河南濮陽(yáng)市傍河水源地地下水資源評(píng)價(jià)

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(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

河南省濮陽(yáng)市位于河南省東北部，下轄1區(qū)5縣，是國(guó)家重要的石油化工基地、石油機(jī)械裝備制造基地、國(guó)家重要的商品糧生產(chǎn)基地。截止2012年，濮陽(yáng)市完成探明并開(kāi)發(fā)了6個(gè)地下水水源地，供水規(guī)模達(dá)到23×104m3/d，僅臺(tái)前縣未實(shí)現(xiàn)城市自來(lái)水供水。臺(tái)前縣原生地質(zhì)環(huán)境，帶來(lái)了水質(zhì)型缺水，造成了該地水資源短缺的問(wèn)題[1]，仍然是制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)脫貧的重要因素。前人對(duì)濮陽(yáng)市黃河沿岸地帶遠(yuǎn)景水源地進(jìn)行過(guò)預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)工作[2]，其中范縣-臺(tái)前應(yīng)急地下水水源地，提出可供水10×104m3/d的規(guī)模[3]。因此，針對(duì)濮陽(yáng)市臺(tái)前一帶，開(kāi)展傍河水源地地下水資源評(píng)價(jià)研究工作，可為當(dāng)?shù)仫嬎踩Ｕ咸峁┛茖W(xué)依據(jù)，可提供城市供水水源地，更好地為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于濮陽(yáng)市臺(tái)前縣馬樓黃河灘地，分為現(xiàn)代黃河高漫灘和低漫灘。農(nóng)業(yè)灌溉以引黃渠灌為主，輔以少量井灌。地勢(shì)自西南向東北方向微傾，海拔高度在42～48 m，坡降約1/1 000～1/3 000。

研究區(qū)淺層含水砂層有6～8層，厚度一般40～60 m，底板埋深70～90 m，主要由粉砂、細(xì)砂、中細(xì)砂組成，富水性較好，絕大部分地區(qū)為強(qiáng)富水區(qū)。地下水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-，礦化度小于1 g/L。地下水補(bǔ)給來(lái)源有黃河側(cè)滲、灌渠滲漏、大氣降水及灌溉回滲等4種方式；排泄有蒸發(fā)、人工開(kāi)采及徑流等3種方式。地下水徑流由南向北、由西南向東北，埋深1～4 m。因淺層含水層是水源地開(kāi)采目的層，故本文僅對(duì)淺層水進(jìn)行研究。

2 地下水資源量計(jì)算

依據(jù)黃河傍河水資源評(píng)價(jià)的特點(diǎn)[4]，以2011年10月地下水等水位線圖以及垂直黃河的地下水觀測(cè)剖面可以看出，現(xiàn)狀條件下，黃河以側(cè)滲形式補(bǔ)給地下水。依據(jù)水力坡度及黃河河床分布，將黃河補(bǔ)給斷面劃分為2段。

根據(jù)水均衡原理[5]，結(jié)合本區(qū)地下水的補(bǔ)徑排條件，建立均衡方程如下：

其中：Q補(bǔ)=Q降+Q河滲+Q回滲+Q渠漏，Q排=Q開(kāi)采+Q蒸發(fā)+Q徑排，式中：Q補(bǔ)表示地下水總補(bǔ)給量(m3/d)，Q排表示地下水總排泄量(m3/d)，μ表示水位變動(dòng)帶給水度，F(xiàn)表示均衡區(qū)面積(km2)，Δt表示均衡時(shí)間段長(zhǎng)(d)，ΔH表示與Δt對(duì)應(yīng)的水位變幅(m)，Q降表示降1水入滲補(bǔ)給量(m3/d)，Q河滲表示黃河側(cè)滲補(bǔ)給量(m3/d)，Q回滲表示灌溉回滲補(bǔ)給量(m3/d)，Q渠漏表示引黃灌渠滲漏補(bǔ)給量(m3/d)，Q開(kāi)采表示工農(nóng)業(yè)及生活用水開(kāi)采量(m3/d)，Q蒸發(fā)表示蒸發(fā)排泄量(m3/d)，Q徑排表示側(cè)向徑流排泄量(m3/d)。

2.1 補(bǔ)給量計(jì)算

研究區(qū)地下水補(bǔ)給量為降水補(bǔ)給量、黃河側(cè)滲補(bǔ)給量、灌溉回滲補(bǔ)給量與渠滲漏補(bǔ)給量之和。

2.1.1 降水補(bǔ)給量

降水補(bǔ)給量利用下式：

Q降=P效·α·F

式中，P效表示年有效降水量(m)，α表示降水入滲系數(shù)，F(xiàn)表示均衡區(qū)面積(m2)。

經(jīng)計(jì)算，本區(qū)降水入滲補(bǔ)給量(Q降)為2.343×104m3/d。

2.1.2 黃河側(cè)滲補(bǔ)給量

黃河側(cè)滲補(bǔ)給量利用達(dá)西公式：

Q河補(bǔ)=K·M·I·L

式中：K表示計(jì)算斷面的平均滲透系數(shù)(m/d)，M表示計(jì)算斷面的平均含水層厚度(m)，I 表示計(jì)算斷面的平均水力坡度，L表示計(jì)算斷面長(zhǎng)度(m)。

經(jīng)計(jì)算，本區(qū)黃河側(cè)滲補(bǔ)給量(Q河補(bǔ))為1.665×104m3/d。

2.1.3 灌溉回滲補(bǔ)給量

灌溉回滲補(bǔ)給量利用下式：

Q回滲=β·F·A

式中：β表示回滲系數(shù)，F(xiàn)表示灌溉面積(畝)，A表示灌溉定額(m3/畝)。

經(jīng)計(jì)算，本區(qū)灌溉回滲補(bǔ)給量(Q回滲)為0.979×104m3/d。

2.1.4 灌溉回滲補(bǔ)給量

灌渠滲漏補(bǔ)給量利用下式：

Q渠漏=q·L·t·86 400/365

式中：Q渠漏表示灌渠滲漏補(bǔ)給量(m3/d)，q表示灌渠滲漏強(qiáng)度(m3/s·km)，L 表示灌渠長(zhǎng)度(km)，t表示灌渠行水時(shí)間(d)。

經(jīng)計(jì)算，本區(qū)灌渠滲漏補(bǔ)給量(Q渠漏)為1.135×104m3/d。

2.2 補(bǔ)給量計(jì)算

研究區(qū)地下水排泄量為人工開(kāi)采量、蒸發(fā)排泄量與側(cè)向徑流排泄量之和。

2.2.1 人工開(kāi)采量

人工開(kāi)采量(Q開(kāi)采)含農(nóng)業(yè)井灌開(kāi)采量(Q農(nóng))、人畜飲用量(Q飲)。本區(qū)因位于黃河漫灘區(qū)，限制各類(lèi)廠礦企業(yè)的建立，故區(qū)內(nèi)工業(yè)開(kāi)采量基本為零。

農(nóng)業(yè)開(kāi)采量按統(tǒng)計(jì)的井灌面積乘以灌溉定額，計(jì)算的農(nóng)業(yè)開(kāi)采量為1.762×104m3/d。人畜用水量根據(jù)調(diào)查資料，按人均每天用水量0.05 m3/d計(jì)算人畜用水量，計(jì)算的人畜飲用量為0.275×104m3/d。

本區(qū)人工開(kāi)采地下水量(Q開(kāi)采)為2.037×104m3/d。

2.2.2 蒸發(fā)排泄量

地下水蒸發(fā)排泄量利用Q蒸=ε·F來(lái)計(jì)算，本區(qū)蒸發(fā)排泄量(Q蒸)為3.036×104m3/d。

2.2.3 側(cè)向徑流排泄量

利用達(dá)西公式計(jì)算地下水徑流量，本區(qū)側(cè)向徑流排泄量(Q徑排)為1.053×104m3/d。

2.3 現(xiàn)狀條件下均衡分析

現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給量為6.122×104m3/d，排泄量為6.126×104m3/d，排泄量略大于補(bǔ)給量，均衡差為0.004×104m3/d，相應(yīng)計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水年下降0.004 m。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，馬樓鄉(xiāng)大寺張地下水位2005-2012年平均每年下降0.003 m，實(shí)際水位下降與計(jì)算水位下降相差0.001 mm。

總體來(lái)看，區(qū)內(nèi)地下水處在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位基本接近，表明計(jì)算所選參數(shù)比較合理，計(jì)算的補(bǔ)給量和排泄量比較可靠。

2.4 含水層的容積儲(chǔ)存量

以含水層組厚度的二分之一(30 m)為最大疏干深度，研究區(qū)地下水埋深取平均值2.5 m，淺層含水層的容積儲(chǔ)存量按下式計(jì)算：

Q儲(chǔ)=μ·F·H

式中：μ表示含水層平均給水度(取經(jīng)驗(yàn)值0.1)，F(xiàn)表示含水層分布面積(m2)，H表示含水層平均厚度(m)。

研究區(qū)內(nèi)含水層的地下水容積儲(chǔ)存量為1.787 5×108m3，是現(xiàn)狀年平均資源量的8倍，具有較大的調(diào)蓄能力，合理地動(dòng)用部分儲(chǔ)存量是可行的。即在枯水時(shí)期動(dòng)用的儲(chǔ)存量只要在豐水期得以償還，不會(huì)造成地下水位的持續(xù)下降或水資源的枯竭。

3 地下水允許開(kāi)采量評(píng)價(jià)

地下水可開(kāi)采資源量是指在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，可以持續(xù)開(kāi)采利用的地下水量，并在開(kāi)采過(guò)程中不發(fā)生嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題的地下水量。本文采用數(shù)值法對(duì)水源地?cái)M新增1.6×104m3/d條件下的地下水允許量進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。

3.1 數(shù)值法介紹

數(shù)值法是將系統(tǒng)連續(xù)的函數(shù)在時(shí)間、空間上離散化，求該函數(shù)在有限的離散點(diǎn)的近似值，目前常用的方法可分為有限單元法和有限差分法。數(shù)值方法能夠更好地反映復(fù)雜條件下的地下水流動(dòng)狀況，模擬程度高，成為當(dāng)前地下水資源評(píng)價(jià)中的重要方法。目前，數(shù)值模擬軟件數(shù)量眾多，且功能強(qiáng)大而廣泛使用，主要有MODFLOW、Visual MODFLOW、FEFLOW和GMS等。

本次研究利用Visual MODFLOW軟件進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬。該系統(tǒng)是由加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc.在MODFLOW軟件基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的高度集成的軟件包。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是無(wú)縫連接數(shù)值模擬過(guò)程中的各個(gè)步驟，從開(kāi)始建模、輸入和修改各種類(lèi)型的水文地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)、運(yùn)行模型，反轉(zhuǎn)校正參數(shù)直到輸出的輸出，使整個(gè)過(guò)程從始至終系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)化[6]。

3.2 模型離散

3.2.1 空間離散

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)流場(chǎng)特征、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、水力特征和邊界條件，采用等間距有限差分的離散方法，進(jìn)行自動(dòng)矩形網(wǎng)格剖分。將全區(qū)剖分為60行、60列，采用500 m×500 m的剖分格式，垂向剖分1層，剖分時(shí)對(duì)觀測(cè)井及抽水井附近適當(dāng)加密，采用250 m×250 m的剖分格式，有效計(jì)算區(qū)面積65 km2。

3.2.2 時(shí)間離散

考慮研究區(qū)范圍和精度的要求，模擬期為2011年10月至2012年3月，總共歷時(shí)180 d。根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及降水特征將模擬期以一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期，步長(zhǎng)3 d，每個(gè)應(yīng)力期10個(gè)步長(zhǎng)。

3.2.3 模型的輸入

利用2011年10月1日的淺層統(tǒng)調(diào)點(diǎn)觀測(cè)水位進(jìn)行插值計(jì)算生成初始流場(chǎng)，以ASCⅡ文件賦給模型。含水層頂、底標(biāo)高，由mapgis利用計(jì)算區(qū)內(nèi)20個(gè)鉆孔資料插值計(jì)算，生成含水層頂、底等值線圖，再轉(zhuǎn)換成shp格式文件輸入Visual ModFlow。源匯項(xiàng)采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual ModFlow4.3中相應(yīng)模塊General Head、Recharge、Evapotranspiration及Wells輸入。

3.3 模型校正與識(shí)別

通過(guò)擬合2012年3月1日地下水統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)及長(zhǎng)觀孔的歷時(shí)曲線，識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界和其它均衡項(xiàng)，模型識(shí)別取得了較好效果，擬合結(jié)果顯示較理想(見(jiàn)圖1)。所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型比較正確的，可以滿足允許資源量計(jì)算和水位預(yù)測(cè)工作的需要。

3.4 地下水允許開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)

3.4.1 水位預(yù)測(cè)

利用已識(shí)別的地下水流模型，參照確定的雙排布井開(kāi)采方案，對(duì)研究區(qū)連續(xù)開(kāi)采20年后的地下水降深值進(jìn)行了模擬計(jì)算，其初始流場(chǎng)為2011年10月1日統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)。

通過(guò)模擬計(jì)算，開(kāi)采情況下水源地水位持續(xù)下降，且下降速率很快，至3.6 a后趨于穩(wěn)定。地下水位整體下降幅度很小，在集中開(kāi)采地段形成小的降落漏斗，最大水位降深2.8 m，位于TC2開(kāi)采井附近。

圖1 長(zhǎng)觀點(diǎn)歷時(shí)曲線擬合圖

3.4.2 地下水均衡分析

在開(kāi)采條件下，研究區(qū)地下水補(bǔ)給量為5.878×104m3/d，排泄量為5.876×104m3/d，補(bǔ)給量與排泄量基本平衡。地下水補(bǔ)給量中，黃河側(cè)滲和降水在補(bǔ)給量中占大多數(shù)。排泄量中，邊界流出在排泄量中最多，其次是水源地開(kāi)采、人工開(kāi)采和蒸發(fā)排泄。水源地開(kāi)采組成部分，主要為減少的蒸發(fā)量以及激發(fā)的黃河側(cè)滲補(bǔ)給量。

3.4.3 允許開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)

研究區(qū)允許開(kāi)采資源量的預(yù)報(bào)，應(yīng)在現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件下，以不影響已有工、農(nóng)業(yè)用水等為原則。通過(guò)模擬計(jì)算得出水源地開(kāi)采20 a后，水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，水位降深在約定范圍之內(nèi)，地下水允許開(kāi)采資源量完全可以滿足1.6×104m3/d的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

為了對(duì)濮陽(yáng)市傍河水源地地下水資源狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先采用水均衡法，分析地下水動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位基本接近，所選參數(shù)比較合理。采用數(shù)值法計(jì)算和評(píng)價(jià)新增水源地允許開(kāi)采量，計(jì)算結(jié)果顯示，水源地地下水補(bǔ)給量為5.878×104m3/d，排泄量為5.876×104m3/d，補(bǔ)給量與排泄量基本平衡，水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，水位降深在約定范圍之內(nèi)，說(shuō)明水源地設(shè)計(jì)新增1.6×104m3/d是可靠地。