限采条件下的淮北市裂隙岩溶水水位动态预测

胡林，叶飞虹，杨杰

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094）

1 引言

裂隙岩溶水是淮北市居民生活用水主要水源，由于几十年的过度开采，其水位埋深持续下降，形成了较大范围的岩溶水超采区及区域性的降落漏斗，有引发地面沉降等环境地质灾害现象发生的风险。为此，安徽省政府划定了面积约123.8km的限采区，淮北市政府于2019年实施了《淮水北调水源置换及地下水压采工作方案》，力图缓解区内岩溶水的超采状况。因此，建立三维非稳定流地下水流数值模型，对压采方案实施后研究区岩溶水水位动态变化，进行预测显得很有必要。

2 研究区概况

淮北市位于安徽省北部，地处华东地区腹地，市域范围南北长108km，东西宽近 60km，总面积约2741.4.4km。淮北市地处淮北平原，地势由西北向东南缓缓倾斜，地面坡降1.5/10000，区内分布有山涧盆地、低山丘陵和洪冲积平原。

淮北市地处中纬度地区，属暖温带半湿润季风气候区。主要气候特征是季风明显，气候温和，雨水适中，春温多变，秋高气爽，冬季显著，夏雨集中。淮北市年均气温15.0℃，最高气温41.1℃（1972年6月1日），最低气温-21.3℃（1969年2月5日），月均日照时长为193h，积温4753.6℃（t≥5℃），太阳辐射全年为总量124.5千卡/cm，干热风多出现在5月中、下旬，年均相对湿度71%。

淮北市地层除第四系松散层沉积外，下覆地层裂隙发育丰富，部分地区裂隙裸露，地下水的开采呈现出孔隙—裂隙岩溶水混采的局面。浅层孔隙水分布于西部和南部平原区，主要用于农田灌溉、禽畜养殖、工业用水；深层裂隙岩溶水分布于淮北市北部地区，主要用于城镇居民生活和公共等项目用水。本次研究区域为淮北市岩溶水集中开采区域，位于淮北市北部地区，面积约1000km。研究区地理位置图，见图1所示。

图1 研究区地理位置图

3 水文地质条件分析

3.1 含水岩组结构及分布

区域属华北地层区淮河地层分区，上奥陶统至下石炭统（O-C）、三叠系（T）、侏罗系（J）缺失，上第三系（N）、第四系（Q）为松散岩，组成松散岩类含水岩组，赋存孔隙水；上震旦统（Z）、二叠系（P）、白垩系（K）、下第三系（E）为碎屑岩，组成碎屑岩类含水岩组，赋存裂隙水；上石炭统（C）为碎屑岩夹碳酸盐岩，组成碎屑岩夹碳酸盐岩类含水岩组，赋存裂隙岩溶水；下震旦统（Z）、寒武系（∈）、奥陶系（O）为碳酸盐岩或碳酸盐岩夹碎屑岩，组成碳酸盐岩类或碳酸盐岩夹碎屑岩类含水岩组，赋存裂隙岩溶水。

浅层含水岩组砂层发育有2层～3层，累计厚度10m～30m；砂层间无稳定的粘性土分布，含水层之间长只有1m～4m的粘性土相隔，许多地方粘性土尖灭；浅层含水岩组各含水层间水力联系密切。深层含水岩组由中更新统下部、下更新统和中新统组成；砂层在徐楼、五铺、前常一带最为发育，厚度10m～35m，最厚达60多米。

3.2 地下水补给、径流、排泄关系

基岩裸露的岩溶水分布地区，直接受大气降水、地表水补给，其他地区岩溶水受含水层间越流补给影响。岩溶水作为淮北市的主要生活用水供水水源，人工开采是其主要排泄途径。

3.3 岩溶水开发利用现状

2018年，淮北市总用水量为4.36亿m，其中裂隙岩溶水用水量1.417亿m，占总用水量的32.5%，主要用于居民生活和城镇公共等项目用水。为了根治淮北市岩溶水超采问题，淮北市实施了《淮水北调水源置换及地下水压采工作方案》。

根据压采方案，“引江济淮”外调水将于2025年作为淮北市城镇居民生活用水的主要水源，淮北市计划分2018年～2019年、2020年～2024年、2025年及以后三个阶段对限采区内岩溶水进行压采，2025年前的时间利用限采区外的徐楼水源地进行水源置换，见表1所示。

淮北市水源配置方案一览表 表1

4 地下水流数值模型

4.1 含水层结构概化

根据区域水文地质及钻孔资料，在垂向上将研究区概化为三层，见图2所示。

图2 研究区水文地质概化模型

①潜水—承压含水层：该层主要由第四系全新统及上更新统的粘质砂土、粘土及粉砂组成。该含水层遍布全区，仅在北部山前厚度较薄，层厚约10m～55m左右。

②弱透水层：该层层厚范围约5m～40m，由于监测到上覆孔隙水水位与下伏裂隙岩溶水水位存在数米水位差，且径流滞缓，因此将该层概化为弱透水层，既作为孔隙水与岩溶水沟通的主要通道，同时也起到一定的隔水作用。

③裂隙岩溶含水层：该层主要由第三系的砂砾岩、泥岩以及第四系下的灰岩组成。该层除北部山区部分出露，均下伏于第四系地层，层厚约370m～430m。

4.2 模拟范围

对于本次模型，以淮北市岩溶水集中开采区为模拟中心，包括整个限采区及限采区外徐楼水源地，模拟区南北长40km，东西长 25km，总面积为1000km。本次模拟初始时间为2018年1月1日，模拟期设为10年。模拟区范围及限采区位置，见图3所示。

图3 模拟区范围及限采区位置图

4.3 数值模型的建立

依据前面建立的水文地质概念模型，构建相应的地下水流数学模型，如下所示：

式中：K表示含水层渗透系数（m/d）；H表示第一含水层水位（m）；H表示第二含水层 水 位（m）；H表示第二含水层初始水位（m）；M表示第二含水层厚度（m）；m表示弱透水层厚度（m）；q表示各抽水井的开采强度（m/d）；μ*表示弹性释水系数；t表示时间（d）；D 表示模拟区范围；Γ表示第一类边界。

4.4 模型识别

数值模型建立后，利用已有的地下水位观测值资料，采用试错法进行模型识别，确定水文地质参数，使得计算水位和观测水位充分拟合，满足规范要求。

由于水位动态监测孔的缺乏，难以形成平面空间水位等值线；本次模型识别仅依据位于研究区的H162岩溶水监测孔水位动态，进行数值模拟模型的识别；经过反复调参，最终得到较为理想的模型识别结果，拟合结果如图4所示，各地层水文地质参数取值，见表2所示。

图4 H162观测孔水位拟合过程线

研究区各含水层参数赋值表 表2

4.5 模拟结果

利用识别后的模型进行模拟，得到了模拟区以限采方案开采岩溶水2年末、5年末、8年末、10年末的地下水水位等值线图，见图5所示。

图5 不同开采时期岩溶水水位等值线图

5 结论与分析

根据模型模拟，得到了淮北市“压采方案”实施后开采10年期间的区域水位等值线图。对岩溶水水位等值线图进行分析，得出以下结论：

①开采2年末，限采区内岩溶水开采井群中心水位出现下降趋势，限采区外水位基本不变；

②开采5年末，随着“压采方案”的实施，限采区内开采中心水位有所回升，回升幅度在0.5m～1m之间，而限采区外的徐楼水源地水位出现下降趋势；

③开采8年末，由于水量压采幅度的增大，限采区内开采中心水位回升较快，限采区外徐楼开采点水位持续下降；

④开采10年末，“引江济淮”外调水开始作为淮北市生活用水主要水源，限采区内水位基本恢复至初始水位状态，限采区外徐楼水源地水位仍保持下降趋势，但随着区域岩溶水补给条件变好，下降速率减缓。

综上，通过地下水流数值模型预测，随着《淮水北调水源置换及地下水压采工作方案》的实施后，淮北市限采区内岩溶水水位持续回升，限采区外徐楼水源地岩溶水水位逐步下降，限采措施对区域岩溶水水位动态有较大影响，一定程度上能缓解淮北市的岩溶水超采现状。