對《淺層地?zé)崮懿煌_發(fā)方案對深層地下淡水咸化效應(yīng)研究》一文商榷

尚銀生，尚許雯

(1.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030013；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

《水利學(xué)報》2022年第5期發(fā)表的《淺層地?zé)崮懿煌_發(fā)方案對深層地下淡水咸化效應(yīng)研究》(以下簡稱《研究》)利用孔隙地下水滲流-熱量運(yùn)移-溶質(zhì)運(yùn)移多場耦合數(shù)值模型，探討地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對淺部咸水入侵深部淡水的影響。研習(xí)該文，提出幾點(diǎn)商榷，以期說明充分掌握水文地質(zhì)條件，選取合理的水文地質(zhì)參數(shù)是決定模型可靠性的根本基礎(chǔ)。

1 水文地質(zhì)條件分析不夠準(zhǔn)確

《研究》在2.2水文地質(zhì)條件中提出：各含水層的富水性好，但水質(zhì)差異較大，并附有圖2場地水文地質(zhì)剖面圖。(1)沒有說明或標(biāo)示場地在剖面圖中的位置，結(jié)合下文，可以看出圖2中的涌水量、降深數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映場地水文地質(zhì)特征。一個明顯的例證：場地水源熱泵系統(tǒng)抽取第Ⅰ承壓含水層的地下水，單井涌水量可達(dá)943.88 m/d；圖2中鉆井開采第Ⅰ、第Ⅲ承壓含水層，但最大涌水量僅902.00 m/d。(2)圖2中只有單井涌水量、降深數(shù)據(jù)，沒有分層水文地質(zhì)參數(shù)，因此，無法說明垂向上各含水層富水性特征；新市街井、唐閘面粉廠井，涌水量分別為810和347 m/d，降深分別為10.6和11.0 m，開采深度及取水層位相同，其它井結(jié)構(gòu)等默認(rèn)相同的情況下，兩者的富水性具有明顯的差異性：即垂向上各含水層的富水性未闡述清楚，水平方向上富水性具有較大的變化。(3)圖2中未標(biāo)明潛水含水層的值，但文中說明潛水、第Ⅰ承壓水、第Ⅲ承壓水TDS分別為800～1600、1100～1800和700 mg/L，表明僅垂向上第Ⅲ承壓水與上覆含水層水質(zhì)差異較大。新市街井、唐閘面粉廠井，第Ⅰ承壓水TDS為1100～1820 mg/L，表明該層在水平方向水質(zhì)差異較大；第Ⅲ承壓水TDS為760～780 mg/L，表明該層在水平方向上水質(zhì)差異相對較小。

水文地質(zhì)條件中提及潛水與地表水有著密切的水力聯(lián)系，但只是泛泛而談，沒有明確：(1)這種聯(lián)系在場地、計(jì)算邊界范圍內(nèi)是否有所體現(xiàn)；(2)有水力聯(lián)系的地表水是通呂運(yùn)河、還是其它；(3)水量、水質(zhì)、水位等支撐數(shù)據(jù)。在隨后的多場耦合模型模擬中，無論邊界條件、還是數(shù)學(xué)模型等，沒有體現(xiàn)這一密切的水力聯(lián)系。

描述各層地下水位時，在水文地質(zhì)條件中利用的是水位埋深，且第Ⅲ承壓水水位埋深未說明；在水位擬合、模擬中利用的是水位。水位埋深數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一到水位數(shù)據(jù)，便于全文的理解與分析。

圖5抽水試驗(yàn)地下水位擬合對比圖及文中，沒有說明：(1)井結(jié)構(gòu)。(2)抽水試驗(yàn)孔位于場地內(nèi)、還是場地外；位于場地內(nèi)時，是抽水井、回灌井，還是觀測井的抽水試驗(yàn)水位擬合。(3)由于不同含水層有不同的水位，是哪一含水層、還是混合水位的擬合？其中，實(shí)測水位<-1 m，結(jié)合模型各層含水層水位初始值從上往下依次為：0.87、0.73和-19.01 m，仍然不能明確是潛水、還是第Ⅰ承壓水、還是混合水位的擬合。(4)2.2水文地質(zhì)條件中僅提到潛水與地表水有著密切的水力聯(lián)系，到3.1概念模型中卻變?yōu)楦骱畬又g存在水力聯(lián)系，且似乎認(rèn)為由于各層存在水位差而引起。地質(zhì)結(jié)構(gòu)對于承壓水的水質(zhì)、水量等起著控制性作用。隔水頂板的存在，不僅使承壓水具有承壓性，更阻礙了承壓水與上覆含水層的水力聯(lián)系。顯然，探討開采利用第Ⅰ承壓水、對第Ⅲ承壓水產(chǎn)生淡水咸化的影響時，闡明第Ⅲ承壓水隔水頂板的厚度、分布連續(xù)性、滲透性等，才是分析有無水力聯(lián)系的關(guān)鍵，這種聯(lián)系與含水層之間是否存在水頭差無必然的因果關(guān)系。表1各層土體參數(shù)一覽表中，第Ⅲ承壓水隔水頂板(即第Ⅲ弱透水層)垂向滲透系數(shù)賦值為1×10m/d(1×10cm/s)，滲透性等級屬于極微透水；其厚度約70余米，且連續(xù)穩(wěn)定分布；水質(zhì)明顯不同于其上各含水層水質(zhì)，可以說第Ⅲ承壓水與其上各含水層無水力聯(lián)系。這種水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)體下，探討地下水源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用對淺部咸水入侵深部淡水的影響，沒有多少實(shí)際意義。

水文地質(zhì)條件論述中，無論文字、還是場地水文地質(zhì)剖面圖等，皆以TDS值反映水質(zhì)、水化學(xué)變化規(guī)律，但第Ⅲ承壓水水質(zhì)咸化預(yù)測時，利用的是Cl濃度，既如此，應(yīng)該在前述有關(guān)章節(jié)中提及。

2 主要水文地質(zhì)參數(shù)取值不夠合理

如上所述，因?yàn)樵奈搓U明抽水試驗(yàn)井位置、井結(jié)構(gòu)、是否分層進(jìn)行試驗(yàn)等，那么如何能準(zhǔn)確利用抽水試驗(yàn)反演模型的水力學(xué)參數(shù)。以表1中滲透系數(shù)值為例，賦值依據(jù)并不充分，事實(shí)上也不夠合理。(1)潛水含水層巖性為粉砂，第Ⅲ弱透水層巖性為粘性土，水平向滲透系數(shù)取值皆為1×10m/d(1×10cm/s)？(2)第Ⅰ弱透水層巖性為黏性土，水平向滲透系數(shù)為1×10m/d(1×10cm/s)。極小的滲透系數(shù)表明所謂的潛水含水層、弱透水層都屬于極微透水，對照有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是否存在取值偏?。?/p>

潛水含水層給水度賦值0.006，明顯偏小，對比粉砂給水度一般經(jīng)驗(yàn)值0.10，減小15.7倍。

Cl濃度賦值規(guī)律不夠合理。2.2水文地質(zhì)條件中從潛水到第Ⅲ承壓水，水質(zhì)特性及TDS濃度依次為：水質(zhì)微咸，800～1600 mg/L；水質(zhì)差，1100～1800 mg/L；水質(zhì)好，700 mg/L，表現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律性，反映水質(zhì)最差的是第Ⅰ承壓水。而3.3模型識別、驗(yàn)證中Cl濃度賦值依次為：2570、1630、128 mg/L，表現(xiàn)出依次減小的規(guī)律性，反映水質(zhì)最差的是潛水。兩者之間自相矛盾。

3 多場耦合模擬方案與規(guī)范矛盾

通政規(guī)[2021]4號市政府關(guān)于修改 《南通市地下水管理辦法》的決定第26條：“地下水地源熱泵系統(tǒng)熱源井的施工，……，不得鑿穿第Ⅰ承壓含水層底板”，當(dāng)該水源熱泵系統(tǒng)水源井、回灌井等施工照此執(zhí)行時，其井結(jié)構(gòu)將不同于圖2場地水文地質(zhì)剖面圖中鉆井結(jié)構(gòu)。因此，有必要詳細(xì)掌握采灌井所反映的水文地質(zhì)資料。

圖6—8 G2觀測井埋深55、90、125 m處溫度擬合對比，對照圖2場地水文地質(zhì)剖面圖，基本處于第Ⅰ承壓含水層界域，而其下分布連續(xù)穩(wěn)定、厚度很大、垂向滲透系數(shù)很小為10m/d(1×10cm/s)的隔水層，也無第Ⅲ承壓含水層與上覆含水層水力聯(lián)系密切的論據(jù)。因此，通過在第Ⅰ承壓含水層中的溫度擬合，來預(yù)測第Ⅲ承壓含水層的溫度變化，立論難以成立。

圖5—8進(jìn)行了水位、不同深度處溫度的擬合，但缺少對Cl濃度的擬合。

原設(shè)計(jì)方案預(yù)測結(jié)果：Cl濃度增大了28.11 gm/L，得出結(jié)論“深部淡水水質(zhì)咸化，即第Ⅲ承壓淡水Cl濃度升高，而由于第Ⅲ承壓含水層上部弱透水層厚度較厚，Cl濃度增大幅度有限”；改進(jìn)方案預(yù)測結(jié)果：采用方案8(利用溫差9 ℃，夏季灌采比60%)第Ⅲ承壓淡水Cl濃度上升幅度最小為15.35 mg/L，增大利用溫差對深層地下淡水咸化的控制效應(yīng)更為顯著。通政規(guī)[2011]6號《南通市地下水管理辦法》第21條第1款指出：采取可靠回灌措施，確保置換后的地下水全部回灌到同一含水層，并不得對地下水造成污染?！兜卦礋岜每照{(diào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50366—2005)(2009版)5.1.1：地下水換熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料進(jìn)行設(shè)計(jì)。必須采取可靠回灌措施，確保置換冷量或熱量后的地下水全部回灌到同一含水層，并不得對地下水資源造成浪費(fèi)及污染。灌采比100%及不得浪費(fèi)水資源的強(qiáng)制性要求，淘汰了改進(jìn)方案中絕大多數(shù)設(shè)計(jì)方案，因?yàn)檫^低的灌采比不符合法律法規(guī)及規(guī)范要求。由于改進(jìn)方案設(shè)計(jì)的缺陷，兩者對比沒有實(shí)際意義。

4 其它問題

(1)應(yīng)該說明地下水水位、水質(zhì)、水量開采等動態(tài)資料，以便多場耦合模型模擬在正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

(2)西部水化學(xué)演化以正常的水-巖作用為主，……沿海地區(qū)深層水以淡水為主，但由于大規(guī)模開采，上下含水層和深層咸淡水之間的天然平衡遭到破壞，從而引起上部咸水體越流補(bǔ)給和海域咸水體西移，使主采層地下淡水逐漸咸化。水源熱泵場地位于南通市西部，因此《研究》場地(西部沿江)淺部咸水開采，造成淺部咸水入侵深部淡水的立論，與前人研究成果——東部沿海深層水開采，引起深層水水質(zhì)咸化的結(jié)論大相徑庭。

(3)地下水源熱泵系統(tǒng)工程布置1口抽水井和1口回灌井，即一抽一灌。改進(jìn)方案減小灌采比后，其余的水資源如何利用？

5 結(jié)語

多場耦合模型模擬的理想與否，不是檢驗(yàn)建模合理、正確的根本標(biāo)準(zhǔn)。正確分析與應(yīng)用水文地質(zhì)條件、取得依據(jù)充分的水文地質(zhì)參數(shù)、對有關(guān)層位的合理概化等，才是這一過程的關(guān)鍵所在。