靖安水源地地下水流模拟与预测

2015-12-15范珊珊

地下水 2015年2期

范珊珊

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛066001)

昌黎县是河北省秦皇岛市下属的四县之一，近年来，随着社会经济的飞速发展，人口规模不断扩大，人民生活水平不断提高，用水需求量逐年增加。为了满足日益增长的用水需求，拟在靖安镇境内建立新的地下水水源地。

靖安水源地位于滦河冲积扇东部的中上部，为傍河取水水源地，该区浅层含水层储水空间大，调蓄能力强，远离隔水边界，补给条件良好，附近多为非耕地，开采对农田用水影响较小。研究区属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，四季分明，冬无严寒、夏无酷暑，日照充足，多年平均降水量为636.9 mm，年内降水不均，7～9月降水量可占全年的 70%左右。利用GMS软件对该水源地进行地下水流数值模拟，按设计的开采方案进行模拟预测，从而确定该水源地的允许开采量，为水源地的规划建立提供依据。

1 地下水流模型

1.1 水文地质概念模型

靖安水源地的研究区范围为北至滦河出山口、安山一线，西南部以滦河为界，东以安山、新集一线为界，总面积305.76 km2。根据地层岩性、含水介质特征及其间水力联系等因素，将研究区的含水层划分为四个含水组，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组，它们的地层大体相当于 Q4、Q3、Q2、Q1，其中以Ⅰ、Ⅱ含水组富水性最强且补给条件好，为研究的主要目的层。Ⅱ、Ⅲ含水组之间沉积有累计厚度达6～18 m的粘土、淤泥及亚粘土，使得Ⅱ、Ⅲ含水组之间的水力联系微弱。滦河在Ⅰ含水组上部流过，属未切穿含水层的非完整河。河床及漫滩上沉积有薄层亚粘土、粉细砂层，河水通过该层与Ⅰ含水组有较强的水力联系。

图1 研究区边界条件示意图

由于Ⅰ、Ⅱ含水组之间没有连续的隔水层，将Ⅰ、Ⅱ含水组概化为浅层潜水含水层，所以潜水面为系统的上边界，通过该边界，系统与外界发生垂向水量交换，如大气降水入渗补给以及蒸发排泄等;浅层含水层和下部含水组之间有较厚的粘土层，所以浅层含水层的底板概化为隔水边界。研究区侧向边界包括流量边界和水头边界(见图1)，其中西南部以滦河为界，概化为水头边界;北部为侧向补给边界;东部安山镇至新集为侧向排泄边界，其它为补给边界。研究区地下水补给项包括大气降水入渗补给、侧向径流补给和灌溉回归补给等，排泄项包括人工开采、潜水蒸发和侧向流出。

1.2 数学模型

由于含水层中的地下水流以水平运动为主，将研究区的地下水流概化为二维非均质各向同性的非稳定流地下水系统，建立如下的数学模型[1]来描述:

式中:H为含水层水位(m);H0(x，y)为初始水位(m);h(x，y，t)为第一类边界 Γ1上的已知函数(m);q(x，y，t)为第二类边界Γ2上的单宽流量(m2/d);K为浅层含水层(沿厚度)平均渗透系数(m/d);Hd为含水层底板标高(m);w为单位时间在垂向上从单位水平面积含水层中流入或流出的水量(m/d);μ为给水度;Ω为模拟计算区域;Γ1为计算区域的第一类边界(给定水位边界);Γ2为计算区域的第二类边界(给定流量边界);n为第二类边界Γ2的外法线方向。

1.3 数值模型

本文采用GMS软件对上述数学模型进行求解。首先对研究区进行网格剖分，网格大小为237m×307m，共有有效单元格4 198个。由于2010年为平水年，本次模拟选择2010年1月－2010年12月作为模拟期，以一个月为一个时间段，共有12个应力期。含水层的顶板和底板高程分别根据地表高程和浅层含水层的底板标高等值线确定的。本次模拟的初始流场为2010年1月的流场，是由实测水位资料通过插值方法得到的。

然后要对模型进行识别和验证。通过调整水文地质参数如渗透系数、给水度以及降水入渗系数等，使得观测孔的计算水位和实测水位拟合程度不断提高，从而使建立的模型能够更为准确地反映研究区的水文地质条件[2]。

图2为模型识别后典型观测孔水位拟合曲线图，从图中可以看出观测孔的计算水位和实测水位的变化趋势相近，拟合程度较高，达到了模型调参识别的目的[3]。通过模型识别所得到的各分区参数值见表1。为进一步验证所建立的地下水模型的可靠性，利用其它时期的资料对模型进行验证。验证期为2013年1月－2013年12月，以一个月为一个时间段，共有12个应力期。图3为2013年12月计算流场和实际流场拟合图，可以看出计算流场和实际流场拟合程度较高。由此可见，所建立的模型能够较为真实地反映研究区的水文地质条件，对于含水层结构、边界条件的概化以及水文地质参数的选择是合理的，可以用于地下水位预测[4]。

表1 水文地质参数初始值和识别值一览表

图2 观测孔水位拟合曲线图

图3 2013年12月计算流场和实际流场拟合图

2 模型预测

2.1 预测方案

在降水保证率95%(特枯年)条件下，利用建立的地下水模型对不同的设计开采方案进行模拟预测。本次模拟设计三种开采方案，分别为5万 m3/d(方案一)、10万 m3/d(方案二)和20万 m3/d(方案三)。预测模型的边界条件和水文地质参数保持不变，补给项和排泄项按95%保证率重新计算，开采量根据不同方案的设计开采量确定。预测期为2013～2032年，以年为时间段，共20个应力期，每个时间段内包括不同的时间步长，前10年的时间步长为一天，后10年的时间步长为一个月。初始流场选择2012年12月末的流场。

2.2 预测结果

按方案一开采20年后的流场变化图见图4。从图中可以看出，按方案一开采1年后，地下水位整体下降，开采3年、5年后，水位持续下降，直到10年后，地下水流场达到稳定状态，水位基本保持不变，与20年后相比降幅不超过0.01 m。

按方案二开采20年后的流场变化图见图5。从图中可以看出，按方案二开采1年后，水源地位置水位降幅较大，开采3年、5年后，水位持续下降，直到10年后，地下水流场达到稳定状态，水位基本保持不变，与20年后相比降幅不超过0.02 m。

按方案三开采20年后的流场变化图见图6。从图中可以看出，按方案三开采1年后，水源地中心地下水位大幅下降形成降落漏斗，开采3年、5年后，地下水位整体持续下降，漏斗面积不断增大，直至10年后，地下水流场达到稳定状态，水位基本保持不变，与20年后相比降幅不超过0.02 m，漏斗面积不再增加。

图4 方案一开采流场变化图

图7 为方案一条件下水源地及周边地下水水位变化曲线，其中曾各庄、东蔡各庄和大周庄分别代表水源地上游、中心及下游位置。从图中可以看出，水源地上游及中心的地下水位一开始都明显下降，但中心年平均下降速率为1.2 m/a，上游下降速率为0.5 m/a。10年后水位基本达到稳定状态，20年后中心水位降深3.7 m。水源地下游的水位变化不明显。

图8为方案二条件下水位变化曲线。从图中可以看出，水源地上游及中心的地下水位一开始都明显下降，但中心年平均下降速率为 1.6 m/a，上游下降速率为 0.7 m/a。10年后水位基本达到稳定状态，20年后中心水位降深5.1 m。水源地下游的水位变化不明显。

图5 方案二开采流场变化图

图6 方案三开采流场变化图

图7 方案一开采水位变化曲线

图8 方案二开采水位变化曲线

通过以上对预测结果的分析得到，水源地在三种方案持续开采20年后的中心水位降深分别为3.7 m、5.1 m及8.3 m，而水源地位置的含水层厚度为52 m，所以水位降深值远小于含水层厚度，不会造成含水层疏干，但方案三在水源地位置出现了面积较大的地下水降落漏斗，而方案一和方案二的地下水流场趋势基本不变，只是水源地位置的水位降深与周边相比较大。虽然三种方案均能使地下水系统达到稳定状态，补给量有保证，但是方案三的漏斗面积较大，可能会影响周边的农作物种植，与农业生产争水，对周围的生态环境影响较大。所以为了尽可能的满足昌黎县的生产生活用水需求，最大程度地利用地下水资源，选择方案二为合理的开采方案。