福建漳州顏厝應(yīng)急地下水源地三維數(shù)值模型

鄭 杰

(福建省廈門(mén)地質(zhì)工程勘察院，廈門(mén)，210098)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，供水問(wèn)題已經(jīng)成為影響城市發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題[1-3]。漳州市是閩南地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的城市，城市應(yīng)急地下水源地的圈定及其資源量的評(píng)價(jià)已經(jīng)成為了城市建設(shè)的重要內(nèi)容。顏厝應(yīng)急地下水源地位于漳州龍海市顏厝鎮(zhèn)巧山村，面積約12 km2。圈定應(yīng)急地下水源地，采用國(guó)際通用的地下水運(yùn)移數(shù)值模擬軟件Visual MODFLOW，建立應(yīng)急地下水源地地下水系統(tǒng)三維數(shù)值模型，評(píng)價(jià)了該應(yīng)急地下水源地在應(yīng)急開(kāi)采方案下的應(yīng)急供水能力，為今后該應(yīng)急地下水源地的建設(shè)提供了科學(xué)合理的建議。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)范圍內(nèi)地下水為第四系松散巖類(lèi)孔隙水，以承壓水為主，主要含水巖組為第四系沖洪積砂礫石層，據(jù)水文地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，水源地含水巖組滲透系數(shù)一般為0.33～29.70 m/d。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，同時(shí)也接受基巖裂隙水和風(fēng)化帶空隙裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給，地下水總體徑流方向由南向北，最終向九龍江西溪排泄。

2 水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型

根據(jù)鉆孔資料，將研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為3層，第1層為黏性土弱含水層，第2層為砂礫石層是區(qū)內(nèi)主要含水層，第3層為殘積黏性土弱含水層。其中砂礫石層為計(jì)算目的層。模型頂部接受大氣降雨入滲補(bǔ)給，為補(bǔ)給邊界，同時(shí)地下水通過(guò)其蒸發(fā)排泄，為排泄邊界；底部視為隔水邊界；模型四周接受基巖山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給，為流量邊界，此次計(jì)算概化為通用水頭邊界。各個(gè)含水層概化為均質(zhì)各向異性，地下水運(yùn)動(dòng)為三維非穩(wěn)定流。

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，建立了以下與其相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[4-9]：

H(x,y,z,t)∣=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z)∈Ω

H(x,y,z)=z(x,y,z)∈Γ3

(x,y,z)∈Γ3

式中：Ss為貯水率(L/m)；kxx，kyy，kzz為含水層各向異性主方向的滲透系數(shù)(m/d)；H為點(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的水頭值(m)；W為源匯項(xiàng)(L/d)；t為時(shí)間(d)；Ω為計(jì)算區(qū)；H0(x,y,z,t0)為點(diǎn)(x,y,z)處的初始水位(m)；q(x,y,z,t)為第二類(lèi)邊界上單位面積補(bǔ)給量(m/d)；cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z) 為流量邊界外法線方向與坐標(biāo)軸方向夾角的余弦；μ為飽和差或給水度，表示在自由面改變單位高度，含水層單位截面積吸收或排除的水量；qw為自由面單位面積上綜合入滲補(bǔ)給量(m/d)； Γ2、 Γ3為第二類(lèi)邊界和自由面邊界。

3 模型的識(shí)別驗(yàn)證

在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Visual Modflow建立顏厝應(yīng)急地下水源地的地下水系統(tǒng)三維數(shù)值模型。計(jì)算將研究區(qū)在平面上剖分成100×200的矩形網(wǎng)格單元，網(wǎng)格單元尺寸為45 m×50 m，垂向上根據(jù)鉆孔資料，從上往下分為3層，每層的有效計(jì)算單元為8 735個(gè)，共計(jì)26 205個(gè)，其垂向和平面剖分網(wǎng)格(圖1～3)。

圖1 研究區(qū)橫向剖面第91行剖分圖Fig.1 Partition qraph of transverse section in the study area(row 91)

圖2 研究區(qū)縱向剖面第41列剖分圖Fig.2 Partition graph of longitudinal section in the study area (column 41)

以抽水試驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間結(jié)合不同時(shí)段抽水流量的變化進(jìn)行劃分制度期，根據(jù)研究區(qū)抽水試驗(yàn)資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，通過(guò)反演計(jì)算求得出各層的水文地質(zhì)參數(shù)。通過(guò)研究區(qū)初始水位由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助surfer軟件以線性插值的方式求出研究區(qū)初始流場(chǎng)(圖4)。經(jīng)識(shí)別、驗(yàn)證的含水層各參數(shù)分區(qū)的參數(shù)值(表1)，研究區(qū)內(nèi)部分抽水試驗(yàn)孔的水位擬合情況(圖5,6)。

圖3 研究區(qū)平面剖分圖 Fig.3 Planar subdivision graph in the study area

圖4 研究區(qū)初始流場(chǎng)圖 Fig.4 the initial head of the study area

圖5 SWK6地下水位擬合圖 Fig.5 Fitting figure of groundwater level(swk6)

圖6 SWK12地下水位擬合圖 Fig.6 Fitting figure of groundwater level(swk12)

表1 模型各參數(shù)分區(qū)參數(shù)值

4 模型可靠性分析

驗(yàn)證模型是否可以預(yù)測(cè)研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，主要是由2個(gè)方面的因素決定的。①要確保研究區(qū)地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及功能特征在模型識(shí)別的時(shí)候都真實(shí)的反應(yīng)了進(jìn)去，就是說(shuō)模型識(shí)別是符合這些特征的。②所建立的模型是收斂的、穩(wěn)定的[10,11]。在詳細(xì)分析研究了應(yīng)急水源地的地下水系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)特征和充分了解研究區(qū)地下水系統(tǒng)的宏觀變化規(guī)律的前提下，進(jìn)行了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬。在模型識(shí)別的過(guò)程中，涉及到的物理量都是通過(guò)實(shí)際調(diào)查所獲得的資料確定的從模型識(shí)別得到的結(jié)果可以看出，研究區(qū)所建立的模型地下水系統(tǒng)各層的分區(qū)參數(shù)的取值數(shù)量級(jí)大小都符合要求。在模型邊界上水量交換的強(qiáng)弱程度與研究區(qū)實(shí)際地下水系統(tǒng)基本一致，能夠反映出研究區(qū)實(shí)際地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能特征。除此之外，識(shí)別所得到的各個(gè)觀測(cè)井的水位計(jì)算值均與其水位實(shí)測(cè)值較好的擬合。模擬計(jì)算得出各個(gè)含水層地下水流場(chǎng)變化與研究區(qū)地下水流場(chǎng)的宏觀變化規(guī)律相同。研究區(qū)所建立的模型識(shí)別計(jì)算階段所得到的水均衡(圖7)。建立的模型各個(gè)含水層的地下水流入量基本上與流出量達(dá)到了平衡，這說(shuō)明了所建立的模型具有較好的收斂性及穩(wěn)定性，通過(guò)模型計(jì)算所得出的結(jié)果是正確、可信的，因此，建立的模型可以用來(lái)模擬預(yù)測(cè)研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化情況。

5 應(yīng)急地下水源地地下水資源量評(píng)價(jià)

根據(jù)顏厝應(yīng)急地下水源地的實(shí)際情況，模擬計(jì)算在應(yīng)急水源地內(nèi)布置了30口開(kāi)采井，模型計(jì)算了應(yīng)急開(kāi)采時(shí)間10 d和180 d的地下水最大供水量。利用上述識(shí)別驗(yàn)證后的三維數(shù)值模型分別計(jì)算了該水源地在連續(xù)開(kāi)采180 d方案下的允許開(kāi)采量和最大供水量。所謂允許開(kāi)采量，就是確保在連續(xù)開(kāi)采180 d后，水源地內(nèi)地下水水位不低于承壓含水層的頂板標(biāo)高；而最大供水量就是連續(xù)開(kāi)采180 d后將承壓含水層疏干的水量。允許開(kāi)采量可作為日常開(kāi)采的參考開(kāi)采值，而最大供水量?jī)H在應(yīng)急情況下方能體現(xiàn)。

(1)模型計(jì)算了連續(xù)開(kāi)采10 d的最大供水量。經(jīng)識(shí)別驗(yàn)證后的模型計(jì)算，最大供水量為18 475 m3/d，按照應(yīng)急供水水量的要求30 L/日·人，各開(kāi)采量分別可滿(mǎn)足61.58萬(wàn)的用水。各開(kāi)采井的最大開(kāi)采量(表2)。

(2)連續(xù)開(kāi)采180 d方案下應(yīng)急水源地地下水允許開(kāi)采量和最大供水量計(jì)算允許開(kāi)采量是指布置30口抽水井同時(shí)抽水，180 d以后確保承壓含水層水位不低于其頂板標(biāo)高的水量。經(jīng)過(guò)上述識(shí)別驗(yàn)證后的模型計(jì)算，應(yīng)急水源地的允許開(kāi)采量為7 365 m3/d，按照應(yīng)急供水水量的要求30 L/日·人，可滿(mǎn)足24.55萬(wàn)人的用水。各開(kāi)采井的允許開(kāi)采量(表3)，開(kāi)采180 d后應(yīng)急水源地的流場(chǎng)變化(圖8)。

表2 連續(xù)開(kāi)采10 d各開(kāi)采井最大開(kāi)采量(m3/d)

表3 連續(xù)開(kāi)采180 d各開(kāi)采井允許開(kāi)采量(m3/d)

(3)計(jì)算所得的最大供水量是指180 d后將承壓含水層疏干所得到的水量。經(jīng)過(guò)上述識(shí)別驗(yàn)證后的模型計(jì)算，應(yīng)急水源地的最大供水量為14 750 m3/d，按照應(yīng)急供水水量的要求30 L/日·人，該開(kāi)采量可滿(mǎn)足49.16萬(wàn)人的用水。各開(kāi)采井最大的開(kāi)采量(表4)，開(kāi)采180 d后應(yīng)急水源地的流場(chǎng)變化(圖9，10)。

表4 連續(xù)開(kāi)采180 d各開(kāi)采井最大開(kāi)采量(m3/d)

圖8 按允許開(kāi)采量開(kāi)采180 d后計(jì)算流場(chǎng)圖Fig.8 Calculated flow field after mining by allowable amount 180 days

圖9 按最大供水量開(kāi)采180 d后計(jì)算流場(chǎng)圖Fig.9 Calculated flow field after mining by maximum amount 180 days

圖10 按最大開(kāi)采量開(kāi)采180 d后橫向剖面計(jì)算流場(chǎng)圖(第32行)Fig.10 The transverse section of calculated flow field after mining by maximum amount 180 days(row32)

6 結(jié)論

(1)應(yīng)急地下水源地對(duì)于城市建設(shè)有著十分重要的意義，顏厝應(yīng)急地下水源地在30口開(kāi)采井同時(shí)開(kāi)采的情況下，連續(xù)開(kāi)采10 d的最大供水量為18 475 m3/d，按照應(yīng)急供水水量的要求30 L/日·人，各開(kāi)采量可滿(mǎn)足61.58萬(wàn)的應(yīng)急供水。連續(xù)開(kāi)采180 d的情況下，允許開(kāi)采量為7 365 m3/d，應(yīng)急水源地的最大供水量為14 750 m3/d，按照應(yīng)急供水水量的要求30 L/日·人，可滿(mǎn)足49.16萬(wàn)人的應(yīng)急供水。

(2)在考慮應(yīng)急地下水源地的水資源量的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)該水源地的地下水水質(zhì)進(jìn)行綜合的分析評(píng)價(jià)，對(duì)該水源地的水質(zhì)情況有一個(gè)更加清楚的認(rèn)識(shí)，為以后水源地的建設(shè)提供有力的依據(jù)。

(3)顏厝應(yīng)急地下水源地處在人類(lèi)活動(dòng)較為強(qiáng)烈的區(qū)域，地下水埋深較淺，較易受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，建議加強(qiáng)保護(hù)措施，確保水源地的地下水水質(zhì)得到有效的保護(hù)。