仙桃市应急水源地地下水流数值模拟分析

张胜伟, 陈梦源, 李 哲, 彭 慧, 陈 钰

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

仙桃市应急水源地地下水流数值模拟分析

张胜伟, 陈梦源, 李 哲, 彭 慧, 陈 钰

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

为了分析仙桃市应急水源地的开采潜力和开发利用方案,选择地下水模拟软件GMS中的MODFLOW模块,对研究区模型进行合理的边界条件概化,通过模型的调试和识别,确定可靠的水文地质参数,计算得到研究区允许开采量为1.561×108m3/a。对开采潜力进行评价分析,确定开发利用方案:宜开采深度为90～100 m,管径适用250 mm,采用30 m3/h的泵量取水,且保证抽水时间在每天16 h,需新增布设34眼,井距>500 m。

应急水源地;数值模拟;开发利用方案;仙桃市

在全面收集、系统分析工作区内现有水文地质资料、开展地下水现状调查与水文地质勘查的基础上,对工作区的地下水资源进行评价,选择了地下水模拟软件GMS中的MODFLOW模块,对研究区模型进行了合理的边界条件概化,通过模型的调试和识别,确定可靠的水文地质参数,计算得到研究区允许开采量为1.561×108m3/a,并对开采潜力进行评价分析,确定开发利用方案,为政府部门应对在连续干旱或发生水安全突发事件等导致供水大量缺失的情况下提供解决措施和动态管理提供依据[1]。

1 研究区概况

1.1 研究区含水层特征

仙桃市应急水源地主要包括全新统粉质粘土、粉细砂孔隙潜水[Q4]和上、中更新统、砂砾石孔隙承压水[Q2+3]两个含水岩组(见图1)。其中第四系全新统孔隙潜水含水岩组水位、水温动态受季节控制明显,水量贫乏,无实际供水意义,故此地下水岩组不作为应急水源地评价分析对象。

第四系上、中更新统孔隙承压水含水岩组下伏[Q4]之下,含水岩组岩性主要为粉砂、砂、砂砾石,砂砾石含量占10%～15%,砾径一般为0.5～2 cm。含水层厚度变化不大,总体上有从西到东、从南向北逐渐变薄的趋势。在西部陈场、姚嘴等地最厚,为100～120 m,北部汉江沿线一般为30～80 m不等,东部西流河、沙湖等地最薄,为30 m,南部一般为70～100 m,含水层顶板埋深在15～30 m,上覆有一层较稳定的隔水层。

[Q2+3]孔隙承压水水位埋深一般为0.6～5.4 m,承压水头一般高出顶板5～20 m,侧压水位高程一般为25～35 m。单位涌水量100～1 200 m3/d·m。该含水岩水组分布广,厚度大,水量丰富,顶板和水位埋深较浅,水质较好,开采条件好,是地下水主要利用层位,是应急水源地地下水评价的主要研究对象。

1.2 地下水的补给、径流、排泄

1.2.1 补给

[Q2+3]孔隙承压水的补给来源主要为侧向径流和汉江水头以及孔隙潜水对承压水有较强的越流补给。此外,据钻孔资料反映,汉江在本区范围内大部分地段切穿了上部[Q2+3]孔隙承压含水层的隔水顶板,使得地表水与[Q2+3]孔隙承压含水层直接连通,地表水也成为其重要的补给来源。

1.2.2 径流

由于本区处于汉江平原腹地,地势平坦,地形高差较小,隔水层顶、底板基本水平,水位高程相差甚小,水力坡度小,因而地下水流速十分缓慢,基本处于停滞状态。地下水水位高程一般在18～25 m,水力坡度在1/3 000～1/6 000之间。地下水总体自西北向东南径流,汉江水侧向径流补给地下水。

图1 仙桃市应急水源地水文地质剖面图Fig.1 Profile of hydrogeololgy of emergency water source in Xiaogan City1.第四系人工堆积物;2.第四系全新统;3.第四系更新统;4.人工填土;5.粉质粘土;6.砂砾石;7.粉细砂;8.地下水稳定水位;9.钻孔及编号。

1.2.3 排泄

孔隙承压水的排泄以向邻区径流排泄和人工开采排泄为主,在丰水期也通过越流向下伏[N2+Q1]裂隙孔隙承压水排泄,枯水期由于部分地段地下水位高于地表水位,这时地下水也向地表水排泄。

2 地下水资源量计算

2.1 水文地质概念模型及地下水数学模型的确定

研究区[Q2+3]孔隙承压含水层与[Q4]孔隙潜水含水层之间夹一弱透水层,在部分地区上下两层含水层通过天窗直接沟通,其上[Q4]潜水含水层通过越流与[Q2+3]承压含水层发生水量交换。因此,该水文地质模型可概化为[Q4]潜水弱含水层、[Q2+3]孔隙承压水含水层两层非均质各向同性承压准三维不稳定流模型[2]。数学模型描述如下:

H(x,y,t)|t=0=H1,0(x,y)

H(x,y,t)|(x,y)∈B=H1,1(x,y,t)

式中:H为弱透水层的水头函数(m);H1为[Q2+3]承压水含水层的水头函数(m);H1,0、H0分别为各含水层初始时刻的水头函数(m);H1,1为[Q2+3]承压水含水层一类边界上的水头函数(m);μs、μ分别为弱透水层和[Q2+3]承压水含水层的弹性释水系数;T为[Q2+3]承压水含水层的导水系数(m2/d);K、m分别为弱透水层的渗透系数(m/d)及厚度;v为弱透水层流入[Q2+3]承压水含水层的越流强度(m/d);B表示一类边界;ε为[Q2+3]承压水含水层单位面积开采量。

2.2 边界条件的概化

模拟评价区北面以汉江为界(自然边界),其它边界为人为划定的边界(人工界定的界线),面积为340.98 km2,计算区边界均概化为一类已知水头边界,汉江边界用汉江水位给定,其余边界水头值均用边界相邻水文孔水位采用插值法控制。

2.3 模型的调试与识别

为了使所建数值模型能对客观水文地质模型达到仿真,需对模型进行调试和识别。将模型中需要的各种参数输入到计算机中进行反复运算模拟,不断调整,使模拟的结果达到较为逼真的效果,以作为模型识别的参数[3]。

2.3.1 模拟的初始时间和步长的确定

本次模型识别对应长观孔5 d一观的时间序列,取计算步长为5 d,以2010年3月1日为初始时刻,2010年3月1日—2010年9月30日共计214 d为拟合时段进行拟合求参。

2.3.2 模型识别

在已概化边界条件及试验获取参数条件下,对上述水文地质数学模型进行识别计算,对评价区内的8个长观孔水位进行了拟合分析(见图2),并对拟合误差进行分析(见表1)。

由图2和表1可以看出,除了长观孔ZK006在部分时间段拟合的不够理想外,大部分长观孔拟合均较好,证明模型是较合理的,可以用这个模型来计算本区的地下水允许开采量。

2.3.3 模拟参数的确定

经过上述对模型的调试和识别,求得计算区内含水层的参数,所得参数等值线见图3。

表1 各长观孔拟合误差统计表Table 1 Statistical table of fitting errors of each observation hole

图2 长观孔水位拟合曲线图Fig.2 Water level fitting curve of long observation hole

2.4 计算结果

用以上识别的数值模拟模型,在现状开采条件下,对研究区进行地下水允许开采量计算。研究区根据参数等值线进行计算,模型分别算得开采资源模数为3.65×104m3/km2·a、36.5 ×104m3/km2·a、43.8×104m3/km2·a、54.75 ×104m3/km2·a、73.0×104m3/km2·a、80.3 ×104m3/km2·a。根据计算绘制开采资源模数等值线图(见图4),计算得到[Q2+3]允许开采量为1.561×108m3/a。

3 应急水源地开发利用方案分析

3.1 地下水开采潜力分析

3.1.1 地下水开采潜力评价分析原则

地下水开采潜力分析,按国土资源部颁《县(市)区域水文地质调查基本要求》进行。对于开采潜力指数P>1.2的区域,按表2划分开采潜力区[4]。

3.1.2 地下水开采潜力评价分析

图3 [Q2+3]含水层调参后参数等值线图Fig.3 Parametric contour map of [Q2+3] aquifer after parameter adjustment

图4 开采资源模数分区图Fig.4 Partition diagram of mining resource modulus1.开采资源模数>50(104 m3/km2·a);2.开采资源模数40～50(104 m3/km2·a);3.开采资源模数30～40(104 m3/km2·a);4.开采资源模数20～30(104 m3/km2·a);5.开采资源模数10～20(104 m3/km2·a);6.开采资源模数<10(104 m3/km2·a);7.地下水开采资源模数分区界线;8.城区及乡(镇、农场)行政界线;9.街道办事处;10.村级标注。

开采潜力可增允许开采量/(104m3·km-2·a-1)备注潜力较小<10潜力中等10～20潜力较大>20可增加允许开采量=单位面积允许开采量-单位面积地下水已开采量

本研究区[Q2+3]孔隙承压水允许开采量为1.561×108m3/a,现状开采量为554.12×104m3/ a,可增允许开采量为230.41×104m3/km2·a,地下水开采潜力按照乡镇、街道办事处进行统计计算,统计情况见表3。

从表3可以看出,研究区内的所有地区开采潜力指数均>1.2,为有潜力开采区。除了干河街办(0.76×104m3/km2·a)可增允许开采量<10×104m3/km2·a,为开采潜力较小区,以及龙华街办(18.92×104m3/km2·a)可增允许开采量<20×104m3/km2·a,为开采潜力中等区外,其他的均>20×104m3/km2·a,开采潜力较大。

3.2 开发利用方案

仙桃市应急供水水源地地下水类型属于第四系孔隙承压水,地下水水位埋深1～2 m,含水层顶板埋深30～40 m,含水层厚度>70 m,单位涌水量接近1 000 m3/d·m,属水量丰富区,其开采潜力满足应急水源地开采的需要。

根据上述条件,确定仙桃市应急供水水源地开采利用方案:适宜机井开采,宜开采深度为90～100 m,管径适用250 mm,管材采用钢管,用30 m3/h的泵量取水,且保证抽水时间在每天16 h,结合市政规划和建筑物布局,采用网状布设开采井,井距>500 m。根据应急城市生活用水定额标准,仙桃市城镇生活用水需水量为5.4×104m3/d,需布设开采井54眼,目前已有开采井24眼,其中有4眼距离<500 m,不符合布设条件,因此需新增布设34眼,井距均>500 m,以满足应急开采的需要。

表3 仙桃市地下水开采潜力一览表Table 3 List of groundwater exploitation potential in Xiantao

注:开采潜力指数=允许开采量/已开采量。

4 结论与建议

(1) 本文建立了仙桃市应急水源地数值模型,模拟结果和实测数据拟合较好,可以用来对工作区的地下水资源量进行评价分析,计算该区允许开采量为1.561×108m3/a。

(2) 通过开采潜力评价,确定了开发利用方案:宜开采深度为90～100 m,管径适用250 mm,用30 m3/h的泵量取水,且保证抽水时间在每天16 h,需新增布设34眼,井距>500 m。

(3) 建议对划定的应急水源地进行水位、水质及地面沉降等进行长期监测,发现问题应及时制定处理措施。

[1] 沈媛媛,辛宝东,郭高轩,等.北京房山岩溶水应急水源地地下水流数值模拟及预测 [J].南水北调与水力科技,2011,9(5):103-106.

[2] 程刚,邹安权,张胜伟,等.武汉城市圈地质环境调查与区划报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2016.

[3] 付晓刚,李择,王保君,等.郑州航空港区应急地下水水流数值模拟及预测[J].工程勘察,2013,41(5):33-38.

[4] 王泽峰,王丽艳,计升平,等.湖北省地质环境总站,湖北省武汉市黄陂县地下水资源调查与开发区划报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,1998.

Numerical Simulation Analysis of Groundwater Flow ofEmergency Water Source in Xiantao City

ZHANG Shengwei, CHEN Mengyuan, LI Zhe, PENG Hui, CHEN Yu

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

In order to analyze the exploitation potential and development and utilization scheme in Xiantao City Emergency Water Source,the authors choose the MODFLOW module from the groundwater simulation software GMS,make a reasonable boundary condition generalization for study area model,and through the model debugging and recognition,determine the reliable hydrogeology parameters,and the allowable exploitation quantity are calculated to be 1.561×108m3/a.The exploitation potential is evaluated and analyzed,and the development and utilization scheme is determined: the appropriate mining depth is 90～100 m,the pipe diameter is 250 mm,pumping water with 30 m3/h,and to ensure that pumping time in 16 hours a day.It need layout 34 new eyes with over 500 m well spacing.

emergency water source; numerical simulation; development and utilization scheme; Xiantao city

P641.2

A

1671-1211(2017)06-0735-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.013

2017-08-21;改回日期2017-10-13

长江中游城市群地质环境调查与区划国家计划项目(121201094038)。

张胜伟(1981-),男,工程师,硕士,环境科学专业,从事水文地质、工程地质方面的工作。E-mail:158221372@qq.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0843.014.html数字出版日期2017-10-26 08:43

李雯)