三维水流数值模型在地下水允许开采量评价中的应用

武秋娟 鲁康桥

(郑州市水利建筑勘测设计院，河南郑州 450006)

三维水流数值模型在地下水允许开采量评价中的应用

武秋娟 鲁康桥

(郑州市水利建筑勘测设计院，河南郑州 450006)

为查明赵口引黄灌区中牟境内深层地下水允许可开采量，采用地下水流数值模拟软件GMS建立三维水流数值模型，对地下水资源进行评价计算。将开采井的开采层位根据其具体坐标和开采量加载在模型相应的网格上，在规划开采条件下按运行20年预测模型，得出该水源地2030年末深层地下水预测流场，分析深层采井附近的降落漏斗。

数值模型;水资源;开采量

1 概述

河南省赵口引黄灌区位于黄河南岸豫东平原，始建于1970年，是以引黄灌溉为主要任务的大型灌区。灌区中牟县境内赵口总干渠为土渠，未护砌，农业用水直接引自渠内黄河水。而作为当地生产生活用水取水水源则多为深层地下水，靠赵口总干渠及黄河侧渗补给。为查明该区域作为城区水源地时深层地下水允许可开采量，采用地下水流数值模拟软件GMS建立三维水流数值模型，对地下水资源进行评价计算。依据水源地的地形、地貌、水文地质条件和水源地开采后的影响范围，评价计算的范围:北至黄河水边线，南至郑开大道;东至瓦坡，西至万滩，面积324.5km2。

2 水文地质条件

2.1 含水层组

赵口引黄灌区中牟境域地处黄河下游平原，本区地下水类型均为松散岩类孔隙水。

根据含水层的埋藏条件、成因类型、水力性质等，将区内550m以上划分为浅层孔隙含水层组、中层孔隙含水层组和深层孔隙含水层组三个含水层层组，分别对应浅层水、中层水和深层水。浅层水系指埋藏于地表下100m以浅的含水岩组，中层水系指埋藏于地表下100～250m深度的含水岩组，250～500m为深层水。富水程度以单井涌水量为指标进行评价。单井涌水量浅层按降深5m和深层按降深15m进行换算。

2.2 富水性特征

2.2.1 富水区(3000～2000m3/d)

分布在勘查区盆王—贺岗—太平庄一线以西，水文地质井抽水试验时，水位降深10.74m，单井涌水量1688.4m3/d，推算涌水量为2359.26m3/d。地下水矿化度＜1g/L，水位埋深19～21m。

2.2.2 中等富水区(2000～1000m3/d)

分布在勘查区盆王—贺岗—太平庄一线以东，水文地质井抽水试验时，降深 17.59m，单井涌水量1680.24m3/d，推算涌水量为1432.63m3/d，该区地下水矿化度＜1g/L，水位埋深20～21m。

3 地下水补给、径流与排泄

3.1 浅层地下水

浅层地下水的补给以大气降水入渗为主，其次为黄河测渗及其他河流、渠道渗漏、农田灌溉回渗及地下径流补给。

浅层地下水径流总体流向为自西北向东南径流。浅层地下水的排泄主要是开采和蒸发及侧向径流，本区河流洪水期水位高补给地下水，枯水期地下水位高向河流径流排泄。乡镇以居民生活用水开采为主，外围以农业、灌溉开采为主。

3.2 中层地下水

中层水补给主要来自北部、西北部侧向径流补给。另外浅层与中层之间无良好隔水层，且由于本区农村集中供水均采用中层水，造成中层水位低于浅层水位，故浅层水对中层水具有一定的补给作用。

中层地下水的径流，由西北、北部向东南、南部径流。排泄主要是农村集中供水开采及向深层越流排泄。将来大量开采浅层地下水时，有可能向浅层越流排泄。

3.3 深层地下水

深层地下水主要来自西北部的径流补给，深层与中层之间弱透水层较薄，且中层水位高于深层，故中层水对深层水有一定的补给作用。深层水的径流方向由西北向东南。排泄主要是侧向径流排泄。

4 地下水动态特征

4.1 浅层地下水动态特征

潜水蒸发是浅层地下水保持均衡状态的一个重要因素，随着年开采量的增加，浅层水位下降，蒸发排泄量相应减少，直至遇到丰水年和丰水季节，接受降水补给再度回升。根据浅层地下水位的变化过程划分出两种动态类型:入渗—开采型与入渗—蒸发型。

4.2 中层地下水动态特征

中层地下水来源于侧向径流及浅层越流补给，消耗于开采和侧向径流及向深层越流排出。由于人工开采，地下水位已降至8～12m左右，因中层开采在本区均布，区内未形成明显降落漏斗。故其动态类型为径流—开采型。其变化主要受开采量大小控制。

4.3 深层地下水动态特征

深层地下水天然状态下来源于侧向径流补给，消耗于侧向径流排出，工程区深层开采量较小。所以，本区深层地下水动态，仍大致保持着天然状态，年变幅1m左右。随着人工开采量的增加，将变为径流-开采型。

5 数值法评价地下水允许开采量

5.1 地下水系统概念模型

5.1.1 含水层结构特征

本区地下水类型均为松散岩类孔隙水。

模型将勘察区在空间上大致划分为浅层孔隙含水层组(100m以浅)、中层孔隙含水层组(100～250m)和深层孔隙含水层组(250～500m)三个含水层组。

5.1.2 地下水流动特征

浅层地下水的径流受地形和补给源控制。由于黄河现行河道是下游平原的中脊和地表水、地下水的分水岭。所以，在黄河影响带内，黄河以南地下水自西北向东南径流;黄河以北地下水自西南向北径流。由于黄河在东坝头北折，地下水流向逐渐变为西北。黄河影响带外，由于受西部山区的侧向径流补给，黄河北侧地下水自西南向东北测流，黄河南侧自西向东逐渐变为东南方向。水力坡度和地形坡降相近，属径流滞缓类型。

5.1.3 边界条件的概化

根据区内水文地质条件和地下水开发利用情况，将地下水系统模拟区定为:模型的北部以黄河为界，南边界至郑开大道，西至万滩，东到瓦坡村，总面积324.5km2。

a.侧向边界:对于浅层含水层，北边界黄河定为River边界;参照区域内多年平均的流场图将东部和南部边界定为通用水头边界，将西部定为隔水边界，对于中层和深层含水层，将模型各边界均定义为通用水头边界。

b.垂向边界:潜水含水层自由水面为系统的上边界，通过该边界，潜水与系统外发生垂向水量交换，如接受大气降水入渗补给、河渠补给、田间入渗补给、蒸发排泄等。三个含水层组之间通过越流交换物质和能量，其越流量由含水层在垂向上的渗透系数及含水层的厚度决定。

c.水力特性:地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律;考虑浅、深层之间的流量交换以及软件的特点，地下水运动可概化成空间三维流;地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题;地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，故地下水为非稳定流;参数随空间变化，体现了系统的非均质性，而且在水平和垂直方向上各不相同，所以参数概化成各向异性。

综上所述，分析评价区可概化成非均质各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，即地下水系统的概念模型。

5.2 模型预测条件

地下水数值预测模型的模拟期为20年(2011年1月至2030年12月)，以一个月为一个应力期，共240个应力期，其初始流场为2010年模拟期末的流场，如图1。

图1 预测模型深层初始流场

根据降雨的周期性，选取历史上1980—1999年的降雨量作为预测模型20年的降雨量，该20年的降雨量中有7个枯水年份，尤其是最后5年中包含了3个枯水年份，可以达到预测极端气候下地下水变化趋势的要求。

以2010年补给、排泄量作为预测期间的源汇项，在枯水年份相应地增加农业和生活用水开采量，在丰水年份相应地减小农业和生活用水开采量。水源地开采井的开采层位根据其具体坐标和开采量加载在模型相应的网格上。

5.3 模型预测结果

在规划开采条件下运行20年预测模型，得出该水源地2030年末深层地下水预测流场如图2。由图中可以看出，在深层的开采井附近形成了局部的降落漏斗，但水位下降幅度并不大，影响范围也在开采井周围的区域内。水源地深层含水层在预测期末的水位降深如图3所示。

图2 规划开采条件下预测期末深层流场

5.4 允许开采量分析

开采资源量的预报，应在现有开采技术条件下，以不影响已有水源地正常运行和工、农业用水等为原则，限定预报开采约束条件为:ⓐ根据现有开采技术和本区水文地质条件，模型预测水源地开采主井最大水位降深不应超过含水层厚度的1/3;ⓑ根据实际取水能力，由开采引起的主井水位降深不大于设计降深;ⓒ预测开采量不应超过区域可开采资源量;ⓓ开采状态下，保证浅层地下水水位不可下降太快。

在以上约束条件下，通过模拟计算得出雁鸣湖水源地一期深层的开采量如表1所列，深层允许开采量为9980m3/d，完全可以满足规划开采条件下9980m3/d的开采要求。

表1 水源地允许开采量模拟计算

图3 规划开采20年后模拟区深层地下水位降深

5.5 水源地开采量组成分析

对比深层含水层未开采条件下和开采9980m3/d条件下预测模型20年间地下水多年平均水量均衡情况，可以得到深层地下水各补排量的变化如表2所列。

表2 预测模型深层地下水多年平均补排量变化情况

由表可知，水源地深层含水层在规划开采条件下，动用了储存量，主要激发了边界侧向流入量和中层含水层的越流补给量，且研究区边界的侧向流出量明显减少。水源地规划开采量(365×104m3/a)的来源组成分析如表3，由此可见水源地深层含水层的规划开采量是有保证的。

表3 深层含水层开采量来源组成分析

6 结语

地下水流数值模拟计算结果表明:水源地深层地下水开采9980m3/d时，水源地开采20年地下水位降落漏斗中心水位降深为6.02m，水源地开采主要依靠激发地下水侧向流入量及越流补给量，袭夺地下水侧向流出量，以满足地下水位处于含水层顶板之上。因此，水源地深层井的开采是有保证的。

Application of Three-dimensional Water Flow Numerical Model in Groundwater Allowable Exploitation Evaluation

WU Qiujuan，LU Kangqiao
(Zhengzhou Water Conservancy Construction Survey and Design Institute，Zhengzhou450006，China)

Groundwater flow numerical value stimulation software GMS is adopted for establishing three-dimensional water flow numerical value model in order to identify the amount of deep groundwater allowable exploitation in Zhaokou Yellow River Diversion Irrigation Area.Groundwater resources can be evaluated and calculated.The mining layer of exploration wells can be loaded on corresponding network of the model according to specific coordinates and exploitation.Deepest layer groundwater predication flow field of the water source at the end of 2030 is obtained under planned exploitation condition according to operation of 20-year forecast model.Depression funnel near deep exploitation well can be analyzed.

numerical value model;water resources;exploitation quantity

TV211.1+2

:A

:2096-0131(2015)01-0064-05