張 勝 劉春平 孫 磊

（華北地質勘查局五一九大隊）

保定市一畝泉地下水飲用水源保護區(qū)水文地質條件、防護條件及周邊環(huán)境發(fā)生了較大變化，部分地段已不具備水源地保護條件，飲用水水質安全受到威脅。同時擬在原有供水對象的基礎上，增加滿城區(qū)的應急備用需水量，因此，需要對一畝泉水源地地下水資源量進行評價，對水源地運行下的地下水水位及流場進行預測。

1 水源地概況

一畝泉水源地位于保定市競秀區(qū)與滿城區(qū)交界一帶。水源地跨漕河、界河沖洪積扇水文地質區(qū)，主體位于界河沖洪積扇［1］。水源地開采層為第二含水巖組，含水層呈層狀分布，底板埋深為80～100 m，有4～7 個含水層，單層厚度一般為2～8 m，含水層總厚度為25～35 m。含水層巖性以粗砂含礫石、卵石為主，局部少量卵礫石，底部偶見砂礫石卵石層膠結。界河洪積扇主體部分強富水，單位涌水量大于100 m3/（h·m），含水層滲透系數(shù)為60～150 m/d；基底局部隆起地帶含水層富水性較差，單位涌水量為20～50 m3/（h·m），滲透系數(shù)小于50 m/d。因多年的開采，地下水水位降至隔水頂板以下或接近隔水頂部底部，具有承壓水結構類型、潛水特征地下水類型特點［2-3］。

2 地下水數(shù)值模型的建立

2.1 研究區(qū)范圍

研究區(qū)位于漕河、界河沖洪積扇及沖洪積扇平原區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)各含水層的空間分布及地下水流場特征，確定地下水資源評價的范圍，西部邊界以松散巖類孔隙水與碳酸鹽巖類巖溶裂隙水分區(qū)界線為界，北部邊界以漕河為界，西南邊界以界河為界，東部及南部邊界結合含水層富水性分區(qū)界線為界。南北長約15.3 km，東西長約18.4 km，面積為167.64 km2。

2.2 含水層概化

研究區(qū)地下水系統(tǒng)為多層結構，含水層之間水力聯(lián)系密切。垂向上，由于第一含水層空間上不連續(xù)，呈透鏡體分布，且已疏干，不具備供水意義，將第一含水巖組與第二含水巖組概化為淺層含水層（底板埋深60～120 m），將第三含水巖組（底板埋深150～200 m）概化為深層含水層。淺層含水層與深層含水層間分布有空間上連續(xù)穩(wěn)定、厚度約20 m 的黏土層，為弱透水層。淺層含水層與深層含水層沒有明顯水力聯(lián)系。淺層含水層為本次研究的目標層。

2.3 邊界條件概化

垂向邊界：含水層頂部邊界為潛水面，接受大氣降水入滲補給，概化為入滲補給邊界。深層含水層底部邊界為第三含水層底部分布的厚度較大、致密、隔水性強的黏土層，為隔水邊界。

側向邊界：根據(jù)2020 年6 月地下水流場圖及地下水流方向（圖1），將研究區(qū)含水層邊界均概化為第二類流量邊界。將研究區(qū)西部和北部定義為補給邊界，將研究區(qū)東部和南部定義為排泄邊界。

2.4 源匯項

源匯項包括補給項和排泄項。補給來源主要為地下水側向補給、大氣降水補給、井灌回歸補給量等；排泄主要是水源地開采量、工農(nóng)業(yè)開采量、生活用水量等（表1）。

表1 研究區(qū)地下水均衡計算結 果

2.5 數(shù)學模型

由于淺層含水層地下水接受側向徑流補給、大氣降水入滲補給、農(nóng)田灌溉水回滲補給及地下水的開采，所以地下水為非穩(wěn)定流，研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質、各向異性、三維非穩(wěn)定潛水—微承壓水含水系統(tǒng)［4-5］，可建立數(shù)學模型：

式中，Ω 為滲流區(qū)域；h地下水位標高，m；kx，ky，kz分別為為Y，Y，Z方向上的滲透系數(shù)，m/d；kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)，m/d；S為自由面以下含水層的單位儲水系數(shù)，1/m；μ為潛水含水層重力給水度；ε為含水層的源匯項，m/d；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由水面；P為潛水面的蒸發(fā)及降水補給量等，m/d；Γ2為滲流區(qū)的第二類邊界；q(x,y,z,t)為定義的含水層二類邊界單位面積流量，流入為正，流出為負，隔水邊界為零，m3/（m2·d）。

2.6 數(shù)值模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質資料收集以及模擬需求，采用200 m×200 m 均勻網(wǎng)格對研究區(qū)進行矩形剖分，在平面上剖分為93行×76列（圖2）。

3 模擬期及初始條件

采用2013 年10 月觀測的地下水水位作為模型目標含水層的初始水位，模型計算時段為2013 年10月—2017年1月，共計40個月。

結合以往抽水試驗成果，依據(jù)滲透系數(shù)將研究區(qū)第二含水巖組劃分為3個分區(qū)，各分區(qū)水文參數(shù)見表2。

表2 含水層水文地質 參數(shù)取值

4 模型的識別和驗證

模型的識別和驗證是整個模擬中極為重要的一步工作，通常要進行反復地調(diào)整參數(shù)才能達到較為理想的擬合結果。模型的識別和驗證過程也屬于反求參數(shù)的間接方法之一。通過運行模型，可得到在給定的水文地質參數(shù)和各均衡條件下的模擬區(qū)地下水流場，通過擬合同時期的統(tǒng)測流場，識別水文地質參數(shù)和其它均衡項，使建立的模型更加符合模擬區(qū)的水文地質條件。

以2013 年10 月—2015 月12 月作為模型識別時段，以2016 年1 月—2017 月1 月作為模型驗證時段，將研究區(qū)長觀孔的水位觀測數(shù)據(jù)與模型中計算水位數(shù)據(jù)進行擬合（圖3）。

由圖3可知，研究區(qū)模擬和實測地下水位動態(tài)過程基本一致，且在模型識別與驗證期各觀測井地下水位計算值和觀測值差值的絕對值小于0.5 m的占比為總觀測井的87.5%（表3），模型能較為準確地反映研究區(qū)地下水動態(tài)變化規(guī)律。識別驗證后的模型可以用來模擬預測，模型識別后，對各含水層水文地質參數(shù)進行調(diào)整，見表4。

表3 識別期末與驗證期末擬合水位誤差m

表4 模型識別后各含水層水文地質參數(shù)

5 地下水數(shù)值模擬預測

5.1 開采方案的確定

一畝泉水源地擬布置生產(chǎn)井26 眼，水源井布置在水源地南部富水地段，宋家屯以東，郄莊以西，石家莊以北，宋賈村以南。擬布置開采井地段地下水徑流條件好，水量大，補給速度快，無需考慮垂向布局，可采用完整井取水。平面布局大致垂直地下徑流方向，北北東向布置4排，井排間距不小于300 m。

開采方案：常態(tài)化開采，周期為10 a，開采量為1 500 萬m3/a。將水源井按照日出水能力平均分為2組，按照日歷天輪換開采，每天每眼生產(chǎn)井平均工作時間為10 h。

5.2 地下水位模擬預測

以2020 年6 月地下水流場為地下水初始流場（圖1），設計開采量為1 500 萬m3/a，預測2030 年6 月地下水開采動態(tài)下的流場如圖4 所示，可知，地下水開采10 a 期間，地下水系統(tǒng)整體上處于負均衡狀態(tài)，在水源地開采中心形成了約2 m 的降落漏斗，地下水流向改變?yōu)橛蓶|、西、北3個方向向漏斗中心匯集，東部由原來的排泄邊界變?yōu)檠a給邊界。地下水水位平均下降變幅為0.16 m/a。

6 結論及建議

通過模型預測，一畝泉水源地地下水年開采量為1 500 萬3/a，地下水水位下降幅度不大，不會產(chǎn)生嚴重的水文地質、工程地質問題，但是會改變地下水的流場，襲奪東部保定市區(qū)的地下水資源量，同時使一畝泉地下水降落漏斗進一步發(fā)展。為了保證地下水開發(fā)利用的安全性，應增加南水北調(diào)水以及西大洋水庫水源的使用量，將一畝泉水源地地下水年開采量控制在1 500萬m3以下。