地下水漏斗修复及效果预测分析

陆海玉, 贾连杰, 赵正国

(山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013)

地下水漏斗修复及效果预测分析

陆海玉, 贾连杰, 赵正国

(山东省水利勘测设计院,山东 济南 250013)

根据研究区水文地质条件,建立地下水数值模型,利用模型对地下水漏斗区修复措施效果进行对比分析,选取了 “开源、促渗、节流、调结构” 的修复方案;通过效果预测,得出修复措施实施后效果明显,漏斗区地下水位恢复较快,为修复措施的可行性提供支撑,对指导地下水漏斗区综合治理具有重要的现实意义。

地下水漏斗;水文地质;数值模型;地下水修复;开源;促渗

中国是一个水资源匮乏的国家,随着国民经济快速发展,对水资源的需求量越来越大,长期大量集中超采地下水造成全国特别是东部沿海地区出现大量地下水漏斗。山东省平原区地下水超采区面积为12 210 km2,约占全国的1/5,其中尤以淄博—潍坊超采区面积最大,达5 422 km2,占全省地下水超采区总面积的44.4%[1]。漏斗区地下水位持续下降、含水层枯竭、地面沉降、水质恶化、海(咸)水入侵等一系列生态与环境地质问题,危及供水安全和生态安全,严重制约经济社会可持续发展。因此,研究地下水漏斗区修复措施,进行修复效果预测,对指导地下水漏斗区综合治理具有重要的现实意义。

1 地下水漏斗分布及形成原因

1.1 区内地下水漏斗区分布

通过区内现状地下水水位调查和监测数据分析,绘制了浅层地下水等水位线图(图1),可以看出研究区现状地下水埋深1.20～37.63 m,地下水位-17.71～11.61 m,浅层地下水在中西部地区由四周向中北部径流,东部地区由西向东径流,地下水漏斗区主要集中在区内中部和东部。中部漏斗中心位于田庄镇仇王—唐山镇西马一带,漏斗中心水位高程<-5.0 m(埋深20 m左右);东部漏斗位于索镇东北部,漏斗中心水位高程<-17.0 m(埋深30 m左右)。地下水漏斗区以地下水位等水位线4.0 m为基准,初步确定漏斗区面积约为198 km2,占县域面积的38.90%。

1.2 地下水漏斗区形成原因分析

区内位于山前微倾斜冲积—洪积平原区,地势南高北低,由西南向东北缓倾,地面坡降1∶700～1∶2 000,海拔高程6.5～29.5 m。研究区第四系覆盖层厚度250～400 m,地层岩性主要为冲洪积沉积的粘土、砂质粘土、中细砂,冲积湖积沉积的壤土、粘土、粘土质砂、粉细砂及冲积海积沉积的砂质粘土、粘土质粉细砂、粉砂等。上部浅层地下水主要表现为潜水,根据历史地下水位数据(1980年前),地下水位埋深一般为1.5～2.8 m,地下水流向由西南向东北缓流。

根据调查,20世纪70年代初研究区开始大规模开采地下水,主要用于工业生产、城乡生活及农田灌溉,随着城市规模扩大和社会经济快速发展,地下水开采量不断增加,地下水位开始不断下降。由索镇前毕村26号监测井的长期地下水位观测数据可以看出,地下水位由1980年的17.45 m下降到2000年的-14.96 m,地下水位下降32.41 m。根据地下水资源量计算,研究区多年平均地下水可开采量为11 648.3万m3,可开采模数为28.4万m3/km2;实际地下水年均开采量14 062.0万m3,实际开采系数1.21[2]。地下水开采井相对比较集中,且多数分布于漏斗区内。

分析认为,地下水的集中超量开采是研究区地下水漏斗形成的主要原因。

图1 浅层地下水等水位线图(2014年9月)Fig.1 Contour map of shallow groundwater level (September 2014)1.河流;2.铁路;3.村庄;4.县界;5.乡镇界;6.县城;7.闸;8.本次工程项目;9.调查评价范围;10.现状地下水等水位线;11.现状地下水流向。

2 水文地质概况

2.1 水文地质特征

区内位于冲积—洪积平原水文地质区,按照地下水埋藏条件及含水层岩性组合、富水性等特点,垂直方向上由浅到深分为潜水—浅层微承压水、中深层承压水、深层承压水。本次研究的漏斗区地下水主要为潜水—浅层微承压水。

区内潜水—浅层微承压水主要赋存于第四系松散沉积物孔隙中,埋深在60 m以上,主要表现为潜水,局部具有微承压性。含水层累积厚度5～15 m,层数多、单层薄,含水层岩性以粉细砂、细砂为主,其次为中细砂、粉砂,局部地段有中粗砂及小砾石。研究区中部及东部地带富水性中等,单井涌水量500～1 000 m3/d,呈条带状分布;其余大部分区域单井涌水量<500 m3/d。含水层多受古河道的制约,呈条带状分布,其补给、径流、排泄条件和动态变化直接受地形地貌、水文气象及人为因素的控制。浅层地下水主要补给来源是大气降水和地表水入渗,其次是灌溉回渗和上游侧向径流。人工开采是浅层地下水的主要排泄途径,其次是蒸发和地下径流排泄。

2.2 地下水动态特征

由地下水位动态变化曲线可以看出(图2),区内地下水年内动态变化主要受降水和开采综合影响,1—3月份由于开采量较小,水位渐升;之后由于农业春灌大量开采,加之降水稀少,水位大幅度下降,一般在6月水位降至最低;随后进入主汛期降水增多,地下水得到有效补给,水位回升,多在10月出现最高水位;随着秋冬农灌开采,水位开始下降。综上所述,浅层地下水年内多呈升—降—升—降的变化规律。

3 数值模型的建立

地下水数值模拟是根据区内水文地质条件,先建立地下水系统概念模型,再通过数值模拟建立地下水流数学模型,通过不断调试模型参数进行重复计算,使数值模拟工作成为“数值模拟实验”,以观测结果和计算结果拟合差为标准,不断校正模型,最后达到利用数值模拟实验方法研究地下水运动机理的目的[3]。

图2 研究区降雨量与观测井水位曲线(唐山镇唐二村监测井)Fig.2 Rainfall and water level observation wells curve of study area(Monitoring well of Tangshan town Tang 2 village)

3.1 水文地质概念模型

3.1.1 边界条件的确定与概化

根据区内水文地质特征及地下水系统特点,模型西侧以胜利河为界、北侧以小清河为界,均概化为定水头边界,水头高度根据各河流多年月平均水位按月份分别赋值,模拟河流与含水层之间的侧向补排关系。南侧、东部均概化为二类流量边界,边界流量根据地下水等水位线,通过达西定律分别计算赋值。模型范围总面积约627.6 km2。

含水层自由水面为模型的上边界,过该边界与系统外发生垂向交换,上边界高程根据地形线及地下水位进行刻画,下边界高程根据区域水文地质剖面进行刻画,取潜水—浅层微承压水含水层层底,下边界概化为隔水边界。

3.1.2 含水层概化

地下水为第四系松散孔隙水,含水层厚度通过区域水文地质钻孔分别设定,并通过参数的分区赋值区分含水层的性质。

区内含水层存在一定的非均质特征,而不同方向上的差异较小,因而将松散含水介质概化为非均质各向同性。区内含水层厚度比较大,在常温常压下地下水运动符合达西定律,故将地下水流运动形式概化为平面二维流。地下水位动态受降水、蒸发、侧向补给和河流水位等因素的影响,影响地下水位动态的因素随时间的变化而变化,地下水水位存在动态变化,地下水运动为非稳定流,将各个水均衡要素逐月输入模型中。综上,将区内的地下水流概化为非均质,各向同性潜水二维非稳定流。

3.2 数学模型的建立及求解

3.2.1 水流模型

根据区内水文地质条件,通过分析地下水补、径、排特征,将区内的含水层概化成非均质、各向同性、二维非稳定的地下水流模型,水流模型用下列的数学模型表述:

3.2.2 模型建立

运用基于有限差分法的GMS软件包建立区内的地下水流模型,经参数识别与模型检验后,对区内地下水流系统进行模拟分析。

根据区内含水层结构和地下水径流特征,对区内进行网格剖分,剖分后的模拟区单元总数为28 731个,其中有效单元数为17 154个。

3.2.3 源汇项处理

(1) 补给项。模型中的补给项包括降雨入渗补给、定流量边界补给、灌溉回渗补给。

① 降雨入渗补给。在模型中降雨入渗量按面状补给量处理。降雨补给量计算公式为:

Q=α×F×X

式中:α、F、X分别为降水入渗系数、降水入渗面积和降水量。

降水入渗面积取研究区整个面积,降水入渗系数α取0.33。降雨量按照水文站观测的2013年1月—2013年12月份降雨资料的月平均值分月赋值。降雨入渗补给量可以通过模型中Recharge模块自动计算并进行模拟。

② 定流量边界补给。地下水边界流量根据达西定律计算,计算公式为:

式中:Q为单位时间渗流量;K为渗透系数;F为过水断面;h为总水头损失;L为渗径长度。

渗透系数K取边界处各分区地下水含水层综合渗透系数;过水断面F取区内边界处含水层断面面积;h/L通过区内边界处现状地下水等水位线计算获取。

③ 灌溉回渗。区内现有耕地面积3.2万hm2,经计算,农业灌溉回渗量扣除蒸发补给约850万m3。本次模型建立时根据耕地范围和面积按面状补给量平均分配到4月、5月、6月、10月和11月进行处理。

(2) 排泄项。模型中的排泄项包括蒸发、定水头边界出流排泄、人工开采量、对深层地下水的越流排泄。

① 蒸发量。区内部分地区潜水埋深较大,蒸发量相对较小。蒸发量按照水文站2013年1月—2013年12月实测蒸发量取每月平均值,蒸发极限埋深取经验值4 m,蒸发量通过模型中E.T.模块自动计算并模拟。

② 开采量。根据地方水利局提供开采井资料,浅层地下水开采井共10 647眼,其中10 375眼开采井取水用途是农业灌溉,其它为工业用水、生活用水开采,年开采量总计约1.40亿m3。根据开采区域和开采时间对评价区内分区分别进行赋值。

③ 越流排泄。由于区内深层地下水开采程度较高,深层水位持续下降,使浅层水向深层水越流排泄。经计算,多年平均越流排泄量为1 274.9万m3。

3.3 模型验证及识别

本次数学模型的识别采用的是试估—校正法。通过参数调整进行反演且结合手工调参,根据收集的降水、蒸发、河流水位及地下水井观测资料,模型模拟的地下水流场与区内实际监测地下水流场基本吻合,整体拟合较好(图3)。通过对区内三个观测井的地下水动态曲线进行拟合,各动态曲线拟合程度满足要求。

因此,该地下水数值模型符合区内的实际水文地质条件和地下水系统特征,可以利用其进行地下水系统方面的研究,指导地下水漏斗区修复措施的方案选取。

4 地下水漏斗修复措施

治理措施除对地下水漏斗修复效果明显外,还应尽可能结合当地现有河道、湿地、水库等水利设施,即充分利用现有水利设施减低工程投资达到有效地下水漏斗修复目的。利用地下水数值模型可以对不同修复方案效果进行预测,通过效果对比、分析,选取最佳的治理方案。

通过对区内现有水利设施进行分析研究,利用地下水数值模型进行方案效果预测对比,区内地下水漏斗区治理选用“开源、促渗、节流、调结构”的方式来减少开采和加大补给,实施地下水漏斗区域的修复和促进地下水位的回升[4]。

4.1 开源

开源即充分利用地表水源替换地下水开采量。区内充分利用分配的引黄水、引江水指标及雨洪资源,通过实施水源工程,为北部、中部工业用水提供稳定水源,实施引水、河道治理和马踏湖生态湿地工程为沿河及周围农业灌溉提供客水资源,从而减少工业和农业采用地下水资源现状,达到替换地下水过量开采的目的。区内通过新建水库、生态河道及湿地修复等综合治理工程后,增加雨洪水、引黄及引江水等地表水利用量6 550万m3,预计每年可减少的浅层地下水开采量3 630万m3。

4.2 促渗

促渗即通过实施河道拦蓄、生态湿地修复等措施,促进地表水渗漏补给地下水。研究区实施“三横四纵一湿地”工程加大雨洪资源利用和地表水促渗。通过对区内“三横四纵”七条河道采取清淤、生态治理、新建或重建拦河建筑物,加大存蓄雨洪水资源量,促进河道渗漏补给地下水;通过马踏湖生态湿地综合整治,对雨洪水及黄河客水进行存蓄,加强水体的置换能力,增大地表水面积和范围,增加入渗涵养地下水源。

4.3 节流、调结构

地下水漏斗反映出的危机主要是水资源利用方式、治水模式与发展观念的问题。要想从根本上解决地下水漏斗区,不仅需要工程措施保证经济社会发展,还需要提高水资源的利用效率和效益,促进自觉节水的机制,建设节约型社会。同时加快产业结构调整、工业技术改造,大力发展循环经济,研究开发和推广中水回用技术,改变当前的工业和农业以地下水资源为主的用水结构。

图3 模拟流场和观测流场拟合图Fig.3 Fitting figure of simulation of flow field and flow field observation1.河流;2.铁路;3.村庄;4.县界;5.乡镇界;6.县城;7.闸;8.本次工程项目;9.模拟范围;10.模拟地下水等水位线;11.实际地下水等水位线。

5 效果预测

5.1 预测赋值

(1) 区内通过实施水库、生态河道及湿地修复等综合治理工程后,增加雨洪水、引黄及引江水等地表水利用量,可减少的浅层地下水开采量为3 630万m3/a。假定预测期内保持之前建立模型的条件不变的情况下,通过关闭开采井的方式进行赋值,主要分配给地下水漏斗区。

(2) 马踏湖湿地增加渗漏量按调蓄水量的20%估算,新增渗漏量约400万m3/a。通过在马踏湖湿地内增加一个面状补给源赋值补充地下水。

(3) 河道治理后,河道及坑塘增加的渗漏量按地表径流量的15%估算,新增渗漏量约300万m3/a。通过沿各河道设置河流补给赋值补充地下水。

(4) 新建的新城水库及于家村水库渗漏量按年调蓄水量的3%估算,新增渗漏量约153万m3/a,通过在库区内增加一个面状补给源赋值补充地下水。

5.2 漏斗区地下水位预测

经模型预测,修复措施实施后,区内地下水水位均有不同程度地上升,在漏斗区上升较为明显。修复措施实施1年后田庄镇漏斗区中心地下水涨幅为0.43 m,5年后地下水涨幅为2.34 m,10年后漏斗区地下水涨幅为4.36 m;1年后索镇漏斗区中心地下水涨幅为2.54 m,5年后地下水涨幅为7.85 m,10年后漏斗区地下水涨幅为12.70 m。索镇漏斗区中心位置上涨幅度最大,可能是由于该漏斗区地下水水位最低,且位于新建水库于家村水库南部不远处,由于水库补给和开采量减少,对于漏斗区的修复效果最明显。修复措施实施10年后地下水漏斗区中心地下水位变化曲线见图4。

5.3 环境地质问题预测

经模型预测,修复措施实施后,促渗措施中涉及的7条河道、马踏湖湿地等周边地下水水位均有不同程度地上升,但上升幅度有限,地下水埋深均大于场区浸没临界深度1.50 m,因此修复工程不会引起浸没、次生土壤盐渍化等环境水文地质问题。

6 结论与建议

通过对研究区内地下水流场数值模拟预测,修复措施实施后可以得出以下结论:

图4 地下水漏斗区中心地下水位预测变化曲线图Fig.4 Forecast the groundwater level change curveof groundwater funnel district

(1) 区内地下水水位在漏斗区上升较为明显,特别是漏斗区中心位置上涨幅度最大,修复措施将有利于漏斗区地下水位的恢复,说明修复方案有效。

(2) 地下水漏斗区中心位置较周边地下水位上涨幅度大,这主要是受漏斗区水力坡度大的影响。

(3) 修复工程主要对漏斗区地下水水位影响明显,其它处地下水水位影响较小,修复工程的运行不会引起浸没、次生土壤盐渍化等环境水文地质问题。

地下水漏斗的形成是长期超采地下水所致,除采取工程措施外,还应加强制度管理和监督。同时,促渗工程可能会影响地下水水质,为此提出以下建议:

(1) 加强地下水开采管理和监督,关闭漏斗区地下水开采井,防止地下水超量开采影响漏斗区地下水水位恢复。

(2) 做好地表水的防污染措施,定期对促渗河道、湿地等地表水水质进行监测,防止河水污染影响地下水水质。

(3) 为使地下水漏斗修复更加有效,可以在漏斗区内和流场上游增加回灌井,并加大促渗措施。

(4) 设置地下水长期监控井,发现问题及时采取措施。

[1] 山东省水利厅.山东省地下水超采区综合整治实施方案[R].济南:山东省水利厅,2015.

[2] 淄博市水资源管理办公室、淄博水文水资源勘测局.山东省淄博市水资源综合调查评价[R].淄博:淄博水文水资源勘测局,2014.

[3] 易立新,徐鹤.地下水数值模拟:GMS应用基础与实例[M].北京:化学工业出版社,2009.

[4] 山东省水利勘测设计院.山东省桓台县利用亚行贷款地下水漏斗区域综合治理示范工程可行性研究报告[R].济南:山东省水利勘测设计院,2014.

(责任编辑：陈文宝)

Remediation and Effect Forecast Analysis of Groundwater Funnel Area

LU Haiyu, JIA Lianjie, ZHAO Zhengguo

(ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Jinan,Shandong250013)

Paper establishes numerical groundwater flow model based on the hydrogeological conditions of the study area,using the model of the effect of rehabilitation program are analyzed to select the optimal engineering measures; through the “open source penetration,throttling,structural adjustment” is selected. Remedy performance forecasts the results show that the water table funnel region recover faster,the effect is obvious,the feasibility of remedial measures to provide strong support,which guide the comprehensive management of groundwater funnel area has important practical significance.

groundwater funnel; hydrogeology; numerical model; groundwater remediation; raise income; permeation enhancing

2016-04-22;改回日期:2016-05-05

陆海玉(1978-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事水文地质、工程地质勘察及地下水环境科学研究工作。E-mail:Luhaiyu201@163.com

P641.2; P641.8

A

1671-1211(2016)03-0483-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.055

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.024.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31