臨泉縣城區(qū)深層地下水超采區(qū)數(shù)值模擬與調(diào)控研究

白璐璐

(阜陽市水資源管理處，安徽 阜陽 236001)

0 前言

黨中央、國務(wù)院高度重視地下水管理與保護(hù)工作。2017年，水利部、原國土資源部聯(lián)合印發(fā)《全國地下水利用與保護(hù)規(guī)劃》，明確了全國地下水超采區(qū)治理的目標(biāo)、任務(wù)與措施。2020年《水利部辦公廳關(guān)于開展地下水管控指標(biāo)確定工作的通知》要求盡快開展全國地下水管控指標(biāo)確定工作[1]。同年，《水利部辦公廳關(guān)于開展重點區(qū)域地下水超采治理與保護(hù)方案編制工作的通知》要求盡快開展重點區(qū)域地下水超采治理與保護(hù)方案編制。臨泉縣是安徽省實施地下水超采治理的重點對象之一。多年來，臨泉城區(qū)居民生活和工業(yè)用水靠開采地下水，中深層地下水嚴(yán)重超采，已形成480 km2的地下水漏斗區(qū)，開展地下水調(diào)控研究非常必要[2]。

按照國家地下水超采治理工作的部署和要求，結(jié)合臨泉縣實際，開展臨泉縣深層地下水調(diào)控方案研究，對保障臨泉縣供水安全，以及實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用，具有重要的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)概況

臨泉縣地處黃淮平原的西南端，安徽省的西北部，縣域內(nèi)主要河流有泉河、谷河、洪河、潤河、涎河、流鞍河，沒有湖泊和水庫，屬于水資源緊缺地區(qū)。臨泉縣國土面積為1 839 km2，2020年戶籍人口231.3萬(常住人口165.84萬)。全縣常住人口中，居住在城鎮(zhèn)的人口為505 006人，占30.45%。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化率將不斷增加。

根據(jù)《安徽省地下水超采區(qū)治理方案》，臨泉縣地下水超采區(qū)面積為415.6 km2，由于地下水的大量開采，導(dǎo)致中深層地下水嚴(yán)重超采，至2020年，已形成480 km2的地下水漏斗區(qū)，未來臨泉縣水資源供需矛盾將更加突出[3]。

2 臨泉縣城區(qū)深層地下水?dāng)?shù)值模型構(gòu)建

本文利用地下水?dāng)?shù)值模擬的方法來實現(xiàn)臨泉縣城區(qū)深層地下水調(diào)控[4-6]。

2.1 模擬區(qū)范圍確定

結(jié)合臨泉縣周邊的區(qū)域地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地形地貌特征和地下水資源規(guī)劃利用情況，確定了臨泉縣城區(qū)附近6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為模擬范圍，模擬區(qū)總面積266.88 km2。模擬區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型的范圍及其具體位置如圖1所示。

圖1 模擬區(qū)范圍及位置圖

2.2 水文地質(zhì)概念模型

2.2.1 含水層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)地下水主要賦存于新生界松散巖類孔隙含水層組中，按地下水埋藏條件和水力學(xué)性質(zhì)，可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。臨泉縣主要超采區(qū)位于第二承壓含水層，與第一承壓含水層(組)之間，發(fā)育厚度大且分布穩(wěn)定的粘土層，承壓含水層水力聯(lián)系差。因此本次模型概化為第二承壓含水層單層水流運動模型。

2.2.2 源匯項

模擬范圍內(nèi)第二含水層的主要補給源為側(cè)向徑流補給。排泄項主要有人工開采、側(cè)向地下水徑流等。人工開采主要用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活用水，地下水開采對局部地下水流場有影響，收集研究區(qū)內(nèi)所有抽水井點的抽水資料，將抽水井(包括38眼抽水井和15眼自備井資料)數(shù)據(jù)匯總分析，模擬區(qū)內(nèi)抽水井分布位置主要分布在城區(qū)范圍內(nèi)，見圖2。

根據(jù)模擬區(qū)資料以及該區(qū)域含水層的結(jié)構(gòu)，模擬區(qū)內(nèi)含水層的參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)出非均質(zhì)性；模型考慮取水井的開采，地下水流為非穩(wěn)定流。因此，將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)。

圖2 模擬區(qū)內(nèi)抽水井及自備井分布位置圖

2.3 地下水水流數(shù)值模型

2.3.1 模型剖分

選取Visual Modflow軟件中的MODFLOW模塊對臨泉縣第二承壓含水層模擬區(qū)內(nèi)地下水的運動方向及地下水水資源量進(jìn)行模擬。含水層剖分為1層，共剖分有效單元約20 458個。單元格面積為100 m×100 m。模型頂板高程是通過分析研究區(qū)內(nèi)深孔揭露第二承壓含水層頂板高程值，采用surfer中克里金插值方法獲?。缓畬拥装鍩o法確定，本次采用含水層厚度為特定深度進(jìn)行計算，其底板高程對于本次模擬計算影響微小。模擬區(qū)頂板高程如圖3所示，含水層整體較平整，局部頂板深度較深。

2.3.2 含水層參數(shù)設(shè)置

將地層分為單層承壓含水層，主要巖性為砂礫石，模擬區(qū)基本為均質(zhì)含水層，含水層巖性單一，滲透系數(shù)3～7 m/d，貯水系數(shù)10-5～10-6，給水度0.01～0.1。第二承壓含水層為生活用水、工業(yè)釀酒及工業(yè)生產(chǎn)開采含水層，滲透系數(shù)、給水度參考本地區(qū)單井抽水試驗數(shù)據(jù)。

圖3 模擬區(qū)頂板高程圖

2.3.3 模型識別

本次模型地下水水動力參數(shù)率定采用模擬計算值與實際觀測值對比，通過計算水位和實測水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，最終得到了含水層參數(shù)。經(jīng)過模擬計算，監(jiān)測井模擬計算值與實際觀測值率定結(jié)果均在95%置信區(qū)間內(nèi)，模型識別取得了較為理想的效果，說明建立的模型是可靠的。

3 臨泉縣城區(qū)深層地下水?dāng)?shù)值模擬研究

3.1 模擬區(qū)深層地下水用水現(xiàn)狀

研究區(qū)深層地下水現(xiàn)狀用水按照用水主體主要劃分為以下兩個部分，第一部分為市政用水，主要為城區(qū)居民生活用水，其供水水源井性質(zhì)為市政所有，2020年取水量達(dá)4.53萬 m3/d。第二部分為企業(yè)用水，為企業(yè)的工業(yè)用水，其供水水源井性質(zhì)為企業(yè)自備水源井，2020年取水量達(dá)0.44萬 m3/d。

3.2 模擬區(qū)深層地下水開采量

通過對臨泉縣中心城區(qū)所有深層地下水開采水源井的開采量進(jìn)行了統(tǒng)計，市政水源井日均單井開采量約為70 m3/h，而企業(yè)自備井日均單井開采量約17 m3/h。從分布上來看，自備井主要分布在經(jīng)開區(qū)，此外在老城區(qū)也有零散分布，而市政水源井集中于老城區(qū)范圍。

3.3 模擬區(qū)深層地下水現(xiàn)狀方案設(shè)定

根據(jù)臨泉縣現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)劃確定臨泉縣深地下水開采現(xiàn)狀方案(表1)，2021-2025年期間研究區(qū)內(nèi)所有市政井和自備井正常開采，同時根據(jù)臨泉縣未來需水量，市政開采井每年以0.58萬 m3/d的需水量增加，未來5年自備井中深層地下含水層的需水量每年固定為0.44萬 m3/d。從2026-2030年，隨著引江濟(jì)淮工程通水，臨泉縣深層地下水市政井及自備井全部封停備用。

表1 臨泉縣深層地下水開采現(xiàn)狀方案

3.4 模擬預(yù)測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)狀臨泉縣城區(qū)深層地下水開采量和未來十年臨泉縣深層地下水開采規(guī)劃，模擬得到未來十年臨泉縣城區(qū)深層地下水含水層水位變化情況，見下圖4。結(jié)果表明：2021-2025年，第一年底、第二年底以及第五年底研究區(qū)降落漏斗最深水位分別下降約至-27.8 m、-29 m以及-34 m，降落漏斗持續(xù)增大；2026-2030年，隨著引江濟(jì)淮地表水置換地下水，地下水停止開采，研究區(qū)深層地下水含水層受測量補給，水位逐漸恢復(fù)。

圖4 臨泉縣城區(qū)未來十年地下水流場變化圖

4 臨泉縣城區(qū)深層地下水調(diào)控研究

4.1 調(diào)控方案設(shè)計

以壓采-置換為調(diào)控原則，在現(xiàn)狀研究區(qū)開采布局的基礎(chǔ)之上，對深層地下水開采量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合研究區(qū)附近地表水或淺層地下水的開發(fā)利用，研究設(shè)計3種研究區(qū)深層地下水開采調(diào)控方案，具體方案見下

方案A：將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用，其他市政開采井每年以0.58萬 m3/d開采量增加。

方案B：將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用，其他市政開采井穩(wěn)定以4.53萬 m3/d開采量定量開采。

方案C：將研究區(qū)內(nèi)自備井全部封停備用，其他市政開采井每年以4.53萬 m3/d開采量定量開采，此外關(guān)閉國家觀測井方圓1.5 km的市政開采井。

4.2 調(diào)控結(jié)果

通過對比現(xiàn)狀方案與調(diào)控方案下監(jiān)測井水位變化情況(圖5)，結(jié)果表明：現(xiàn)狀壓采方案下，監(jiān)測井水位降深值最大，恢復(fù)水位高差最大；方案C條件下監(jiān)測井水位降深值最小，恢復(fù)水位高差最小；各方案相較現(xiàn)狀方案對限采區(qū)的影響均有所削減，結(jié)合區(qū)域政策性的地下水管理輔助手段，可逐步實現(xiàn)區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用，控制限采區(qū)超采所誘發(fā)的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題。但由于各方案對開采量的壓采程度有一定區(qū)別，總體上方案B、C在限采區(qū)的正效應(yīng)要優(yōu)于方案A，但3種方案選擇需根據(jù)研究區(qū)實際情況及經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行壓采方案選擇。

圖5 各調(diào)控方案監(jiān)測井水位模擬計算結(jié)果

5 結(jié)語

以臨泉縣城區(qū)及周邊地區(qū)為研究區(qū)，開展了臨泉縣深層地下水?dāng)?shù)值模擬與優(yōu)化調(diào)控方案研究。以壓采-置換為調(diào)整原則，在現(xiàn)狀研究區(qū)開采布局的基礎(chǔ)之上，對深層地下水開采量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，結(jié)合地表水、淺層地下水的開發(fā)利用，研究設(shè)計3種深層地下水開采管理調(diào)控方案。各調(diào)控方案相較現(xiàn)狀方案對研究區(qū)的影響均有所削減，結(jié)合區(qū)域政策性的地下水管理輔助手段，可逐步實現(xiàn)區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用，控制限采區(qū)超采所誘發(fā)的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題。