馮琳偉，高 亮

(1.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016；2.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450000)

GMS地下水模擬系統(tǒng)用于水流模擬、溶質(zhì)運(yùn)移模擬和反應(yīng)運(yùn)移模擬，因其良好的使用界面、強(qiáng)大的前后處理功能及優(yōu)良的三維可視化效果，成為國(guó)際上最受歡迎的地下水模擬軟件[1-2]。本次模擬用到的MODFLOW模塊是使用最廣泛的三維地下水水流模型，采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬孔隙介質(zhì)地下水流動(dòng)，評(píng)價(jià)對(duì)非均質(zhì)和復(fù)雜邊界條件的水流系統(tǒng)的影響[3-4]。水源地?cái)?shù)值模擬采用概念化方式建立水文地質(zhì)概念模型，通過(guò)建立水文地質(zhì)概念模型、建立數(shù)學(xué)模型、求解數(shù)學(xué)模型、模型識(shí)別以及模型預(yù)測(cè)等幾個(gè)步驟，計(jì)算水源地在規(guī)劃開采條件下的補(bǔ)給量與排泄量，判定數(shù)值法確定允許開采量結(jié)果的可靠性，評(píng)價(jià)御壩水源地的可開采資源量。

1 水文地質(zhì)條件

御壩水源地位于武陟縣南部沁河故河道沖積平原上，根據(jù)1:2.5萬(wàn)水文地質(zhì)測(cè)繪和256點(diǎn)10條剖面物探以及4孔600 m鉆探成果[5]，研究區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水分為三個(gè)含水層組，即淺層含水層組(Qhal+Qp3al)，中深層含水層組(Qp2al)，深層含水層組(Qp1al-l+N)，各含水層組富含地下水相應(yīng)為淺層水、中深層水、深層水，本次研究?jī)H涉及中深層地下水。中深層含水層組埋藏于地表下65～160 m深度，由中更新組(Qp2)地層組成，底板埋深150.0～160.0 m，含水介質(zhì)主要為粗砂、中粗砂、中砂層，厚度在68.0～85.0 m之間，70～150 m深度分布有2～4層厚度為60 m的中砂，125～145 m深度分布有厚度為8 m的礫石層。水源地勘探孔15 m降深單井涌水量為4 936.2 m3/d，滲透系數(shù)18.0 m/d，屬于極強(qiáng)富水性區(qū)。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 模型概化

邊界條件南部以黃河為界，北至武陟縣城北邊界，西至縣城西邊界至后陽(yáng)城一帶，東至湯王堤至李莊一帶；結(jié)合203點(diǎn)次的地下水水位統(tǒng)一調(diào)查結(jié)果，設(shè)定模型南邊界為補(bǔ)給邊界，北邊界以排泄為主，參照論證區(qū)多年平均流場(chǎng)圖，將東部和西部邊界定為隔水邊界，考慮到地下水開采可能會(huì)影響北邊界的流出，將研究區(qū)北邊界處理成GHB(通用水頭邊界)[6-8]。模型剖分上層為淺層含水層模擬層，下層為中深層含水層模擬層，每層活動(dòng)單元數(shù)為886個(gè)。垂向結(jié)構(gòu)概化因研究區(qū)內(nèi)淺層含水層與中深層含水層之間存在越流聯(lián)系，垂向上劃分為淺層孔隙含水層組(60 m以淺)和中深層孔隙含水層組(65～150 m)，中深層底板為較厚粘土層，概化為隔水邊界，與概念模型下部無(wú)水力聯(lián)系；淺層含水層與中深層含水層兩含水層組之間通過(guò)越流交換物質(zhì)和能量，越流量由兩含水層之間的弱透水層的越流系數(shù)及量含水層水位差決定。

2.2 水文地質(zhì)系數(shù)

利用11孔中深層井和7孔淺層井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求取滲透系數(shù)，通過(guò)2組抽水孔和觀測(cè)孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求取滲透系數(shù)、導(dǎo)壓系數(shù)與越流系數(shù)，利用2口抽水孔和1口觀測(cè)孔群孔抽水試驗(yàn)求取滲透系數(shù)、導(dǎo)壓系數(shù)。通過(guò)分析，滲透參數(shù)由群抽試驗(yàn)采用無(wú)越流的theis(配線)法和cooper & jacob(直線解析)法及有越流的hantush(漢圖什)配線法，采用aquifertest軟件分析計(jì)算取得：導(dǎo)水系數(shù)取884.0 m2/d、滲透系數(shù)取18.0 m/d、主含水層彈性釋水系數(shù)取0.001 3、越流層彈性釋水系數(shù)取0.000 032 1、越流系數(shù)取0.000 8。降水入滲依據(jù)月降雨資料和灌溉量計(jì)算降水入滲強(qiáng)度和灌溉回滲強(qiáng)度，側(cè)向徑流補(bǔ)給采用斷面法分段計(jì)算，以線狀流量方式導(dǎo)入模擬調(diào)試,人工開采量根據(jù)調(diào)查采用well模塊處理,側(cè)向徑流排泄量采用通用水頭邊界(GHB)模塊處理。

2.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)前期勘察水位動(dòng)態(tài)變化資料，選取2017年3月—2017年12月為模型模擬期及驗(yàn)證期，并選取地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔水務(wù)公司SG1、馮村SG2、東小莊SG3觀測(cè)孔數(shù)據(jù)進(jìn)行水位動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬(見圖1—4)。動(dòng)態(tài)擬合結(jié)果表明，各觀測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)段的計(jì)算水位與觀測(cè)水位擬合程度都比較高，反應(yīng)了模型在水位隨時(shí)間變化的模擬比較準(zhǔn)確。中深層含水層實(shí)測(cè)流場(chǎng)和模擬流場(chǎng)的比較結(jié)果顯示，各個(gè)時(shí)段的水位擬合絕對(duì)誤差小于1 m，更清楚地反映出模擬模型與實(shí)際地下水系統(tǒng)在空間上的吻合，已建立的中深層地下水流數(shù)值模型基本能反應(yīng)模擬區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件。

圖1 驗(yàn)證期末(2017年12月)流場(chǎng)擬合圖

圖2 水務(wù)公司SG1觀測(cè)孔擬合過(guò)程曲線

圖3 馮村SG2觀測(cè)孔擬合過(guò)程曲線

圖4 東小莊SG3觀測(cè)孔擬合過(guò)程曲線

3 地下水資源評(píng)價(jià)

3.1 定解條件

(1)初始條件

根據(jù)實(shí)測(cè)2017年3月中深層地下水水位流場(chǎng)，并賦值數(shù)學(xué)模型，作為驗(yàn)證期初始流場(chǎng)。

(2)邊界條件

根據(jù)概念模型邊界概化，將各邊界條件、開采現(xiàn)狀及參數(shù)分區(qū)分別賦值，生成勘察區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)值模型。南邊界及北邊界通用水頭及流量根據(jù)2017年3月實(shí)測(cè)水力坡度及水頭計(jì)算賦值；開采量根據(jù)2017年3月調(diào)查開采現(xiàn)狀，以點(diǎn)狀井的形式賦值；越流量根據(jù)賦值的淺層地下水位與中深層水位差及越流系數(shù)由模型自動(dòng)計(jì)算；相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)初始值采用水文地質(zhì)試驗(yàn)及收集資料數(shù)據(jù)賦值。

3.2 水源地開采條件下水位流場(chǎng)預(yù)測(cè)

水源井群呈梅花狀分布，采用井群集中供水方式，設(shè)150 m井22眼，常用開采井8眼，備用井14眼，井間距400 m，整體呈帶狀展布于沁河大堤外側(cè)500 m，常用井及備用井集中間隔布置。水源地常用井及備用井年總開采量781.4 萬(wàn)m3/a，因常用井與備用井循環(huán)輪換開采，本次水位預(yù)測(cè)采用的22眼單井開采量均選用單井日均開采量973.1 m3/d。以驗(yàn)證期末2017年12月流場(chǎng)及邊界條件作為預(yù)測(cè)期模型初始條件，將水源地22眼開采井及相應(yīng)開采量導(dǎo)入數(shù)值模型，設(shè)預(yù)測(cè)期20 a，中深層地下水位流場(chǎng)變化預(yù)測(cè)結(jié)果(見圖5)。

圖5 水源地開采20 a后流場(chǎng)預(yù)測(cè)圖

3.3 開采資源量評(píng)價(jià)

根據(jù)本次模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，擬建水源地開采后，中深層地下水最大穩(wěn)定水位降深5.0 m，水位高程77.5 m，遠(yuǎn)高于中深層含水層頂板標(biāo)高31.0 m，尚有46.5 m的安全距離，取水安全可靠。另外由中心井水位降深值隨時(shí)間變化曲線可以看出，水源地開采后水位很快趨于穩(wěn)定，并隨著開采時(shí)間的增加，水位下降速度逐漸變慢，5 a以后地下水水位基本穩(wěn)定，補(bǔ)、排達(dá)到新的平衡，所以擬建水源地年開采總量781.4 萬(wàn)m3/a水量有保證。

4 均衡法評(píng)價(jià)地下水允許開采量

均衡法可用于地下水可開采量計(jì)算，評(píng)價(jià)水源地影響范圍內(nèi)地下水補(bǔ)給和排泄量之間的數(shù)量對(duì)比關(guān)系。開采條件下漏斗均衡范圍內(nèi)補(bǔ)給項(xiàng)包括越流補(bǔ)給及漏斗邊界側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄項(xiàng)包括現(xiàn)狀開采排泄。設(shè)計(jì)開采年限為20 a，根據(jù)水文地質(zhì)條件及取水層頂板深度，設(shè)計(jì)最大允許降深30 m，開采年限內(nèi)開采井降深應(yīng)小于設(shè)計(jì)降深。

(1)

式中：Q允—含水層允許開采量，m3/d

Q補(bǔ)—含水層補(bǔ)給量，m3/d；

Q排—含水層排泄量，m3/d；μ*—貯水系數(shù)；

F—均衡區(qū)面積，km2；

Δt—均衡時(shí)間段長(zhǎng)，取20 a；

ΔH—與Δt對(duì)應(yīng)的水位變幅，m，根據(jù)水文地質(zhì)條件，最大允許降深取30 m。

開采條件下水源地漏斗區(qū)范圍內(nèi)總補(bǔ)給量為2.40 萬(wàn)m3/d，其中徑流補(bǔ)給量1.94 萬(wàn)m3/d，越流補(bǔ)給量為0.60萬(wàn)m3/d；現(xiàn)狀排泄量主要為農(nóng)村安全飲水工程井，開采量為0.40萬(wàn)m3/d，動(dòng)用彈性儲(chǔ)存量為0.04萬(wàn)m3/d，計(jì)算地下水允許開采量為2.18萬(wàn)m3/d。擬建水源地日均開采量2.14萬(wàn)m3/d，可以滿足20 a需求，水量有保證。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)御壩水源地勘察數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用GMS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，開采目的層中更新統(tǒng)(Qp2)地層含水層組中孔隙水含水巖組可開采資源量為2.14萬(wàn)m3/d是有保證的，使用模型預(yù)測(cè)水源地滿負(fù)荷開采20 a時(shí)，通過(guò)均衡法和數(shù)值模擬法評(píng)價(jià)了地下水允許開采量，印證了水源地開采方案的可行性。