限采條件下的淮北市裂隙巖溶水水位動態(tài)預測

胡林，葉飛虹，楊杰

（1.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094）

1 引言

裂隙巖溶水是淮北市居民生活用水主要水源，由于幾十年的過度開采，其水位埋深持續(xù)下降，形成了較大范圍的巖溶水超采區(qū)及區(qū)域性的降落漏斗，有引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質災害現象發(fā)生的風險。為此，安徽省政府劃定了面積約123.8km的限采區(qū)，淮北市政府于2019年實施了《淮水北調水源置換及地下水壓采工作方案》，力圖緩解區(qū)內巖溶水的超采狀況。因此，建立三維非穩(wěn)定流地下水流數值模型，對壓采方案實施后研究區(qū)巖溶水水位動態(tài)變化，進行預測顯得很有必要。

2 研究區(qū)概況

淮北市位于安徽省北部，地處華東地區(qū)腹地，市域范圍南北長108km，東西寬近 60km，總面積約2741.4.4km。淮北市地處淮北平原，地勢由西北向東南緩緩傾斜，地面坡降1.5/10000，區(qū)內分布有山澗盆地、低山丘陵和洪沖積平原。

淮北市地處中緯度地區(qū)，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)。主要氣候特征是季風明顯，氣候溫和，雨水適中，春溫多變，秋高氣爽，冬季顯著，夏雨集中?；幢笔心昃鶜鉁?5.0℃，最高氣溫41.1℃（1972年6月1日），最低氣溫-21.3℃（1969年2月5日），月均日照時長為193h，積溫4753.6℃（t≥5℃），太陽輻射全年為總量124.5千卡/cm，干熱風多出現在5月中、下旬，年均相對濕度71%。

淮北市地層除第四系松散層沉積外，下覆地層裂隙發(fā)育豐富，部分地區(qū)裂隙裸露，地下水的開采呈現出孔隙—裂隙巖溶水混采的局面。淺層孔隙水分布于西部和南部平原區(qū)，主要用于農田灌溉、禽畜養(yǎng)殖、工業(yè)用水；深層裂隙巖溶水分布于淮北市北部地區(qū)，主要用于城鎮(zhèn)居民生活和公共等項目用水。本次研究區(qū)域為淮北市巖溶水集中開采區(qū)域，位于淮北市北部地區(qū)，面積約1000km。研究區(qū)地理位置圖，見圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

3 水文地質條件分析

3.1 含水巖組結構及分布

區(qū)域屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)，上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)（O-C）、三疊系（T）、侏羅系（J）缺失，上第三系（N）、第四系（Q）為松散巖，組成松散巖類含水巖組，賦存孔隙水；上震旦統(tǒng)（Z）、二疊系（P）、白堊系（K）、下第三系（E）為碎屑巖，組成碎屑巖類含水巖組，賦存裂隙水；上石炭統(tǒng)（C）為碎屑巖夾碳酸鹽巖，組成碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水巖組，賦存裂隙巖溶水；下震旦統(tǒng)（Z）、寒武系（∈）、奧陶系（O）為碳酸鹽巖或碳酸鹽巖夾碎屑巖，組成碳酸鹽巖類或碳酸鹽巖夾碎屑巖類含水巖組，賦存裂隙巖溶水。

淺層含水巖組砂層發(fā)育有2層～3層，累計厚度10m～30m；砂層間無穩(wěn)定的粘性土分布，含水層之間長只有1m～4m的粘性土相隔，許多地方粘性土尖滅；淺層含水巖組各含水層間水力聯系密切。深層含水巖組由中更新統(tǒng)下部、下更新統(tǒng)和中新統(tǒng)組成；砂層在徐樓、五鋪、前常一帶最為發(fā)育，厚度10m～35m，最厚達60多米。

3.2 地下水補給、徑流、排泄關系

基巖裸露的巖溶水分布地區(qū)，直接受大氣降水、地表水補給，其他地區(qū)巖溶水受含水層間越流補給影響。巖溶水作為淮北市的主要生活用水供水水源，人工開采是其主要排泄途徑。

3.3 巖溶水開發(fā)利用現狀

2018年，淮北市總用水量為4.36億m，其中裂隙巖溶水用水量1.417億m，占總用水量的32.5%，主要用于居民生活和城鎮(zhèn)公共等項目用水。為了根治淮北市巖溶水超采問題，淮北市實施了《淮水北調水源置換及地下水壓采工作方案》。

根據壓采方案，“引江濟淮”外調水將于2025年作為淮北市城鎮(zhèn)居民生活用水的主要水源，淮北市計劃分2018年～2019年、2020年～2024年、2025年及以后三個階段對限采區(qū)內巖溶水進行壓采，2025年前的時間利用限采區(qū)外的徐樓水源地進行水源置換，見表1所示。

淮北市水源配置方案一覽表 表1

4 地下水流數值模型

4.1 含水層結構概化

根據區(qū)域水文地質及鉆孔資料，在垂向上將研究區(qū)概化為三層，見圖2所示。

圖2 研究區(qū)水文地質概化模型

①潛水—承壓含水層：該層主要由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)的粘質砂土、粘土及粉砂組成。該含水層遍布全區(qū)，僅在北部山前厚度較薄，層厚約10m～55m左右。

②弱透水層：該層層厚范圍約5m～40m，由于監(jiān)測到上覆孔隙水水位與下伏裂隙巖溶水水位存在數米水位差，且徑流滯緩，因此將該層概化為弱透水層，既作為孔隙水與巖溶水溝通的主要通道，同時也起到一定的隔水作用。

③裂隙巖溶含水層：該層主要由第三系的砂礫巖、泥巖以及第四系下的灰?guī)r組成。該層除北部山區(qū)部分出露，均下伏于第四系地層，層厚約370m～430m。

4.2 模擬范圍

對于本次模型，以淮北市巖溶水集中開采區(qū)為模擬中心，包括整個限采區(qū)及限采區(qū)外徐樓水源地，模擬區(qū)南北長40km，東西長 25km，總面積為1000km。本次模擬初始時間為2018年1月1日，模擬期設為10年。模擬區(qū)范圍及限采區(qū)位置，見圖3所示。

圖3 模擬區(qū)范圍及限采區(qū)位置圖

4.3 數值模型的建立

依據前面建立的水文地質概念模型，構建相應的地下水流數學模型，如下所示：

式中：K表示含水層滲透系數（m/d）；H表示第一含水層水位（m）；H表示第二含水層 水 位（m）；H表示第二含水層初始水位（m）；M表示第二含水層厚度（m）；m表示弱透水層厚度（m）；q表示各抽水井的開采強度（m/d）；μ*表示彈性釋水系數；t表示時間（d）；D 表示模擬區(qū)范圍；Γ表示第一類邊界。

4.4 模型識別

數值模型建立后，利用已有的地下水位觀測值資料，采用試錯法進行模型識別，確定水文地質參數，使得計算水位和觀測水位充分擬合，滿足規(guī)范要求。

由于水位動態(tài)監(jiān)測孔的缺乏，難以形成平面空間水位等值線；本次模型識別僅依據位于研究區(qū)的H162巖溶水監(jiān)測孔水位動態(tài)，進行數值模擬模型的識別；經過反復調參，最終得到較為理想的模型識別結果，擬合結果如圖4所示，各地層水文地質參數取值，見表2所示。

圖4 H162觀測孔水位擬合過程線

研究區(qū)各含水層參數賦值表 表2

4.5 模擬結果

利用識別后的模型進行模擬，得到了模擬區(qū)以限采方案開采巖溶水2年末、5年末、8年末、10年末的地下水水位等值線圖，見圖5所示。

圖5 不同開采時期巖溶水水位等值線圖

5 結論與分析

根據模型模擬，得到了淮北市“壓采方案”實施后開采10年期間的區(qū)域水位等值線圖。對巖溶水水位等值線圖進行分析，得出以下結論：

①開采2年末，限采區(qū)內巖溶水開采井群中心水位出現下降趨勢，限采區(qū)外水位基本不變；

②開采5年末，隨著“壓采方案”的實施，限采區(qū)內開采中心水位有所回升，回升幅度在0.5m～1m之間，而限采區(qū)外的徐樓水源地水位出現下降趨勢；

③開采8年末，由于水量壓采幅度的增大，限采區(qū)內開采中心水位回升較快，限采區(qū)外徐樓開采點水位持續(xù)下降；

④開采10年末，“引江濟淮”外調水開始作為淮北市生活用水主要水源，限采區(qū)內水位基本恢復至初始水位狀態(tài)，限采區(qū)外徐樓水源地水位仍保持下降趨勢，但隨著區(qū)域巖溶水補給條件變好，下降速率減緩。

綜上，通過地下水流數值模型預測，隨著《淮水北調水源置換及地下水壓采工作方案》的實施后，淮北市限采區(qū)內巖溶水水位持續(xù)回升，限采區(qū)外徐樓水源地巖溶水水位逐步下降，限采措施對區(qū)域巖溶水水位動態(tài)有較大影響，一定程度上能緩解淮北市的巖溶水超采現狀。