长江北部三角洲-里下河沉积典型过渡区承压地下水数值模拟

李朗，姚炳魁，黄晓燕

（江苏省地质调查研究院，南京210018）

长江北部三角洲-里下河沉积典型过渡区承压地下水数值模拟

李朗，姚炳魁，黄晓燕

（江苏省地质调查研究院，南京210018）

姜堰市地处长江北部三角洲沉积区与里下河沉积区间的过渡带，孔隙承压地下水分布复杂，南北差异明显，地下水资源评价难度大。对研究区复杂孔隙承压地下水系统进行了三维数值模拟，并在模型识别、验证的基础上，确定出符合水位控制要求的可开采资源量及优化开采布局。结果证明，通过三维数值模型进行地下水资源评价，既能客观再现复杂的水文地质结构和水文地质条件，同时也有助于对地下水资源进行科学有效管理。

沉积区过渡带；孔隙承压地下水；资源评价；数值模拟

江苏省中部长江北部三角洲沉积区与里下河沉积区的交界地带，由于地处两个不同的水文地质单元，受古地貌、古沉积环境的影响不尽相同，孔隙承压地下水的赋存条件极为复杂。该区域地处湖荡低洼平原，地面高程较低，作为该区域主要用水来源之一的孔隙承压水若过量开采，地下水位的快速下降极易引发地面沉降等环境地质灾害。本文以姜堰市为例，旨在通过建立承压地下水三维数值模型来刻画该过渡区复杂的水文地质结构，优化地下水可采量和开采布局，进而调控地下水位的下降趋势来缓解上述不合理开采对环境的影响。

1 研究区水文地质概况

姜堰市域内松散岩类孔隙水，从浅到深依次为全新统潜水含水层、上更新统第Ⅰ承压含水层、中更新统第Ⅱ承压含水层、下更新统第Ⅲ承压含水层，其间以弱含水的粘性土层相分隔（图1）。由于地处长江北部三角洲平原沉积区与里下河湖荡平原沉积区的过渡地带，研究区含水层沉积环境复杂，北部里下河湖荡平原沉积区砂层颗粒较细，以中细砂、粉细砂为主，砂层厚度薄且呈多层状，水量一般；南部长江三角洲沉积区含水层组具有厚度大、砂层层次少（局部地段第四系含水层组之间无稳定隔水层，为连通性巨厚状砂层）、颗粒粗（多为砂砾结构）、水量丰富的特点，中部过渡区含水层富水性在南北之间。当地地下水主要开采层为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层，由于上世纪90年代至本世纪初地下水开采量的剧增，目前区内各层地下水位下降明显，均已形成区域性地下水位降落漏斗。

2 研究区承压地下水系统模拟模型

2.1 承压地下水系统概念模型

将研究区第四纪松散承压含水层系统概化为5层，为第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层及各含水层间的粘性土弱含水层，各层均概化为非均质各向异性。各层的水平侧向边界均按通用水头边界处理，模型底板的垂向边界作隔水边界处理，考虑到潜水层的垂向补给作用，模型顶板的垂向边界作流量边界处理。各含水层由于受到人工开采的长期强烈影响，且局部地段因隔水层缺失使各含水层上下联通，地下水渗流特征极其复杂，故将整个地下水流态概化为三维非稳定流。研究区地下水开采均以开采井为单位，按实际统计开采量赋予。

2.2数学模型

根据水文地质概念模型，建立与之相适应的数学模型［1］∶式中∶H为点（x，y，z）在时刻t的水头值（L）；Kx，KY，KZ为各主方向渗透系数（L.T-1）；μs为储水率（L-1）；W为源汇项（T-1）；H0为计算域初始水头（L）；H1为第一类边界的水头值（L）；q（x，y，x，t）为第二类边界上的单位面积流量（L.T-1）；Ω为计算域；、Γ1、Γ2分别为第一类边界、第二类边界；t为时间（T）。

2.2 模型的识别与验证

上述模型采用有限差分法［2-4］进行数值求解，各层网格剖分为不等距平面长方体，并运用共轭梯度法（PCG）联立迭代求解数学方程［5］。在平面上全区剖分为49×43的矩形网格单元，在剖面上将第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个承压含水层和含水层间的二个粘性土弱透水层剖分为独立的层位进行计算，共5层，每层有效计算单元为1052个（图2～图3）。2009年1月1日至2010年6月30日作为模型的识别时段，2010年7月1日至2010年12月31日作为模型的验证时段。将每个季度作为一个开采制度期，每个制度期分5个时间步长，识别时段6个制度期，验证时段2个制度期。

含水层的初始水位由实测给出，弱透水层的初始水位由上下含水层水位插值获得。区内各开采井的开采量均由实际调查获得。用于水位拟合的观测孔位总计11个，基本控制全区。各含水层通用边界上的水头值由实测经插值后赋予，边界水力传导系数按前人资料结合野外试验数据赋予，潜水含水层对第Ⅰ承压含水层的水量补给强度在综合参考区域地质条件、临近区域和前人研究结果的基础上赋予经验值［6-9］。各含水层参数分区的参数初值根据区域水文地质条件结合野外试验数据赋予。

以第Ⅲ承压含水层为例，图4为2009年12月31日各观测井的计算水位与实测水位拟合情况，其水位拟合误差均在1 m以下，末时刻的计算流场与实测流场拟合情况见图5。模型参数分区见表1。

2.3 模型结果可靠性分析

模型的识别应符合地下水系统的结构特征和水位动态变化趋势，另外模型要收敛、稳定。从总体上看，模型计算得到的各含水层水位流场在变化趋势、周期、等

水位线分布等方面与实测流场律基本吻合；各层参数值的级别大小均符合常规，参数值除了在局部上能较好地满足观测孔的实测值与计算值对比精度要求外，在整体上也与研究区水文地质条件、区域资料一致。参数拟合结果描述地下水系统的数学模型收敛、稳定，说明模型的收敛性和稳定性较好。

3 承压地下水可采资源评价

3.1 评价方案

由于地处长江三角洲沉积区与里下河沉积区的过渡地带，姜堰承压含水层南北富水性差异较大，而地下水开采量在区域分布也极不均衡，导致姜堰市各承压含水层已形成区域性水位降落漏斗。因此，为防止地面沉降等环境地质灾害的发生，提出至2020年第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层的最低水位应分别控制在-15 m、-20 m、-28m。将2011年4月17日～2020年12月31日作为预测时段，以2011年地下水的开采布局为基础，通过调整地下水的开采布局，最终得到符合水位控制条件的优化承压地下水可开采量和满足此可开采资源量的合理开采布局。

3.2 评价结果

模型运行结果表明∶按规划方案进行开采，全市第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层的优化可开采量为2516.58万m3，其中第Ⅰ承压地下水可开采量为474.45万m3，占比18.31%；第Ⅱ承压地下水可开采量为729.76万m3，占比28.17%；第Ⅲ承压地下水可开采量为1386.37万m3，占比53.52%。2014年后各含水层中的水位降落漏斗发展均趋于平缓，2017年后达到稳定，2020年12月31日第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层的预测最低地下水位标高分别为-14.59 m、-19.92 m、-25.12 m（图6），满足水位控制要求。目前水位下降较快的乡镇各主采层地下水可采资源量调整情况见表2。

4 结束语

由于地处两种沉积环境的过渡带，姜堰市孔隙承压地下水赋存条件复杂，且局部区域因弱透水层缺失而存在上下含水层联通的现象，同时由于前期过量开采，各承压含水层均形成区域性水位降落漏斗，地下水渗流具有明显的三维特征。通过三维数值模型所建立的地下水资源评价系统，既客观再现该区域孔隙承压水复杂的水文地质结构，模型的水文地质参数、边界条件也符合区域水文地质特征，同时流场的宏观规律和地下水动态拟合较好，模型正确可靠，具有较高的仿真度。运用该模型进行地下水资源量评价，既有助于实现对孔隙承压含水层系统的统一管理与分层、分区管理，又可发现地下水开采布局存在的缺陷进而改进，最终实现对承压地下水资源的可持续利用。

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Numerical Simulation for Confined Groundwater in Typical Transition Region Between Yangtze River North Delta Deposition and Lixia River Deposition

LILang，YAO Bingkui，HUANG Xiaoyan
（Geological Survey Institute of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China）

Located in transition region between Yangtze River North Delta deposition area and Lixia River deposition area，the distribution of pore confined groundwater in Jiangyan is complex，and its north-south differences are obvious，so the groundwater resource is difficult to evaluate.A three-dimensional numericalmodel is built for the groundwater system of pore confined aquifer in Jiangyan.Based on the recognition and verification of thismodel，the exploitable amount of groundwater and the optimized exploitation pattern are established for control requirement of thewaterlevel in the each aquifer.The results prove that the groundwater resources evaluation with three-dimensional numerical model，not only reproduces the complex hydrology structure and condition of aquifers，but also contributes to the scientific and effectivemanagement of groundwater resources.

transition region of sediment area；pore confined groundwater；resources evaluation；numerical simulation

TV211.1+2

A

1673-1549（2014）01-0073-04

10.11863/j.suse.2014.01.19

2013-08-28

李朗（1980-），男，四川达州人，工程师，主要从事水文地质环境地质方面的研究，（E-mail）lilang_jsgs@163.com