姜堰区浅层地下水资源开发利用管理

赵敏　陈婧　周华　衣鹏

摘要：由于姜堰区浅层地下水开发利用缺乏统一的规划，并且随着开发利用规模不断扩大，可能会出现局部采补失衡的情况，研究姜堰区浅层地下水开发利用管理十分有必要。基于姜堰区水文地质条件和抽水试验所得参数，利用Visual MODFLOW软件建立姜堰区水文地质数学模型，并通过不断调试参数使模拟水位和实测水位拟合情况较好，证明建立模型合理有效，能真实地反映当地的水文地质条件，可用于姜堰区浅层地下水水位预测。以水位为控制目标，预测未来2030年姜堰区浅层地下水可开采量。结果表明，现状开采条件不变情况下，2030年姜堰区浅层地下水可开采量为467.04万m3/年;并与现状实际开采情况进行对比，分析研究区浅层地下水开发利用潜力为76.41，远远大于1.2。表明现状开采条件情况下，研究区浅层地下水仍具有一定的开采空间。因此，应严格按照浅层地下水剩余资源量分区图对研究区浅层地下水开发利用进行指导，针对有开采潜力区进行科学合理布井。

关键词：Visual MODFLOW;浅层地下水;可开采量;开发利用潜力;剩余资源量;姜堰区

中图分类号：P641.8         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）05-0044-05

Abstract： Since the lack of unified planning， continuous expanding development and utilization of shallow groundwater might resulted partial imbalance in Jiangyan district. Based on the hydrogeological conditions and the parameters from pumping tests， a mathematical model of hydrogeologic in Jiangyan district was established by using Visual MODFLOW software. After continous adjustion of the parameters， the model was proved to be reasonable and effective for its good fitness on water level simulating. It can truly reflect the local hydrogeological conditions， and could be used to predict the shallow the groundwater level in Jiangyan district， and further predict the exploitable amount in future 10 years with the water level as control index. The results showed that the exploitable amount of shallow groundwater in Jiangyan district is 4.670 4 million m3/a till 2030 if current exploitation conditions unchanged. Compared with the actual exploitation situation， the exploitation and utilization potential of shallow groundwater in the study area is 76.41， which was far greater than 1.2. It indicated that under the current mining conditions， the shallow groundwater in the study area still has a certain mining space. Therefore， it is necessary to guide the development and utilization on the shallow groundwater in the study area in strict accordance with the distribution map of the remained shallow groundwater， and arrange the wells scientifically and reasonably at the potential areas.

Key words： Visual MODFLOW; shallow groundwater; exploible ammount; development and utilization potential; surplus resources; Jiangyan district

淺层地下水资源是维持生态环境的重要因子，在经济社会可持续发展中起着至关重要的作用[1]。根据中国地质调查局在全国范围内的调查结果显示，由于不合理的地下水开采和城市化进程的加快，地下水开采地段有不同程度的污染趋势[2]，城市也不同程度出现地面沉降和地裂缝灾害等地质危害情况。因此，加强地下水资源管理和保护已经成为中国经济社会发展的战略问题[3]。

地下水可开采量是地下水资源开发利用管理的重要内容之一[4]，目前地下水可开采量评价主要是通过建立地下水数值模型来实现，其中运用较为广泛的为Visual MODFLOW，比如，Lautz等[5]利用三维模型MODFLOW和MT3D模拟了地表水和地下水的汇流过程。Narula等[6]将SWAT、MODFLOW和MT3DMS软件集成研究喜马拉雅流域的地下水演变规律和硝酸盐运输。束龙仓等[7]采用Visual MODFLOW对河北省承德市水源地内的开采井进行水均衡预测分析，设计出最佳开采方案。高慧琴等[8]将MODFLOW与FEFLOW的应用领域和原理进行对比分析，提出未来发展趋势。

目前针对姜堰区地下水资源的研究多集中于承压水[9]，潜水含水层地下水研究甚少，本研究在采用Visual MODFLOW对姜堰区承压含水层可开采量进行评价的基础上，运用系数法计算潜水含水层可开采量，从而掌握姜堰区浅层地下水可开采量，为姜堰区浅层地下水资源合理开发利用提供科学依据。

1  研究区概况

姜堰区位于江苏省泰州市东部，东邻海安县，西靠海陵区，南接泰興市，北依兴化市。本次模拟区域为姜堰区全区，研究区面积为927.52 km2。姜堰区属于亚热带季风气候，年平均降雨量为1 043.84 mm，年平均蒸发量为848.53 mm。姜堰区内主要骨干河道有新、老通扬运河，中干河，姜溱河，东、西姜黄河等;湖泊集中分布于区内西北，面积较大的有溱湖。

按形态特征、沉积环境的不同，研究区可划分两大地貌单元，大致以新通扬运河为界，北部为里下河低洼湖沼平原，区内地势由东往西倾斜，洪林以东地面标高一般在3.0～5.0 m，以西标高一般在1.4～2.5 m，地表岩性以亚黏土、淤泥质亚黏土为主;南部为长江三角洲冲积平原，地面标高一般为4.5～6.0 m，最高9 m，地表岩性以亚黏土、粉土为主。

姜堰区分布最广泛、水量最丰富的地下水类型为松散岩类孔隙水，根据含水砂层的形成时代、沉积环境、埋藏条件、水力特征等，松散岩类孔隙水可划分为潜水含水层、第Ⅰ～Ⅳ承压含水层[10]。根据浅层地下水定义，本研究对象主要为潜水含水层和第Ⅰ承压含水层。潜水含水层主要补给方式为大气降水;排泄方式以蒸发排泄为主。

2  浅层地下水资源开发利用管理

2.1  浅层地下水可开采量评价

2.1.2  基于Visual MODFLOW的第Ⅰ承压含水层可开采量评价

1）水文地质条件概化。为更准确地模拟研究区地下水流情况，将研究区第Ⅰ、Ⅱ承压含水层作为一个统一的水文地质系统，平面面积约1 033.7 km2，计算时将含水层间弱含水层也作为独立的层位，各含水层均概化为非均质各向异性，地下水流概化为三维非稳定流，各含水层及含水层间的黏性土弱含水层的侧向边界均按常水头边界处理，系统的顶、底部均为隔水边界[11]。

2）数学模型的建立。根据区内水文地质概念模型，建立下列与之相适应的数学模型[12]：

式中，kxx、kyy、kzz分别为渗透系数在x、y和z方向上的分量，假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为m/d;μs为储水率（1/m）;h为点（x，y，z）在t时刻的水头值（m）;W为源汇项（1/d）;h0为计算域初始水头值（m）;h1为第一类边界的水头值（m）;t为时间（d）;q（x，y，z，t）为第二类边界上单位面积的侧向补给量;？赘为计算域;？祝1、？祝2分别为第一类边界、第二类边界。

采用Visual MODFLOW4.6对模型进行求解，将研究区在平面上剖分成50×44的矩形网格单元，在垂向上将其剖分成潜水含水层、第Ⅰ、Ⅱ两个承压含水层和两个黏性土弱含水层共五层，每层的有效计算单元为1 076个。基本控制全区观测井共7个（图1），其中第Ⅰ承压含水层观测井3个（1-1，1-2，1-3），第Ⅱ承压含水层观测井4个（2-1，2-2，2-3，2-4）。

3）模型的识别与验证。采用试估-校正法对建立的数学模型进行识别，选取2016年1月1日至2016年6月30日作为模型识别的时段，2016年7月1日至2016年12月31日作为模型的验证时段，各含水层的初始水位是由高程与实测水位埋深数据之差得出，第Ⅰ弱承压和第Ⅱ弱承压含水层初始流场是根据上下含水层插值得出[13]。各乡镇各含水层地下水的开采量由实际调查获得，各含水层通用边界上的水头值由实测值经过插值给出，边界上的水力传导系数及各含水层参数分区的参数初值均按前人资料结合现场试验和室内实验给出。

在研究区选取4个观测井（图1中1-1，1-3，2-1，2-3），观测井识别和验证阶段含水层观测井拟合结果分别见图2和图3。观测井模拟水位和实测水位拟合情况较好，说明建立的数学模型、边界条件的概化以及水文地质参数的选取是合理可靠的，所建立的模型能真实地反映当地的水文地质条件，可用于研究区浅层地下水模拟预测。

图4为研究区水文地质参数分区图，表1是经过识别后的潜水含水层和第Ⅰ承压含水层的水文地质参数结果。

4）模型的应用。根据1980—2016年降雨资料，保持2017年的开采布局及开采量不变，以2018年1月1日作为预测的初始时刻，提出至2030年第Ⅰ承压含水层水位埋深控制在20 m，第Ⅱ承压含水层水位埋深控制在30 m。预测结果见表2，研究区第Ⅰ承压含水层可开采量为467.04万m3/年，最大可开采量位于张甸镇，主要是由于区域浅层地下水保护状况较好。

2.1.3  评价结果  根据浅层地下水定义，研究区浅层地下水开采量为潜水含水层可开采量和第Ⅰ承压含水层可开采量之和，计算结果见表2。结果表明，研究区浅层地下水可开采量为11 779.26万m3/年，潜水含水层可开采量占主要比例，第Ⅰ承压含水层可开采量较小。其中梁徐镇浅层地下水可开采量最大，为1 209.40万m3/年;罗塘街道浅层地下水可开采量最小，为315.61万m3/年。

2.2  浅层地下水开发利用现状评价

据统计，研究区企事业单位浅层地下水开采量为5.77万m3/年，农村居民零星浅层地下水开采量为148.3万m3/年。经计算，研究区浅层地下水现状开采量为154.15万m3/年。从表3可以看出，研究区企事业单位浅层地下水开采量较小，且多集中在兴泰镇和俞垛镇等乡镇;农村居民零星用水为研究区主要浅层地下水开采方式，主要集中在罗塘街道、三水街道及张甸镇等区域，与用水人口集中有关。

2.3  浅层地下水开发利用潜力分析

浅层地下水开发利用潜力主要根据浅层地下水剩余水资源量和开发利用潜力指数判定[14]，浅层地下水剩余资源量是指浅层地下水可开采量与现状开采量之差;开发利用潜力指数P是指可开采量与现状开采量之比[15]。当P>1.2时，区域浅层地下水具有开采潜力;当0.8≤P≤1.2時，区域浅层地下水采补基本平衡，需控制开采。

研究区浅层地下水开发利用潜力计算结果见表4。由表4可以看出，研究区各行政区划浅层地下水开发利用潜力均大于1.2，具有较大的开发利用潜力，说明具有一定的开采空间。

2.4  浅层地下水开发利用管理

根据开发利用潜力计算结果，研究区各乡镇街道浅层地下水均具有一定的开采空间，应根据实际水文地质条件、水质、供水总体规划和经济社会发展对浅层地下水资源的需求，主要针对有开采潜力区进行科学合理布井。为更清晰地看出各行政分区的浅层地下水剩余资源量情况，将其在图上呈梯度分布示意（图5）。

3  结论

1）采用系数法和数值法分别计算了姜堰区潜水含水层和第Ⅰ承压含水层可开采量，弥补了对姜堰区浅层地下水资源研究缺失的不足，为水行政主管部门的正确决策提供可靠的科学依据。

2）通过对居民零星用水调查评价，克服了以往只考虑企事业单位用水不能准确反映区域浅层地下水开采量的不足，提高了浅层地下水资源调查评价的精度。

3）评价结果表明，姜堰区浅层地下水剩余资源量为11 625.11万m3/年，开发利用潜力超过限值1.2，具有较大的开发利用潜力，区域浅层地下水具有一定的开采空间。

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