GMS軟件在立崗水源地地下水資源評價中的應用研究

，，

(1.寧夏地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021；2.寧夏水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750021)

地下水資源評價是地下水集中供水水源地勘探的最終目的，其評價的地下水資源儲量是保障地區(qū)供水需求與安全的重要依據(jù)。基于地下水數(shù)值模擬GMS軟件的MODFLOW模塊在地下水資源評價中得到廣泛應用[1]。本文以銀川立崗水源地地下水資源評價為例，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，確定研究區(qū)模型概化條件，建立地下水數(shù)值模型，分析水源地在現(xiàn)狀開采條件下和規(guī)劃開采條件下的補給量與排泄量，從而判斷水源地確定的允許開采資源量是否可以滿足開采要求[2]。

1 立崗水源地水文地質(zhì)概況

立崗水源地地處銀川平原東部[3]，為黃河沖湖積平原二級階地前緣及一級階地后緣結(jié)合部位，沉積了大厚度的第四系沖湖積相松散堆積物，地下水賦存空間良好，地下水類型為松散巖類空隙水[4]。研究區(qū)含水層可劃分為四個含水巖組，第一含水巖組：40～70 m 以上，具有微承壓性，富水性弱，水質(zhì)較差；第二含水巖組：位于40～70 m 以下，150～170 m 以上，屬于承壓水，富水性強，中東部水質(zhì)較好，推斷為黃河古河道；第三含水巖組：位于150～170 m 以下，230～270 m 以上，屬于承壓水，富水性較弱，水質(zhì)較差；第四含水巖組：位于230～270 m 以下，330～350 m 以上，屬于承壓水，水質(zhì)差。因此，把研究區(qū)中東部第二含水巖組的地下水水量、水質(zhì)及其分布規(guī)律作為研究重點，并評價地下水水資源量，確立供水水源地范圍。

2 地下水資源評價

2.1 地下水資源評價的原則

(1)基于區(qū)域水文地質(zhì)條件，按照地下水系統(tǒng)進行評價。

(2)按照地下水動力學原理進行地下水資源評價。

(3)“以豐補歉”的原則，最大程度的利用地下水資源量，要評價水資源的存儲量和調(diào)節(jié)能力。

(4)可持續(xù)發(fā)展的原則，從水資源的可持續(xù)開發(fā)利用、社會經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的角度評價地下水資源量[5]。

2.2 地下水系統(tǒng)數(shù)學模型

根據(jù)前人工作成果和本次勘探工作，可將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[6]，其地下水流連續(xù)性方程及其定解條件用下列方程來描述。

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為地下水系統(tǒng)的水位標高(m)；Kx、Ky為含水介質(zhì)的水平滲透系數(shù)(m/d)；Kz為含水介質(zhì)垂向滲透系數(shù)(m/d)；ε為含水層的源匯項(1/d)；h0為系統(tǒng)的初始水位分布(m)；S為自由面以下含水層儲水率(1/m)；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；p為潛水面的蒸發(fā)和降水入滲強度等(m/d)；Γ1為已知水位邊界；h1為已知邊界水位值(m)；Γ2為滲流區(qū)域的流量邊界；Kn為邊界面法線方向的滲透系數(shù)(m/d)；n為邊界面的法線方向；q為Γ2邊界的單位面積上的流量(m/d)，流入為正，流出為負，隔水邊界為0；Γ3為三類邊界；λ、f為已知水頭函數(shù)。

值得注意的是，上式第三項為潛水面方程，是非線性方程。在數(shù)值計算中通常不直接求解該方程[7]，而是將潛水面變化引起的重力釋水或儲水近似處理為垂向補排量。

圖1 立崗水源地模擬區(qū)范圍

2.3 地下水流數(shù)值模型

本次研究工作中，按水源地抽水所造成的影響范圍外擴一定距離作為立崗擬選水源地的模型范圍(見圖1)，模擬面積34.88 km2，從區(qū)域地下水數(shù)值模型中提取水源地源匯項、水位及降深等，進行水源地評價。并且所評價的地下水可開采資源量不宜超過地下水補給量，根據(jù)研究區(qū)勘探成果，第二含水巖組頂板埋深普遍在31～60 m，為防止因強化開采開引起的不良水文地質(zhì)問題，預測各開采井水位降深值不得超過第二含水巖組最高隔水頂板31. 0 m。

2.3.1 模擬期確定

根據(jù)研究區(qū)收集的資料與第二含水巖組的動態(tài)監(jiān)測資料，如BC03孔位一個水文年(2013年10月至2014年10月)的地下水動態(tài)觀測資料情況(見圖2)，確定模型模擬期為兩個階段：

(1)現(xiàn)狀條件，2013年10月至2014年9月，一個月為一個應力期，共12個應力期；

(2)開采條件預測階段：2014年9月至2034年9月，一個月為一個應力期，共240個應力期。

注：井號：BC03 井深253.5 m；地面高程：1106.039 m 地下水類型：承壓水

2.3.2 定解條件

初始條件：以2013年10月地下水水位資料，采用內(nèi)插法和外推法獲得水源地現(xiàn)狀條件的初始水位，利用動態(tài)長觀資料及地下水等水位線對模型進行識別檢驗，獲得的模擬末期的地下水位作為開采預測階段的初始水位，進行水源地集中開采20 a的預測評價。

邊界條件：立崗水源地位于多層含水層區(qū)，其邊界條件是在區(qū)域模型邊界條件的基礎(chǔ)上，由模型自動計算得出，將計算出來的各邊界流入流出量輸入到模型之中，通過邊界附近流場的擬合，適當調(diào)整個別邊界流入流出量。

2.3.3 模型源匯項處理

研究區(qū)所涉及的源匯項可分為點、線、面三種要素。點狀要素主要包括水源地井群、生產(chǎn)生活自備井的集中開采等；線狀要素包括研究區(qū)的渠系滲漏補給、側(cè)向徑流補給(排泄)、排水溝排泄地下水等；面狀要素由大氣降水入滲、田間灌溉入滲、蒸發(fā)排泄等組成。

其中，大氣降水入滲、田間灌溉入滲、井灌回滲量根據(jù)不同的入滲速率按面狀補給量處理(Recharge模塊)，邊界側(cè)向補給量(排泄量)、渠系滲漏量以及開采量采用Well模塊處理，以點井方式布置在模型中。排水溝采用Drain模塊處理，在黃灌時期排泄多余水量，排水溝程序包假定如果含水層的水頭降至排水溝的固定水頭以下，排水溝就不起作用，即地下水不再向排水溝排泄。模擬區(qū)潛水蒸發(fā)是地下水的主要排泄途徑，本次利用蒸發(fā)包(ET模塊)蒸發(fā)量由模型根據(jù)水位埋深自動計算。

2.4 現(xiàn)狀開采條件下模擬期均衡分析

由區(qū)域數(shù)值模型[8-9]水位過程線和地下水位等值線擬合情況來看，所建立的區(qū)域地下水模擬模型基本達到精度要求，符合研究區(qū)實際的水文地質(zhì)條件，也基本上能較好地反映地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，故可利用此模型進行地下水資源評價和地下水流場演化的趨勢性預測。

根據(jù)區(qū)域數(shù)值模型計算出立崗水源地模擬區(qū)在模擬期內(nèi)(2013年10月-2014年9月)地下水均衡情況(見表1)。由該表均衡分析可知，立崗水源地模擬區(qū)在模擬期內(nèi)地下水系統(tǒng)總補給量為1 350.5×104m3/a，總排泄量為1 318.745×104m3/a，均衡差為31.755×104m3，為正均衡。其中潛水含水層總補給量為1 311.08×10 4 m3/a，總排泄量為1 277.5×104m3/a，均衡差為33.58×104m3/a，為正均衡。承壓含水層總補給量為39.42×104m3/a，總排泄量為41.245×104m3/a，均衡差為-1.825×104m3/a，為負均衡。

其中，潛水含水層補給項中，田間灌溉入滲量和渠系滲漏量是模擬區(qū)潛水的主要補給來源，分別占總補給量的44.46%和48.58%；大氣降水入滲補給量僅占總補給量的5.82%。排泄項中，蒸發(fā)是潛水含水層的主要排泄途徑，占總排泄量的56.29%；其次是排水溝排泄，占排泄量的33.63%。

表1 模擬區(qū)模擬期地下水均衡表

2.5 規(guī)劃開采條件下預測模型

2.5.1 開采預測模型條件

在現(xiàn)狀開采模擬條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)立崗水源地規(guī)劃方案布置開采井，進行滿負荷開采20 a。

開采預測模型所需數(shù)據(jù)和資料：

(1)為了體現(xiàn)降雨年際變化特點，降雨入滲采用1991-2011年的降雨量來計算降雨入滲補給量，將其代入模型中；

(2)開采量在維持現(xiàn)狀開采條件的同時，加入擬建水源地的設(shè)計開采量；

(3)側(cè)向徑流補給(排泄量)，根據(jù)不同月份降雨量作適當調(diào)整，預測模型以注水井的形式導入；

(4)渠系滲漏量按現(xiàn)狀條件下渠系引水量計算，并分配到各個月份，以注水井的形式導入模型；

(5)田間灌溉回滲量以面狀補給的形式導入模型，排水溝排泄地下水量利用Drain模塊導入模型；

(6)蒸發(fā)量利用1991-2011年的蒸發(fā)數(shù)據(jù)，由模型自動計算。

2.5.2 模型預測水位變化分析

規(guī)劃開采條件下，采用模型調(diào)試后的水文地質(zhì)參數(shù)，將各源匯項數(shù)據(jù)代入已建立的地下水流模型中，運行20 a預測模型，得出水源地2034年9月地下水流場與動態(tài)變化趨勢。圖3為2034年9月潛水含水層地下水等水位線圖，從圖中可以看出，研究區(qū)地下水水流方向總體上和初始水位形態(tài)一致，只在開采區(qū)由于下層含水層的開采形成了局部漏斗區(qū)。圖4為2034年9月地下水埋深等值線，可以看出，由于下層承壓含水層的集中開采使得承壓含水層水位下降很快，增大潛水含水層對承壓含水層的越流補給，使得潛水含水層在集中開采區(qū)水位埋深相對較大，最大水位埋深達5 m。

圖3 預測20 a后潛水流場

圖5為預測末期(2034年9月)承壓含水層地下水等水位線圖，可以看出，地下水水流與初始水位相比發(fā)生較大變化。水源地開采井附近受集中開采的影響出現(xiàn)明顯的降落漏斗。圖6為2034年9月承壓含水層地下水水位埋深圖，水源地集中開采20 a后，承壓水水頭下降，開采中心區(qū)最大水位埋深為15.36 m，未超過允許降深31 m，即擬選水源地集中開采20 a后承壓含水層水位降幅不大，滿足擬選水源地的開采要求。

圖4 預測20 a后潛水水位埋深

圖5 預測20 a后承壓水位流場

2.5.3 預測期均衡分析

設(shè)計開采井布置在承壓含水層，不僅造成本層含水層的補給和排泄發(fā)生明顯變化，潛水含水層的補給和排泄也會受到一定程度的影響。通過預測模型運算，最終得出模擬區(qū)設(shè)計開采條件下多年平均地下水補排量，將現(xiàn)狀條件下和設(shè)計開采條件下的均衡進行對比分析，可以得出潛水含水層和承壓含水層地下水各補排量的變化(見表2、表3)。

表2 設(shè)計開采條件下(20 a年均)與現(xiàn)狀條件下潛水含水層水均衡對比 萬m3/a

圖6 預測20 a后承壓水位埋深圖

表3 設(shè)計開采條件下(20 a年均)與現(xiàn)狀條件下承壓水含水層水均衡對比 萬m3/a

由表2、表3可知，立崗水源地在規(guī)劃開采條件下，潛水和承壓含水層的水量都發(fā)生了變化。設(shè)計開采條件下，潛水含水層蒸發(fā)量、排水溝排泄量明顯減少，向承壓含水層越流排泄量明顯增加。作為開采層位，承壓含水層由于地下水集中開采，激發(fā)邊界側(cè)向流入量和越流量，邊界側(cè)向流出量也有所降低，成為規(guī)劃開采量的重要組成部分，并動用少量的儲存量。

水源地開采量3萬 m3/d的來源分析如表4，開采主要來源于越流補給量和邊界側(cè)向流入增加量，分別占開采量組成部分的84.43%和12.43%，其中越流補給量的增多主要來源于潛水含水層蒸發(fā)量和排水溝排泄量的減少，在此基礎(chǔ)上，動用少量儲存量，占開采量組成部分的2.81%。由此可見，水源地規(guī)劃開采量3萬 m3/d是有保證的。

表4 水源地承壓含水層開采量來源分析

3 結(jié)語

立崗水源地的地下水允許開采量評價，在充分考慮開采約束條件：開采狀態(tài)下承壓水水位埋深以不超過該含水巖組頂板為宜即31 m的基礎(chǔ)上，通過GMS軟件進行數(shù)值摸擬驗證，在現(xiàn)狀開采條件下，開采目的層得到的補給量是39.42萬 m3/a，排泄量是41.25萬 m3/a，呈微弱的負均衡；設(shè)計開采條件下，補給量是1 100.05萬 m3/a，排泄量為1 132.69萬 m3/a，并動用少量的儲存量。按照開采方案，通過模擬得到立崗水源地以3萬 m3/d作為允許開采量是可以滿足規(guī)劃開采條件下的開采要求。