基于GMS的潮白河流域三河段地下水数值模拟

赵 飞,岳 庆,赵萌阳

(华北地质勘查局 综合普查大队,河北 廊坊 065201)

三河市位于华北平原东北部,京津两大城市之间。人均水资源占有量远低于国际公认的水资源极度紧缺标准(500 m3),为典型的资源性缺水地区。为确保区域经济发展,在地表水资源紧缺的情况下,靠大量、大范围超采地下水,靠挤占农业用水来发展工业,造成了一系列的生态问题[1-2]。该地区经过多年的地下水开采,已形成多处常年性的降落漏斗[3-4]。为了更好地对当地水资源进行合理的开发和利用,华北地质勘查局综合普查大队于2016年收集了研究区内15眼浅水井的水文地质资料,采用Groundwater Modeling System软件,建立了三河市潮白河流域三维地下水流场数值模拟模型[5-11],为了确保地下水资源的可持续利用,并且能够最大程度地满足三河市城市发展的需要,本研究进一步对水均衡进行分析,最终预测了2017年10月—2025年10月研究区地下水位动态变化情况。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于三河市以西,廊坊市“北三县”西北角。东距三河市中心区25 km,西距天安门36.7 km,西北距首都机场25 km,西南距廊坊市中心区55 km,区内交通便利。研究区位于燕山西段山麓丘陵与山前冲洪积平原的交接地带[12]。总体地势北高南低,平均海拔高程5.9~31.9 m(黄海标准),地面自然坡降1/1 500左右。可划分两个地貌单元,分别为新构造断块山地与丘陵和山前冲洪积平原。本区属暖温带大陆性季风气候,冬春受西北干冷气流控制,多风少雨雪,气候干燥寒冷,夏季和初秋受东南暖温气流控制,炎热多雨,形成降雨比较集中的季节,一般集中在6月—9月,降雨量占85%以上。秋季凉爽短促,多年平均气温11.1 ℃,极端气温是-25~40.2 ℃。多年平均降水量617.4 mm,蒸发量1 681.9 mm,相对湿度平均为58%。区内潮白河属海河流域蓟运河水系,贯穿北京市、天津市和河北省三省市。

1.2 地质背景

研究区位于中朝准地台、华北断拗、冀中台陷的次级构造单元大兴断凸[13]。研究区内及周边断裂有通州南苑断裂、礼贤断裂、夏垫断裂、大兴断裂[14]。通州南苑断裂位于研究区以东,穿过香河县双营,整体走向北向东80°;礼贤断裂位于中部,该断裂北起高楼以北,往南经燕郊、张家湾、李贤至固安附近,总体走向北东30°,李贤至固安一段走向变为35°~40°,倾向南东,倾角50°,全长80多千米;夏垫断裂位于研究区以东,该断裂走向40°~50°,倾向SE,倾角为50°~70°,全长24 km,是大厂第四纪凹陷和通县—大兴凸起两个新构造单元的边界断裂[15-16];大兴断裂又称固安断裂,是大兴凸起与廊坊—固安凹陷的分界线,全长80多千米,总体呈“S”形,南北段走向NNE,中间段走向NEE,倾向SE[17]。

1.3 含水层结构

研究区内地下主要含水层为第四系冲洪积砂层、砂卵砾石孔隙含水层;寒武奥陶系碳酸盐岩地层岩溶含水层;中上元古界蓟县系、青白口系钙镁碳酸盐岩地层岩溶裂隙含水层。全区除孤山地区为山地丘陵岩溶裂隙含水层,其余地区为大兴凸起上覆冲洪积砂层及下伏基岩岩溶裂隙含水层。

区内第四系地下含水层可细分为2层,100 m以内的地下水主要用于农业灌溉,100 m以下的地下水主要用于生活饮用及工业生产。本次工作将100 m以上的第四系地下水称为浅层地下水,将100 m以下的第四系地下水称为深层地下水。浅层地下水为潜水和浅层承压水,其含水层以细砂为主,其次为中砂、粗砂,局部地区含砾石。含水层一般有5~8层,累计厚度30~50 m。深层地下水含水层主要由细砂、中砂和粉砂组成,中粗砂较少,含水层累计厚度在50 m左右,是区内工业井和部分生活井的主要开采层[18]。

1.4 地下水的补、径、排条件

研究区地下水补给方式主要有:(1)大气降水入渗。作为区内地下水的主要补给来源,大气降水通过区内松散沉积物的孔隙及山区岩石的裂隙、溶隙、溶洞等直接渗入地下。(2)地表水渗漏、农田灌溉回归水的渗入及山前地带的山区基岩水侧向径流补给。其入渗条件和入渗量的大小与包气带岩性、地下水埋深、地形等因素关系密切,研究区包气带主要由粘性土及沿河道砂带组成,水平径流条件差,以垂直入渗为主。区内大部地下水主要消耗于人工开采,仅南部地区存在测向径流。

2 地下水数值模型建立

根据研究区水文地质条件,并结合地下水观测资料及地下水开采情况等,将研究区概化为非均质各向同性的三维非稳定地下水流系统。

本次计算的目的含水层包括浅层含水层、弱透水层和深层含水层。

浅层含水层,即潜水含水层,平均厚约60 m,由粘土、亚粘土、亚粘土夹砂土、细砂、中砂、粗砂等多种地层构成,渗透性较弱(K=2~20 m/d);弱透水层,即越流层,平均厚约20 m,主要由粘土和亚粘土夹亚砂土构成,渗透性差;深层含水层,即承压含水层,平均厚约60 m,主要以中粗砂为主,含少量夹粘土、亚粘土层,渗透性较强(K=20~100 m/d)。

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 边界条件

研究区周边无自然地质边界,并非独立的水文地质单元,其地下水系统与周边区域的地下水联系密切。

浅层含水层顶部接受降雨入渗补给、灌溉入渗补给、河道渗漏补给和蒸发排泄,经综合分析后,上部边界处理为入渗补给边界。潮白河上游虽已断流多年,但河道内仍有少量积水及常年流水,部分点段与地下水水力联系密切,概化为已知水头的一类边界。其余侧向边界多为流入或流出边界,概化为已知流量的二类边界或隔水边界。浅层含水层底部为弱透水层,概化为越流边界。区内孤山有岩溶裂隙水,水位较高不断补给第四系孔隙水,视为定流量边界。

弱透水层上下为越流边界,侧向边界概化为隔水边界。

深层含水层顶部为弱透水层,即越流边界,底部为隔水边界,侧向边界概化为定流量边界,边界条件见图1。

2.1.2 水文地质参数分区

根据工作区的土地利用类型和灌溉区分布,将入渗补给划分为4个区,降雨入渗补给分区见图2。

图1 模型边界条件

根据研究区抽水试验成果、地层岩性和地形地貌等特征,将浅层含水层划分为14分区,弱透水层的渗透系数场分为6个分区;由于深层含水层缺乏相关调查资料和观测井数据等,为简化模型突出对浅层含水层的工作,深层含水层的只划分1个分区,渗透系数分区见图3。

2.2 地下水流数值模型

2.2.1 数学模型

研究区根据所建立的水文地质概念模型及地下水位动态情况等,将研究区概化为垂向运动较弱、水平方向占主导的三维非稳定地下水流系统。

2.2.2 网格剖分

计算区面积105 km2,均匀剖分为3层100 m×100 m的有限差分网格,其中每层活动单元格10 618个,有效网格总数31 854个。调查区地下水系统有限差分网格剖分平面示意图如图4所示。

图2 降雨入渗补给分区示意图

图3 渗透系数分区示意图

图4 调查区地下水系统有限差分网格剖分平面示意图

2.2.3 模型识别与均衡计算

2.2.3.1 模型识别

本次模型采用2016年10月15个水位观测井的水位观测数据,对模型进行识别。浅层含水层的识别主要采用GMS的PEST模块进行,弱透水层和深层含水层的识别根据以往地质、水文地质资料及经验法进行。

研究区内选取15个观测孔进行识别,实测水位与计算值相当且算数绝对值均小于1 m,观测孔水位拟合见图5,模型校正的精度符合工作要求。

2.2.3.2 均衡计算

将研究区作为一个均衡区,地下水系统源汇项水量统计及均衡计算结果见表1。由表1可知,深层含水层的主要补给来源为越流补给,浅层含水层对深层含水层的越流补给量达56 867.30 m3/d,越流排泄也是浅层含水层的主要排泄途径。

图5 观测孔水位拟合

表1 源汇项水量总表 m3/d

3 地下水水位发展趋势预测

随着研究区人口数量的继续增长,其在生活用水和工农业用水方面的需求也将持续增加。根据以往的生活用水及工农业用水量资料,假设研究区未来每年地下水的需求量增加1%,降雨入渗量保持不变,以2016年10月地下水流数值模型为基准,构建2016年10月—2025年10月的研究区非稳定流模型。通过模拟预测可以得到2017年10月—2025年10月研究区内地下水位降深情况,水位观测点处水位降深模拟结果见图6。研究区内2017年10月、2019年10月、2021年10月、2023年10月、2025年10月地下水位动态变化情况见图7。

图6 水位降深模拟结果

图7 研究区2017年10月—2025年10月水位动态变化预测示意图

通过水位动态模拟结果可知,从2017年开始,随着城市经济的高速发展,工农业生产用水增加,地下水流场发生较明显的变化,水位降深漏斗的位置也随着地下水开采的变化而变化。深层地下水流场与浅层地下水流场的变化规律一致,在15个水位观测点处年水位降深最小0.2 m,最大2.15 m,平均0.93 m。随着每年增幅为1%的地下水开采情况下,地下水位普遍下降,并会新增或加剧原有的地下水降落漏斗。其中,浅层含水层中部地下水降落漏斗会逐步向四周扩大,漏斗中心水位降深将达到12.92 m,东南部水位降深最小值为2.13 m。深层含水层水位降深平均为11.86 m,在研究区中部同样产生降落漏斗,中心水位降深将达到12.72 m。

研究区降落漏斗位于燕郊高新区中心城区,若每年地下水开采量的增幅大于1%,则每年地下水水位下降的速度将会更快。地下水位持续下降将引起地面沉降、水质恶化和水资源枯竭等多种问题。

4 结论

本研究运用GMS软件建立了潮白河流域三河段地下水数值模型,经过识别与验证,模型的可信度较高,并计算出浅层含水层总补给量为68 928.82 m3/d,总排泄量为68 928.87 m3/d,均衡差为0.045 3 m3/d;深层含水层总补给量为65 469.64 m3/d,总排泄量为65 469.91 m3/d,均衡差为0.266 0 m3/d;最后通过模型预测出每年地下水开采量的增幅为1%时,2016年10月—2025年10月地下水位普遍下降,并会新增或加剧原有的地下水降落漏斗。浅层含水层降落漏斗会逐步向四周扩大,漏斗中心水位降深将达到12.92 m。深层将新增含水层产生降落漏斗,中心水位降深将达到12.72 m。

由于研究区面积较大,本次模型的建立与预测过程中缺乏长期的水位观测资料,建议合理开采地下水,严格控制地下水的开采量,并适当增加地下水位监测点。