福清平原地下水可采资源量及应急开采量评价

彭 文,陈思佳,周世玲

(1. 厦门地质工程勘察院,厦门 361000; 2. 河海大学地球科学与工程学院,南京 211100)

福清平原地下水可采资源量及应急开采量评价

彭 文1,陈思佳2,周世玲1

(1. 厦门地质工程勘察院,厦门 361000; 2. 河海大学地球科学与工程学院,南京 211100)

根据福清平原地下水系统的水文地质机制,在概化该区地下水系统水文地质概念模型的基础上,首次建立福清平原地下水可采资源量评价三维数值模型。根据福清平原地下水含水层水位控制要求,预测该区地下水可采资源量,在相对富水区域圈定地下水应急水源地,并评价水源地的应急开采量。结果表明,福清平原地下水可采资源量为1 189.35×104m3/a,并圈定出洋梓村谢厝山山前水源地和龙山街道塘头村北侧水源地2处地下水应急水源地,2处应急水源地应急可开采资源量为246.375×104m3/a,为福清平原地下水应急水源地建设提供参考。

三维数值模拟;可采资源量;应急开采量;地下水;福清平原

城市地下水应急水源是在水源水质发生大面积污染、连续干旱等情况下保障社会稳定、提高城市供水安全的地下水水源[1-3]。长期以来,福清市完全依赖地表水供给,而地表供水系统一旦遭遇突发性水污染、特大干旱等事件,极易瘫痪,安全供水将难以保障。作为区域水资源的重要组成部分,地下水具有水质良好、不易污染和空间分布广等优点[2]。开展地下水应急水源地调查,建立地下水应急供水机制,可发挥地下水优势,从区域水资源自给自足入手[3],保障城镇居民的饮用水安全。

本文在概化福清平原地下水系统水文地质概念模型的基础上,首次建立了福清平原地下水资源评价三维数值模型,利用识别验证后的模型对福清平原地下水可采资源量进行评价。在研究区内相对富水区圈定2处地下水应急水源地并评价其可采资源量,为该区地下水应急水源地建设提供依据。

1 水文地质概况

1.1 地下水类型

研究区地下水主要有松散岩类孔隙水、风化网状孔隙裂隙水和基岩裂隙水。

松散岩类孔隙水赋存于第四系冲积层、冲洪积层、风积层及海积层的淤泥质砂、粉砂、泥质砂砾卵石层中,含水层厚度为3～6 m,水量贫乏,局部地段水量中等,单孔涌水量一般<100 m3/d。

风化网状孔隙裂隙水主要赋存于花岗岩及火山岩的强风化、弱风化及微风化带的孔隙裂隙中,含水层最大厚度>30 m,水量贫乏,单孔涌水量一般<10 m3/d。

基岩裂隙水主要赋存于基岩风化裂隙及构造裂隙中,水量贫乏且极不均一,泉流量为0.01～0.23 L/s。

1.2 地下水补、径、排条件

研究区多属低山丘陵地貌,不同地区地下水补给、径流、排泄条件不同。

基岩区大气降水是地下水唯一补给源,但岩石致密坚硬、透水率极低,雨水大多从坡面流失,具有就地补给、就地排泄的特点。

半岛和岛屿区大气降水是地下水的主要补给源,但汇水条件较山区差,雨后大部分降水直泄入海,小部分降水向下渗流,赋存于基岩风化带和断裂破碎带中。

冲洪积平原主要分布在山前盆地,同时接受大气降水和基岩裂隙水补给,地下水流线从盆地两侧指向地表溪流,最后排泄入海。在海积平原区,地下水大多赋存于淤泥质土或粘性土之下,其在山前地带接受大气降水或少量基岩裂隙水补给,进入相对较深的承压含水层。含水层粘粒含量高,径流速度慢,排泄方式以人工开采为主,部分排向地表河流或直接排向大海。

图1 福清平原地下水模拟计算范围示意图Fig. 1 Schematic map showing simulation calculation range of groundwater in the Fuqing Plain

2 地下水流数值模型

2.1 水文地质概念模型

研究区平面面积约930 km2,模拟计算范围见图1。研究区共分3层,由上向下将研究区潜水含水层至承压含水层作为统一的水文地质系统。计算的目的层为潜水含水层及承压含水层,含水层之间的弱透水层按独立的层位参与计算[4],各层均概化为非均质各向异性。系统四周概化为流量边界,顶部一方面接受大气降雨补给,是补给边界,另一方面地下水又通过其蒸发,是排泄边界;底部为基岩,是隔水边界,各含水层之间的垂向水力联系极复杂,地下水位受地下水开采影响,地下水流态概化为三维非稳定流[5]。

2.2 数学模型

根据研究区水文地质概念模型,建立与之相适应的数学模型[6-7]。

(1)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0),(x,y,z)∈Ω

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=z(x,y,z)∈Γ3

(4)

(5)

式中Ss为贮水率，1/m;kxx、kyy、kzz为含水层各向同性主方向的渗透系数,m/d;H为点(x,y,z)在t时刻的水头值,m;W为源汇项,d-1;t为时间,d;Ω为计算区;H0(x,y,z,t0)为点(x,y,z)处的初始水位，m;q(x,y,z,t)为第二类边界单位面积补给量,m/d;cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)为流量边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦;μ为饱和差(自由面上升)或给水度(自由面下降),表示在自由面改变单位高度,含水层单位截面积吸收或排除的水量;qw为自由面单位面积上综合入渗补给量(即大气降水入渗补给量与地下水蒸发量之和),m/d;Γ2、Γ3为第二类边界和自由面边界。

2.3 模型的识别与验证

图2 研究区平面剖分网格图(a)、横向剖面第118行剖分网格图(b)和纵向剖面第62列剖分网格图(c)Fig. 2 Plane gridded map of the study area (a), partial gridded diagrams of the 118th transverse section (b) and the 62th longitude section (c)

上述模型采用有限差分法对地下水流进行数值模拟,含水层采用不等距正交的长方体剖分网格,并采用强隐式法联立迭代求解代数方程组,将研究区在平面上剖分为200×400的矩形网格单元,垂向上由上向下分为3层,每层有效计算单元为46 130个,共计138 390个有效计算单元,其平面和垂向剖分网格见图2。选取2013年12月30日至2014年6月30日作为模型识别时段,2014年6月30日至2014年12月30日作为模型验证时段,以1个月作为1个应力期,将整个时间离散成12个应力期,每个应力期分为10个计算时间步长。含水层均有一定数量的观测井用于水位拟合,其中潜水含水层共有6个观测井,承压含水层共有8个观测井,基本控制研究区地下水流场。以2013年12月30日作为模型计算初始时刻,各含水层初始流场均由实测获得,粘性土弱含水层的初始流场由上下含水层插值获得[8],承压含水层初始流场见图3。按现场试验和室内实验并结合前人资料给出各含水层参数分区的参数初值。

图3 承压含水层地下水实际流场图(2013年12月30日)Fig. 3 Groundwater flow field map of confined aquifer (Dec 30, 2013)

以2014年5月30日为例,各观测井水位拟合误差均控制在1 m以下,各观测井水位计算值和实测值(表1)所确定的点基本落在由水位计算值和实测值确定的直角坐标系45°角线上(图4)。

经识别、验证,潜水含水层共分17个参数分区,水平渗透系数为0.01～1.45 m/d,垂向渗透系数为0.001～0.145 m/d,给水度为0.000 18～0.005。承压含水层共分19个参数分区,水平渗透系数为0.003～1.92 m/d,垂向渗透系数为0.002～0.192 m/d,贮水率为0.000 006～0.000 5。各含水层水文地质参数分区见图5和图6,各分区参数值见表2和表3。

表1 地下水水位观测值与实测值对比

图4 地下水水位计算值与实测值对比图Fig. 4 Comparison of the observed and measured values of groundwater levels

图5 潜水含水层水文地质参数分区Fig. 5 Hydrogeological parameter zoning of phreatic aquifer

图6 承压含水层水文地质参数分区Fig. 6 Hydrogeological parameter zoning of confined aquifer

3 地下水可采资源量预测

以2013年12月底作为本次模拟计算的初始时刻,以连续开采10年后地下水潜水位不低于潜水含水层厚度的一半、承压含水层的水位不低于其顶板标高作为水位约束条件,利用上述识别、验证后的数值模型在计算机上进行模拟计算,评价福清平原地下水可采资源量。

通过模型模拟计算,该区地下水可采资源量为1 189.35×104m3/a,各镇地下水可采资源量见表4,10年后承压含水层地下水流场见图7。根据模型计算结果及识别验证后的参数可知,福清平原相对富水区域主要集中在山前冲洪积平原中含水层较厚、渗透系数较大的地段。

表2 潜水含水层水文地质参数

4 地下水应急水源地可采资源量

在评价出该区地下水可采量的基础上,结合水质、赋水条件以及是否造成地面沉降等环境因素[9-10],在福清平原相对富水区域圈定出洋梓村谢厝山山前水源地和龙山街道塘头村北侧水源地2处地下水应急水源地,其基本特征见表5,应急水源地位置如图8所示。

表3 承压含水层水文地质参数

表4 研究区各镇地下水可开采资源量统计(×104m3/a)

Table 1 Statistics of exploitable groundwater resources of different towns in the study area (×104 m3/a)

乡镇镜洋福清市区海口龙田江镜上迳渔溪港头城头新厝可采量108952938293071478222082949065701095031022372总计118935

图7 10年后承压含水层地下水流场图Fig. 7 Groundwater flow field map of confined aquifer after 10 years

图8 相对富水区地下水应急水源地位置Fig. 8 Locations of groundwater emergency source fields in relative water-rich areas

利用福清平原地下水流数值模型,以2013年12月底作为模拟计算初始时刻,以应急开采180天后承压含水层水位不低于其顶板标高作为水位约束条件,以每个应急水源地布置10口开采井为应急开采方案,评价圈定出2处地下水应急水源地可采资源量。结果表明2处地下水应急水源地可采资源量为246.375×104m3/a。洋梓村谢厝山山前水源地地下水可采资源量为144.175×104m3/a,水源地水位最大降深为16.28 m,地下水可开采模数为173.7×104m3/a·km2,可建一小型水源地,按照应急供水居民人均用水定额(90 L/d),该水源地可满足附近4.39万居民生活供水。龙山街道塘头村北侧水源地地下水可采资源量102.2×104m3/a,水源地水位最大降深为13.1 m,地下水可开采模数340.6×104m3/a·km2,可建一小型水源地,按照应急供水居民人均用水定额(90 L/d),该水源地可满足附近3.11万居民的生活供水。180天后应急水源地附近承压含水层地下水流场如图9所示。

表5 相对富水区地下水应急水源地基本特征

Table 5 Basic characteristics of groundwater emergency source fields in relative water-rich areas

应急水源地名称位置面积/km2地下水类型选取因素水质赋水条件开发利用现状生态、地质环境及时性洋梓村谢厝山水源地福清市石竹街道谢厝山083龙山街道塘头村水源地福清市龙山街道塘头村03基岩裂隙水满足《生活饮用水标准》Ⅲ类水标准含水层厚，充足的补给源未开采附近无污染源，不易引起地质灾害靠近城镇，取水条件较好，可满足短时间大量供水

图9 180天后应急水源地附近承压含水层地下水流场Fig. 9 Groundwater flow field map of confined aquifer near the emergency water source fields 180 days later

5 结 论

(1)在以连续开采10年后地下水潜水位不低于潜水含水层厚度的一半、承压含水层的水位不低于其顶板标高为约束条件下,福清平原年地下水总可采资源量达1 189.35×104m3/a。福清平原相对富水区域主要集中在山前冲洪积平原含水层较厚、渗透系数较大的地段。

(2)在福清平原相对富水区域,分别圈定出洋梓村谢厝山山前水源地和龙山街道塘头村北侧水源

地2处地下水应急水源地,规模均为小型。以应急开采180天后承压含水层水位不低于其顶板标高为水位约束的条件下,以每个应急水源地布置10口开采井为开采方案,该2处地下水应急水源地总可采资源量为246.375×104m3/a,可供周围7.5万居民应急用水。

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RecoverableresourcesandemergencyrecoveryevaluationsofgroundwaterintheFuqingPlain,FujianProvince

PENG Wen1, CHEN Si-jia2, ZHOU Shi-ling1

(1.XiamenInstituteofGeologicalInvestigation,Xiamen361000,China; 2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HehaiUniversity,Nanjing211100,China)

Based on the hydrogeological mechanisms and conceptual model of groundwater system in the Fuqing Plain, a three-dimensional numerical model for recoverable resource evaluation of groundwater source was established for the first time. According to the requirements of water level control for groundwater aquifer, this study presents prediction for the recoverable resources of groundwater in this area. Source areas of emergency groundwater have also been defined in relatively water-enriched areas and the amount of emergency recoverable water was estimated. The results show that the recoverable resources of underground water in the Fuqing plain are 1 189.35×104m3/a. Two emergency underground resources, which were also defined at Xieyanshan in Yangzi and Tangtoucun in Longshan, have a total recoverable resource of groundwater of 246.375×104m3/a, providing some references for construction of groundwater emergency water sources in the Fuqing Plain.

three-dimensional numerical simulation; recoverable resources; emergency recovery; groundwater; Fuqing Plain

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.04.010

2016-12-16

2017-04-17责任编辑谭桂丽

部省合作项目“海峡西岸经济区地下水资源潜力评价及应急水源地调查(编号:1212011220011)”资助。

彭文,1967年生,男,高级工程师,主要从事工程地质与水文地质研究。

陈思佳,1992年生,女,硕士研究生,主要从事水文地质研究。

P641

A

2096-1871(2017)04-314-07