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豐縣地下水超采區(qū)評價及壓采可行性研究

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(1.江蘇省水文水資源勘測局徐州分局， 江蘇 徐州 221006；2.江蘇東方華星工程造價咨詢有限公司， 江蘇 蘇州 215000；3.徐州市國土資源局， 江蘇 徐州 221000)

豐縣是江蘇省水資源嚴重缺乏的縣市，地下水是主要的供水水源。本文在分析豐縣地下水資源現(xiàn)狀的基礎上，采用地下水數(shù)值模擬技術對地下水超采區(qū)現(xiàn)狀進行評價，指出了地下水超采導致的一系列環(huán)境地質問題。針對豐縣地下水超采狀況，結合地下水壓采目標和方案，利用已建立的地下水評價模型對壓采效果進行評價，評價結果顯示：在地下水壓采方案下，地下水降落漏斗將得以控制和恢復，地面沉降狀況得到有效緩解。最后提出了實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用的措施建議，為地下水資源的合理開發(fā)利用提供了依據(jù)。

地下水超采； 數(shù)值模擬； 壓采； 開采方案； 豐縣

圖1 豐縣2013年年末Ⅲ承壓含水層地下水位埋深等值線

1 引 言

豐縣水資源較為匱乏，當?shù)氐乇硭Y源量偏少，加之河槽調蓄能力較低，又無過境水可以利用，長期以來，城鄉(xiāng)居民生活及絕大部分工業(yè)生產用水均依靠地下水作為供水水源，農業(yè)用水主要依靠境外調水。由于地下水開發(fā)利用程度高，開采強度大，實際開采量大于可開采量，導致地下水水位大幅度下降，深層地下水形成以豐縣城區(qū)為中心的水位降落漏斗。近幾年，隨著工農業(yè)生產的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，居民生活質量的不斷改善，需水量亦相應增加，水資源供需矛盾日益突出，供水形勢相當嚴峻[1-2]。

為了更合理開發(fā)利用地下水，預防環(huán)境地質問題的出現(xiàn)或惡化，對豐縣地下水超采開采程度進行區(qū)域上的計算和分析具有重要意義[3]。同時，開辟替代水源并盡快建成投產，逐步壓縮地下水開采量，對保障人民生活用水安全和企業(yè)生產用水所需，提高群眾生活質量，改善生態(tài)環(huán)境，預防環(huán)境地質災害，對區(qū)域水資源的開發(fā)利用，保障經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展，都具有重要的現(xiàn)實作用和深遠的意義。

2 豐縣地下水超采現(xiàn)狀

據(jù)近期統(tǒng)計資料，全縣共有400眼深井，深層地下水開采總量為4528.02萬m3/a。按開采層位統(tǒng)計，第Ⅱ承壓含水層供水井47眼，開采量150.21萬m3/a，占開采總量的3.32 %；第Ⅲ承壓含水層供水井353 眼，開采量4377.81萬m3/a，占開采總量的96.68%[2]。

根據(jù)《江蘇省地下水超采區(qū)劃分方案》，豐縣為江蘇省中型孔隙水超采區(qū)。超采區(qū)主要分布在鳳城、王溝、孫樓、宋樓、大沙河、常店及師寨等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積達420.1km2，主要超采層位為第Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，超采程度為一般，其中鳳城鎮(zhèn)為嚴重超采區(qū)，開采量占全縣開采量的27.16%，占超采區(qū)開采量的36.86%，超采量達809.77萬m3/a。實際開采量大于可開采量，造成地下水水位埋深持續(xù)下降，并形成以城區(qū)為中心的水位降落漏斗和超采區(qū)[1]。2013年末豐縣深層地下水水位埋深等值線如圖1所示，其中豐縣城區(qū)復新河西岸長觀孔2006—2013年第Ⅲ承壓含水層水位埋深變化曲線如圖2所示。

針對豐縣地下水超采現(xiàn)狀，對地下水超采區(qū)進行評價[5]，結合豐縣區(qū)域供水規(guī)劃提出地下水壓采目標和方案，并評價壓采方案下地下水資源恢復量，以指導區(qū)域地下水資源開發(fā)利用。

圖2 豐縣城區(qū)復新河西岸長觀孔2006—2013年第Ⅲ承壓含水層水位埋深變化曲線

3 地下水超采區(qū)評價數(shù)值模擬研究

3.1 豐縣地質與水文地質概況

豐縣位于江蘇省西北部，行政區(qū)域上隸屬徐州市，東鄰本省沛縣及銅山區(qū)，西、北分別與山東省單縣、魚臺縣接壤，南與安徽省蕭縣、碭山縣交界。新生界上第三系(N)分布廣泛，第四系(Q)幾乎覆蓋全區(qū)，并伏于不同時代的老地層之上。基底為第三系(E)以前的基巖。第四系發(fā)育有下更新統(tǒng)砂、砂礫與含礫泥質粉土或含礫粉質黏土，夾粉質黏土；中、上更新統(tǒng)含鈣、鐵、錳質結核粉質黏土，夾薄層狀、透鏡狀泥質粉土以及中、細粉砂；全新統(tǒng)粉土、粉砂，夾粉質黏土薄層，局部地段夾薄層細砂或透鏡體等。

區(qū)內第四系松散巖類孔隙含水層分布廣，主要含水層可分為[4]：

a.全新統(tǒng)潛水含水層(微承壓水)：全新統(tǒng)在全縣廣泛分布，成因以黃泛沖積為主，東北部兼有湖沼相沉積，單井涌水量小于10m3/d，富水性較弱，該含水層僅適宜小型的分散淺井開采。

b.中、上更新統(tǒng)孔隙含水層(Ⅰ承壓水+Ⅱ承壓水)：由于上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)兩個孔隙含水層中的地下水化學特征大致一體，而且含氧量都大于1.0mg/L，不宜直接作為生活供水水源，故合并論述。該含水層組全縣皆廣布并為全新統(tǒng)所覆蓋，含水層厚度亦自東、東北部向西、西南逐漸增厚。單井涌水量孫樓—宋樓—李寨在500～1000m3/d，其余地段多大于1000m3/d，屬中等或富水性好的含水層。

c.下更新統(tǒng)孔隙含水層(Ⅲ承壓水)：該孔隙含水層除在華山附近局部地段缺失外，其他地區(qū)皆有分布，并埋藏于中、上更新統(tǒng)之下，底板之下地層為下第三系。該含水層在東部歡口—華山—范樓等地厚150～200m，向西增厚至300m以上。單井涌水量除華山附近100～1000m3/d較小外，其他各鎮(zhèn)均大于1000m3/d，按含水層富水性等級標準，屬富水性中等或較好的含水層。

地層及含水層分布見圖3。

圖3 地層及含水層分布

3.2 區(qū)域水文地質條件概化

a.含水層的概化。根據(jù)以上水文地質條件分析計算，區(qū)域含水系統(tǒng)可分為第四系松散沉積物潛水含水層、上更新統(tǒng)第Ⅰ承壓含水層、中更新統(tǒng)第Ⅱ承壓含水層、下更新統(tǒng)和第三系第Ⅲ承壓含水層，各含水層之間存在相對穩(wěn)定的隔水層。本項目的開采層位為下更新統(tǒng)和第三系承壓含水層，為此第Ⅲ承壓含水層是本次建模研究的重點含水層。

b.邊界條件的概化。地下水均由超采區(qū)四周流向超采區(qū)中心，超采區(qū)邊界可處理為第二類流量邊界。大氣降雨入滲、地下水側向徑流補給是承壓水的主要補給來源。同時認為開采、局部淺埋區(qū)的蒸發(fā)是地下水的主要排泄方式。由于該區(qū)域上、下均有較好的隔水層阻隔，暫不考慮越流補給因素。下部為第三系基巖地層，為隔水邊界。

c.含水層的水力特征。計算區(qū)內部結構為非均質各向同性承壓含水層。區(qū)內地下水逐年下降，水流為非穩(wěn)定狀態(tài)，水流運動符合達西定律，區(qū)內水流運動形式概化為平面二維流。

3.3 數(shù)學模型

基于區(qū)域水文地質條件的概化，構建非均質各向同性平面二維流數(shù)學模型。

H(x,y,0)=H0(x,y)

式中Kx、Ky——主坐標軸方向多孔介質的滲透系數(shù)，m/d；

H——水頭，m；

H0——初始水位，m；

W——單位體積垂向流量，用以表示源匯項；

μS——多孔介質的彈性儲水率或釋水率，m-1；

t——時間，d；

Γ2——流量邊界；

q——二類邊界單寬流量，m3/(d·m)。

以上偏微分方程分別為承壓含水層的數(shù)學模型、初始條件和二類邊界條件，共同組成定解問題，在給定源匯項后即可進行計算。

3.4 數(shù)值建模

研究區(qū)地下水數(shù)值模型采用GMS7.1軟件構建[6-9]。

a.網(wǎng)格剖分。建立地下水滲流的概念模型和數(shù)學模型之后，要對滲流區(qū)進行離散化(剖分)。將復雜的滲流問題處理成在剖分單元內簡單的、規(guī)則的滲流問題。模型采用100m×100m的網(wǎng)格將模擬區(qū)平面剖分為822960個網(wǎng)格，共349752個有效單元。

b.初始參數(shù)賦值。結合《豐縣地下水資源調查評價報告》，滲透系數(shù)的參考值為：中上更新統(tǒng)孔隙含水層為4.5～12.0m/d，下更新統(tǒng)及上第三系孔隙含水層為6.7～7.5m/d。結合模擬區(qū)域內復新河、白衣河、苗成河等河道水系形成的局部流域地塊，對模擬區(qū)進行滲透系數(shù)分區(qū)，并利用GMS軟件PEST模塊反求各分區(qū)的滲透系數(shù) 。

垂向滲透系數(shù)、儲水系數(shù)和降水入滲系數(shù)取用《豐縣地下水資源調查評價報告》中的推薦值，即全新統(tǒng)與中上更新統(tǒng)之間相對隔水層為0.000055～0.00025m/d，中上更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)及上第三系之間相對隔水層為0.00005～0.00009m/d；中上更新統(tǒng)孔隙含水層儲水系數(shù)為0.00015～0.01， 下更新統(tǒng)及上第三系孔隙含水層儲水系數(shù)為0.00125～0.0085；降水入滲系數(shù)為0.23～0.24。

c.模擬時間及離散。模擬時間分為模型識別時段、模型校驗時段和模擬預測時段。根據(jù)地下水監(jiān)測資料，選取2013年1月1日至12月31日為模型識別時段；選擇2014年1月1日至12月31日為模型校驗時段。

d.模型校正與檢驗。結合區(qū)域長觀井2013年1月1日—12月31日地下水觀測數(shù)據(jù)，半個月為一個時段，通過調整模型各分區(qū)水文地質參數(shù)值，識別地下水流模型。本模擬通過人工調參和PEST模塊自動調參相結合的方式，比較各監(jiān)測井輸出結果與該井實測值，選出與各監(jiān)測井地下水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)最為符合的模擬結果，此時的水文地質參數(shù)就是反求的最理想的水文地質參數(shù)。各觀測井水位數(shù)據(jù)擬合結果如圖4所示，即為監(jiān)測井2013年1月1日—12月31日的實測地下水位動態(tài)變化與建立的模型模擬的地下水位動態(tài)變化比較。從圖中可以看出，觀測井地下水位的模擬值與實測值的擬合誤差應小于擬合計算期間水位變化值的10%，分析區(qū)域內觀測值水位變化數(shù)據(jù)的結果可知，水位計算誤差小于1m，可滿足計算要求。

為進一步驗證所建立的數(shù)學模型和模型參數(shù)的可靠性，結合長觀井2014年1月1日—12月31日地下水觀測數(shù)據(jù)，半個月為一個時段，對模型進行檢驗。模型檢驗結果如圖5所示，即為監(jiān)測井2014年1月1日—12月31日的實測地下水位動態(tài)變化與建立的模型模擬的地下水位動態(tài)變化比較。模型識別和檢驗結果表明，所建立的數(shù)學模型、邊界條件、水文地質參數(shù)的確定比較符合實際，該模型可以用于下一步的模擬預測。

圖4 模型校正期間水位實測值與模擬值對比

圖5 模型檢驗期間水位實測值與模擬值對比

4 壓采方案及評價

4.1 壓采目標及方案

豐縣區(qū)域供水規(guī)劃(2011—2020年)中，綜合考慮城市人口與用水量水平、工業(yè)發(fā)展水平與產業(yè)結構特點，最終確定2015年需水量為15萬m3/d，2016年需水量為17萬m3/d，2017年需水量為19萬m3/d，2018年需水量為21萬m3/d，2019年需水量為23萬m3/d，2020年需水量為25萬m3/d。根據(jù)豐縣水資源的特點，結合南水北調的契機，規(guī)劃重點開發(fā)地表水資源，控制和減少深層地下水開采量，適度開采淺層孔隙潛水，并積極利用再生水和雨水。

根據(jù)《豐縣地下水壓采方案》，至2020年壓采地下水3392.15萬m3。為保障地下水壓采順利進行，替代水源能否順利建成供水是關鍵。為了實現(xiàn)壓采目標，依據(jù)“三先三后”原則，即先超采區(qū)后非超采區(qū)、先管網(wǎng)到達區(qū)后非到達區(qū)、先城區(qū)后非城區(qū)，逐年開展地下水壓采封井工作。具體方案是：

a. 2015—2016年，對位于地下水嚴重超采區(qū)鳳城鎮(zhèn)轄區(qū)范圍內的，因水井損壞、水質污染或水質超標等原因不適宜繼續(xù)使用的55眼供水井實施永久填埋，可壓采地下水238.16萬m3/a。

b. 2017年對豐縣自來水公司供水井實施封存?zhèn)溆茫蓧翰傻叵滤?10萬m3/a。

c. 2018年對豐縣地下水嚴重超采區(qū)鳳城鎮(zhèn)轄區(qū)范圍內的工業(yè)自備水源井，機關、學校、醫(yī)院等單位的自備水源井，鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水公司井實施封存?zhèn)溆茫蓧翰傻叵滤?938.71萬m3/a。

d. 2019—2020年，對王溝、孫樓、宋樓、大沙河、常店、師寨等鎮(zhèn)位于地下水一般超采區(qū)的企事業(yè)單位自備水源井實施封存?zhèn)溆?，可壓采地下?05.28萬m3/a。

4.2 壓采效果評價

基于3.4節(jié)校正的非穩(wěn)定流模型，以2014年末地下水流為初始狀態(tài)，選擇2015年1月1日—2020年12月31日為模擬預測時段，每個模擬時期均設置時間步長為半個月，依據(jù)壓采方案逐年設置地下水開采條件，模擬預測至2020年末超采區(qū)地下水流態(tài)。

預測結果顯示(見圖6)，采用以上壓采方案，豐縣地下水降落漏斗得以控制和恢復，2015年初漏斗中心處地下水位為-13m，2015—2020各年年末漏斗中心處地下水位為-11.9m、-8.9m，-7.5m、-5.6m、-4.0m和-2.6m，地下水位中心處水位回升近10m，恢復地下水資源量達850萬m3。

圖6 地層及含水層分布

5 結 語

a.豐縣地區(qū)地表水資源匱乏，社會經(jīng)濟建設特別是居民生活用水對地下水資源依賴嚴重。地下水的壓采有利于水位、水量的恢復。根據(jù)地下水評價模型，在本區(qū)域實行地下水壓采后，區(qū)域地下漏斗中心水位回升近10m，恢復地下水資源量達850萬m3。

b.地下水的過度開采造成縣城及周邊地區(qū)122.5km2范圍內出現(xiàn)地面沉降，累計沉降量200～300mm，其中縣城年沉降速率大于10mm/a，近年來沉降速率達到了20mm/a。根據(jù)蘇錫常地區(qū)地下水超采區(qū)治理經(jīng)驗，在地下水限采、禁采后地面沉降速率逐年減緩，由30～80mm/a降至5mm/a以下，成效非常顯著[10]。本區(qū)域地下水壓采實施后將有效減緩地面沉降速率。

c.加快豐縣地區(qū)地表水廠建設，通過地下水壓采工程的逐步實施，地下水超采、地下水水位大幅度下降的狀況將得到有效遏制，地下水水位得到逐步回升。水行政主管部門應通過行政、法律、經(jīng)濟、科技及宣傳教育等各種措施[11]，加強對地下水開采量、水位、水質及地面沉降跟蹤監(jiān)測，嚴格地下水開發(fā)利用管理，逐步減少地下水開采量，減輕地下水過度開采對地質環(huán)境的不利影響，對改善生態(tài)環(huán)境、預防發(fā)生環(huán)境地質災害以及保護地下水環(huán)境將具有積極的意義。

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EvaluationongroundwateroverexploitationdistrictinFengxianCountyandresearchonpressureproductionfeasibility

CAO Jiuli1, LU Qinghua2, SHI Saisai3

(1.JiangsuHydrologyandWaterResourcesSurveyBureauXuzhouBranch,Xuzhou221006,China; 2.JiangsuDongfangHuaxingEngineeringCostConsultationCo.,Ltd.,Suzhou215000,China; 3.XuzhouMunicipalBureauofLandandResources,Xuzhou221000,China)

Fengxian County is a county with severe water deficiency in Jiangsu Province. Groundwater is the main source of water supply. In the paper, groundwater numerical simulation technology is adopted for evaluating the status of groundwater over exploitation area on the basis of analyzing water resources status in Fengxian County. A series of environmental geological problems caused by groundwater over exploitation are pointed out. Groundwater pressure production objectives and plans are combined, the established groundwater evaluation model is utilized for evaluating the pressure production effect in view of groundwater over exploitation condition in Fengxian County. The evaluation result shows that groundwater cone of depression will be controlled and restored under the groundwater pressure production plan. The ground settlement is effectively alleviated. Finally, measures and suggestions to realize sustainable utilization of groundwater resources are proposed, thereby providing basis for rational development and utilization of groundwater resources.

groundwater over exploitation; numerical simulation; pressure production; exploitation plan; Fengxian County

TV213

：A

：2096-0131(2017)09-0024-06

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.09.007