海市 200032；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

科卡礦區(qū)地下水資源開采方案優(yōu)化研究

閆鑫宇2，吳先勇1，權(quán)振龍1，林國慶2，龐紅璐2，李文娟2

（1.上海外經(jīng)集團控股有限公司，上海市 200032；2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東 青島 266100）

科卡礦區(qū)屬于典型的少雨高溫干旱貧水地區(qū)。礦山供水改變了當(dāng)?shù)氐叵滤臈l件，使原本緊張的水資源供需矛盾愈加尖銳。在概化科卡礦區(qū)水源地水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用Visual MODFLOW建立準(zhǔn)三維地下水流數(shù)值模型。以抽水量為限制條件，調(diào)控抽水井?dāng)?shù)量和井間距，設(shè)計了12種開采方案。通過分析水源地井場最大水位降深和影響范圍，確定了最優(yōu)開采方案：布設(shè)3眼抽水井，單井抽水量為1 000 m3/d，井間距為500 m。首期采礦計劃第八年枯水系列最大水位降深為3.15 m，邊緣降深為1.86 m。第二運營期內(nèi)水位繼續(xù)下降幅度很小，穩(wěn)定在0.4 m左右。模擬結(jié)果可為高溫干旱地區(qū)礦山的供水開采提供科學(xué)依據(jù)。

地下水?dāng)?shù)值模擬；MODFLOW；高溫干旱地區(qū)

0 引言

地下水是淡水水資源的重要組成部分，在供水方面扮演著重要的角色。由于地下水賦存于地下含水介質(zhì)中，不合理的開采會導(dǎo)致諸多環(huán)境地質(zhì)問題產(chǎn)生，如地下水位下降[1]和地面沉降[2]等。在氣溫較高且降水分布極度不均的高溫干旱地區(qū)，地表水資源十分缺乏，地下水充當(dāng)了主要的供水來源，不合理的開采導(dǎo)致的環(huán)境生態(tài)問題更為嚴(yán)重[3]，所以制定合理的開采方案對高溫干旱地區(qū)水資源保護有著重要的意義。

數(shù)值模擬技術(shù)在解決地下水可持續(xù)利用方面有著廣泛的應(yīng)用[4]，目前較流行的數(shù)值模擬軟件主要有MODFLOW、GMS等。其中以MODFLOW的應(yīng)用最為普遍，它不僅可以解決地下水流場的數(shù)值模擬問題[5]，在開采方案的優(yōu)化方面也有著較為廣泛的應(yīng)用[6]。

在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上建立概念模型，通過Visual MODFLOW建立研究區(qū)準(zhǔn)三維地下水?dāng)?shù)值模型。改變井眼數(shù)量與井間距等因素設(shè)計了12種開采方案，對不同河流來水情況下地下水位降深和影響范圍進行預(yù)測分析，以實現(xiàn)區(qū)域地下水可持續(xù)開發(fā)的目的。

1 研究區(qū)概況

厄立特里亞北部地區(qū)的Koka金礦是一座年產(chǎn)60多萬噸礦產(chǎn)的露天金礦?？裳谐醪皆O(shè)計的年需水量約為99.0×104m3，首期采礦計劃年限為8年。項目運行前三年，平均需水量在31 L/s；在第4～8年，平均需水量在34 L/s。研究區(qū)地表水資源極度缺乏，距離礦區(qū)幾千米處的Zara河流域為礦區(qū)的優(yōu)選地下水源地。研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

礦區(qū)以陡峭的山地為主，覆蓋著稀疏的植被。研究區(qū)的地理位置為東經(jīng) 37°50′14"～37°55′57"、北緯 16°26′03"～16°40′15″，海拔 500～800 m。屬于亞熱帶干濕氣候，多年平均氣溫在17～45℃，年均降雨量為118 mm。Zara河為季節(jié)性河流，雨季有短暫的洪水泛濫期，旱季干涸期超過9個月。

2 地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)含水層主要由松散孔隙含水層和強風(fēng)化砂巖裂隙含水層組成。強風(fēng)化砂巖含水層富水性較弱。透水性強的孔隙含水層主要分布于扎拉河兩岸及溝谷中，寬度200～500 m，垂直厚度15～40 m。據(jù)鉆孔資料，單位涌水量一般為12～15 L/s，最大20 L/s。研究區(qū)含水層主要接受河流入滲補給和地下水側(cè)向徑流補給，通過地下側(cè)向徑流和滲入下伏砂巖裂隙排泄。下伏巖石由綠片巖相變火山巖及變沉積巖和后構(gòu)造花崗巖類組成。

2.2 水文地質(zhì)概念模型

Zara河床和山谷蜿蜒的空間形態(tài)可以概化為一個矩形區(qū)域。潛水含水層概化為兩層，上層由沖積含水層和兩側(cè)的砂巖含水層組成。沖積含水層和砂巖含水層在空間上是均質(zhì)的。在上游，下層的地層由孔隙很少的結(jié)晶巖石組成，在中下游為砂巖含水層。上游與下游取水段的距離較大，將上游界定為定水頭邊界，下游邊界附近是Zara河和安瑟巴河匯合處的濕地區(qū)域，地下水位變化不大，故下游為定水位邊界。河道的邊緣區(qū)以及底部概化為隔水邊界。

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立

研究區(qū)地下水流的數(shù)學(xué)模型：

式中：H為區(qū)內(nèi)任一點水頭標(biāo)高，m；μ為給水度；B為含水層底板標(biāo)高，m；D為計算區(qū)域；Γ1為第一類邊界；H0為初始水位，m；α為降雨入滲補給系數(shù)，無量綱；（x,y,t）為給定水頭，m；P 為降雨量，m；Rr為河渠滲漏量，m；Q1為位于坐標(biāo)（x1,y1）的i號井的抽水量為 Dirac Delta 函數(shù)。

2.4 數(shù)值模型的建立

模擬區(qū)長度為22.3 km，寬度為2 km，垂向厚度為15～40 m。在垂向上模擬區(qū)剖分為兩層。模擬區(qū)共剖分為35 680個50 m×50 m的網(wǎng)格。將上游第二層的結(jié)晶巖石設(shè)置為非活動單元。參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 含水層參數(shù)

2.5 模型識別與驗證

利用RHDW01和RHDW06的潛水水位觀測數(shù)據(jù)與此處模型計算水位擬合（監(jiān)測井位置見如圖2所示），得監(jiān)測水位與模型水位的擬合曲線（見圖3）。實際觀測值與模擬計算值擬合誤差小于0.5m，而且小于擬合計算期內(nèi)水位變化值的20%，表明該模型參數(shù)選擇與設(shè)置基本合適。

圖2 監(jiān)測井與抽水井位置示意圖（單位：cm）

圖3 監(jiān)測井RHDW01和RHDW06水位監(jiān)測值與模擬值擬合曲線

3 開采方案優(yōu)化

3.1 礦區(qū)需水量計算

Koka金礦預(yù)計共運營16年（一期8年、二期8年），在運營期礦區(qū)耗水主要發(fā)生在生產(chǎn)與生活兩個環(huán)節(jié)。一期前三年為培育期，需水量設(shè)計值為2 678 m3/d，一期后五年為穩(wěn)定生產(chǎn)期，需水量設(shè)計值為2 937 m3/d。二期需水量設(shè)計值為2 937 m3/d。

3.2 開采方案的設(shè)計

Zara河下游含水層水源相對充足是最理想的水源地。按照保守性原則，整個運營期內(nèi)模擬抽水總量均取3 000 m3/d。在下游布設(shè)抽水井2、3、4眼，井間距 300 m、500 m、700 m、900 m，綜合抽水井布設(shè)數(shù)量和井間距的變化，共設(shè)計了12種開采方案。布設(shè)細節(jié)見表2。

表2 抽水井布設(shè)參數(shù)

3.3 開采方案的優(yōu)化

在平水條件下，利用上述已建好的數(shù)值模型首先開展一期模擬。結(jié)果顯示當(dāng)抽水總量為3 000 m3/d時，隨著井間距的增大以及井眼數(shù)量的增加，影響范圍（地下水降深0 m等值線）基本相同，其面積均為14 km2左右。但是井間距越大井眼數(shù)量越多時，井場的降深等值線越稀疏（見圖4），降落漏斗越平緩。

在2眼井、300 m井間距情景下，井場最大降深和平均降深均達到了最大，分別為3.51 m和2.86 m。隨著井間距的增大及井眼數(shù)量的增加，井場最大降深與平均降深呈減小趨勢（見圖5）。在4眼井、900 m井間距情景下，井場最大降深和平均降深最小，分別為2.25 m和1.75 m。飽和含水層厚度約為20 m，所有方案的最大降深均在可接受范圍內(nèi)，所以單從最大降深和平均降深還無法確定最優(yōu)開采方案，需要進一步考慮其他限制因素。

現(xiàn)場抽水試驗生產(chǎn)井的涌水量約為1 200 m3/d，要實現(xiàn)3 000 m3/d的抽水目標(biāo)，2眼抽水井顯然是不合適的，所以排除布設(shè)2眼抽水井的方案。邊緣區(qū)地下水降深也是重要的參考因素。3眼井、500 m井間距的情景和4眼井、900 m井間距的情景對邊緣區(qū)影響都較?。ㄒ妶D5）。前者地下水位降深為1.45 m，后者降深為1.28 m，均在可接受范圍內(nèi)。但布設(shè)4眼抽水井會增加建設(shè)運營的成本，而且單井抽水量效率（750 m3/d）不高，所以最終選擇 3眼抽水井，井間距500 m，單井抽水量1 000 m3/d為最優(yōu)開采方案。

4 場景分析

4.1 場景設(shè)計

扎拉河的徑流數(shù)據(jù)記錄太短，不足以推測長期豐平枯狀況。故采用比擬方法[7]，利用安瑟巴河流域13年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別選擇連續(xù)8年累計徑流量最小、中等、最大年系列來代表扎拉河枯水、平水、豐水徑流系列。

圖4 平水系列抽水8年井場降深等值線圖（單位：cm）

4.2 第一運營期水位降深預(yù)報

圖6 為抽水8年后井場降深等值線圖。隨著河道滲漏補給減弱，降落漏斗增大?？菟盗薪德渎┒访娣e和地下水位降深均達到最大，最大水位降深為3.15 m，邊緣降深為1.86 m，降落漏斗面積為15.074 km2。但其降深仍符合最大允許降深的限制條件，所以對于豐水、平水和枯水系列，3眼抽水井、井間距500 m的開采方案均是適用的。

4.3 第二運營期水位降深預(yù)報

項目運營分為兩期，二期模擬抽水量任取3 000 m3/d。分別以一期8年豐水、平水和枯水系列模擬結(jié)果作為初始條件，對上述最優(yōu)開采方案進行為期8年的模擬。模擬結(jié)果顯示，雖然二期井場地下水位在一期模擬結(jié)果基礎(chǔ)上有所下降，但降幅很?。ㄒ妶D7）。豐、平、枯水系列井場水位降深均在0.40 m左右，相比20 m的飽和含水層，降幅基本可以忽略不計。在第二運營期內(nèi)地下水流場已經(jīng)穩(wěn)定，礦山供水不會導(dǎo)致含水層水量枯竭和環(huán)境生態(tài)問題。

圖5 井場降深與井間距的關(guān)系圖

圖6 第一運營期抽水8年后井場降深等值線圖（單位：cm）

圖7 第二運營期抽水8年后井場降深等值線圖（單位：cm）A—豐水系列；B—平水系列；C—枯水系列

5 結(jié)語

以礦山抽水量為限制條件，利用Visual MODFLOW建立了準(zhǔn)三維地下水流數(shù)值模型，調(diào)控抽水井的數(shù)量和井間距，設(shè)計了12種不同的開采方案，通過分析水源地井場的最大水位降深和影響范圍，主要獲得以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果顯示，在整個運營期內(nèi)，抽水總量為3 000 m3/d時，礦山供水是可持續(xù)的，不會引起地下水資源的枯竭。

（2）最佳的開采方案為：布設(shè)3眼抽水井，單井抽水量1 000 m3/d，井間距為500 m。此方案適用于不同的水文系列。

（3）兩個運營期產(chǎn)生的降落漏斗最大降深基本穩(wěn)定在3.55 m，在可接受的范圍之內(nèi)。其中，第二運營期井場降深僅為0.40 m，其降幅基本可以忽略不計，地下水流場趨于穩(wěn)定，礦山供水不會導(dǎo)致含水層水量枯竭和環(huán)境生態(tài)問題。

[1]王麗亞，等.北京平原地下水可持續(xù)開采方案分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010,37(1):9-17.

[2]張子文，等.地下水開采與地面沉降關(guān)系的短基線集分析[J].測繪科學(xué)，2016,41(6):64-69.

[3]MOHARRAM S H,et al.Optimal groundwater management using genetic algorithm in El-Farafra Oasis,western desert,Egypt[J].Water Resources Management，2012,26(4):927-948.

[4]KARATZAS G P.Developments on modeling of groundwater flow and contaminant transport[J].Water Resources Management，2017,31(10):3235–3244.

[5]梁軍平，杜鵬飛,李云楨.基于Visual MODFLOW的地下水流場變化預(yù)測研究[J].環(huán)境工程，2014,32(1):267-270.

[6]郭學(xué)茹，等.傍河水源地地下水可持續(xù)開采量確定與開采方案分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013,49(2):250-255.

[7]FIDDES D,WATKINS L H.Highway and urban hydrology in the tropics[M].United Kingdom:Pentech Press Ltd,1984.

TV213.4

B

1009-7716（2017）12-0181-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.050

2017-08-29

閆鑫宇（1991-），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為水資源利用與水污染控制。