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(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

河南省濮陽市位于河南省東北部，下轄1區(qū)5縣，是國家重要的石油化工基地、石油機械裝備制造基地、國家重要的商品糧生產(chǎn)基地。截止2012年，濮陽市完成探明并開發(fā)了6個地下水水源地，供水規(guī)模達到23×104m3/d，僅臺前縣未實現(xiàn)城市自來水供水。臺前縣原生地質(zhì)環(huán)境，帶來了水質(zhì)型缺水，造成了該地水資源短缺的問題[1]，仍然是制約經(jīng)濟發(fā)展、實現(xiàn)脫貧的重要因素。前人對濮陽市黃河沿岸地帶遠景水源地進行過預(yù)測和評價工作[2]，其中范縣-臺前應(yīng)急地下水水源地，提出可供水10×104m3/d的規(guī)模[3]。因此，針對濮陽市臺前一帶，開展傍河水源地地下水資源評價研究工作，可為當(dāng)?shù)仫嬎踩Ｕ咸峁┛茖W(xué)依據(jù)，可提供城市供水水源地，更好地為經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于濮陽市臺前縣馬樓黃河灘地，分為現(xiàn)代黃河高漫灘和低漫灘。農(nóng)業(yè)灌溉以引黃渠灌為主，輔以少量井灌。地勢自西南向東北方向微傾，海拔高度在42～48 m，坡降約1/1 000～1/3 000。

研究區(qū)淺層含水砂層有6～8層，厚度一般40～60 m，底板埋深70～90 m，主要由粉砂、細砂、中細砂組成，富水性較好，絕大部分地區(qū)為強富水區(qū)。地下水水化學(xué)類型為HCO3-，礦化度小于1 g/L。地下水補給來源有黃河側(cè)滲、灌渠滲漏、大氣降水及灌溉回滲等4種方式；排泄有蒸發(fā)、人工開采及徑流等3種方式。地下水徑流由南向北、由西南向東北，埋深1～4 m。因淺層含水層是水源地開采目的層，故本文僅對淺層水進行研究。

2 地下水資源量計算

依據(jù)黃河傍河水資源評價的特點[4]，以2011年10月地下水等水位線圖以及垂直黃河的地下水觀測剖面可以看出，現(xiàn)狀條件下，黃河以側(cè)滲形式補給地下水。依據(jù)水力坡度及黃河河床分布，將黃河補給斷面劃分為2段。

根據(jù)水均衡原理[5]，結(jié)合本區(qū)地下水的補徑排條件，建立均衡方程如下：

其中：Q補=Q降+Q河滲+Q回滲+Q渠漏，Q排=Q開采+Q蒸發(fā)+Q徑排，式中：Q補表示地下水總補給量(m3/d)，Q排表示地下水總排泄量(m3/d)，μ表示水位變動帶給水度，F(xiàn)表示均衡區(qū)面積(km2)，Δt表示均衡時間段長(d)，ΔH表示與Δt對應(yīng)的水位變幅(m)，Q降表示降1水入滲補給量(m3/d)，Q河滲表示黃河側(cè)滲補給量(m3/d)，Q回滲表示灌溉回滲補給量(m3/d)，Q渠漏表示引黃灌渠滲漏補給量(m3/d)，Q開采表示工農(nóng)業(yè)及生活用水開采量(m3/d)，Q蒸發(fā)表示蒸發(fā)排泄量(m3/d)，Q徑排表示側(cè)向徑流排泄量(m3/d)。

2.1 補給量計算

研究區(qū)地下水補給量為降水補給量、黃河側(cè)滲補給量、灌溉回滲補給量與渠滲漏補給量之和。

2.1.1 降水補給量

降水補給量利用下式：

Q降=P效·α·F

式中，P效表示年有效降水量(m)，α表示降水入滲系數(shù)，F(xiàn)表示均衡區(qū)面積(m2)。

經(jīng)計算，本區(qū)降水入滲補給量(Q降)為2.343×104m3/d。

2.1.2 黃河側(cè)滲補給量

黃河側(cè)滲補給量利用達西公式：

Q河補=K·M·I·L

式中：K表示計算斷面的平均滲透系數(shù)(m/d)，M表示計算斷面的平均含水層厚度(m)，I 表示計算斷面的平均水力坡度，L表示計算斷面長度(m)。

經(jīng)計算，本區(qū)黃河側(cè)滲補給量(Q河補)為1.665×104m3/d。

2.1.3 灌溉回滲補給量

灌溉回滲補給量利用下式：

Q回滲=β·F·A

式中：β表示回滲系數(shù)，F(xiàn)表示灌溉面積(畝)，A表示灌溉定額(m3/畝)。

經(jīng)計算，本區(qū)灌溉回滲補給量(Q回滲)為0.979×104m3/d。

2.1.4 灌溉回滲補給量

灌渠滲漏補給量利用下式：

Q渠漏=q·L·t·86 400/365

式中：Q渠漏表示灌渠滲漏補給量(m3/d)，q表示灌渠滲漏強度(m3/s·km)，L 表示灌渠長度(km)，t表示灌渠行水時間(d)。

經(jīng)計算，本區(qū)灌渠滲漏補給量(Q渠漏)為1.135×104m3/d。

2.2 補給量計算

研究區(qū)地下水排泄量為人工開采量、蒸發(fā)排泄量與側(cè)向徑流排泄量之和。

2.2.1 人工開采量

人工開采量(Q開采)含農(nóng)業(yè)井灌開采量(Q農(nóng))、人畜飲用量(Q飲)。本區(qū)因位于黃河漫灘區(qū)，限制各類廠礦企業(yè)的建立，故區(qū)內(nèi)工業(yè)開采量基本為零。

農(nóng)業(yè)開采量按統(tǒng)計的井灌面積乘以灌溉定額，計算的農(nóng)業(yè)開采量為1.762×104m3/d。人畜用水量根據(jù)調(diào)查資料，按人均每天用水量0.05 m3/d計算人畜用水量，計算的人畜飲用量為0.275×104m3/d。

本區(qū)人工開采地下水量(Q開采)為2.037×104m3/d。

2.2.2 蒸發(fā)排泄量

地下水蒸發(fā)排泄量利用Q蒸=ε·F來計算，本區(qū)蒸發(fā)排泄量(Q蒸)為3.036×104m3/d。

2.2.3 側(cè)向徑流排泄量

利用達西公式計算地下水徑流量，本區(qū)側(cè)向徑流排泄量(Q徑排)為1.053×104m3/d。

2.3 現(xiàn)狀條件下均衡分析

現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)內(nèi)地下水補給量為6.122×104m3/d，排泄量為6.126×104m3/d，排泄量略大于補給量，均衡差為0.004×104m3/d，相應(yīng)計算區(qū)內(nèi)地下水年下降0.004 m。根據(jù)監(jiān)測資料，馬樓鄉(xiāng)大寺張地下水位2005-2012年平均每年下降0.003 m，實際水位下降與計算水位下降相差0.001 mm。

總體來看，區(qū)內(nèi)地下水處在一個動態(tài)平衡狀態(tài)，計算水位與實測水位基本接近，表明計算所選參數(shù)比較合理，計算的補給量和排泄量比較可靠。

2.4 含水層的容積儲存量

以含水層組厚度的二分之一(30 m)為最大疏干深度，研究區(qū)地下水埋深取平均值2.5 m，淺層含水層的容積儲存量按下式計算：

Q儲=μ·F·H

式中：μ表示含水層平均給水度(取經(jīng)驗值0.1)，F(xiàn)表示含水層分布面積(m2)，H表示含水層平均厚度(m)。

研究區(qū)內(nèi)含水層的地下水容積儲存量為1.787 5×108m3，是現(xiàn)狀年平均資源量的8倍，具有較大的調(diào)蓄能力，合理地動用部分儲存量是可行的。即在枯水時期動用的儲存量只要在豐水期得以償還，不會造成地下水位的持續(xù)下降或水資源的枯竭。

3 地下水允許開采量評價

地下水可開采資源量是指在一定經(jīng)濟技術(shù)條件下，可以持續(xù)開采利用的地下水量，并在開采過程中不發(fā)生嚴(yán)重的環(huán)境問題的地下水量。本文采用數(shù)值法對水源地擬新增1.6×104m3/d條件下的地下水允許量進行計算評價。

3.1 數(shù)值法介紹

數(shù)值法是將系統(tǒng)連續(xù)的函數(shù)在時間、空間上離散化，求該函數(shù)在有限的離散點的近似值，目前常用的方法可分為有限單元法和有限差分法。數(shù)值方法能夠更好地反映復(fù)雜條件下的地下水流動狀況，模擬程度高，成為當(dāng)前地下水資源評價中的重要方法。目前，數(shù)值模擬軟件數(shù)量眾多，且功能強大而廣泛使用，主要有MODFLOW、Visual MODFLOW、FEFLOW和GMS等。

本次研究利用Visual MODFLOW軟件進行地下水?dāng)?shù)值模擬。該系統(tǒng)是由加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc.在MODFLOW軟件基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制的高度集成的軟件包。該系統(tǒng)的主要特點是無縫連接數(shù)值模擬過程中的各個步驟，從開始建模、輸入和修改各種類型的水文地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)、運行模型，反轉(zhuǎn)校正參數(shù)直到輸出的輸出，使整個過程從始至終系統(tǒng)化，標(biāo)準(zhǔn)化[6]。

3.2 模型離散

3.2.1 空間離散

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)流場特征、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、水力特征和邊界條件，采用等間距有限差分的離散方法，進行自動矩形網(wǎng)格剖分。將全區(qū)剖分為60行、60列，采用500 m×500 m的剖分格式，垂向剖分1層，剖分時對觀測井及抽水井附近適當(dāng)加密，采用250 m×250 m的剖分格式，有效計算區(qū)面積65 km2。

3.2.2 時間離散

考慮研究區(qū)范圍和精度的要求，模擬期為2011年10月至2012年3月，總共歷時180 d。根據(jù)地下水動態(tài)監(jiān)測及降水特征將模擬期以一個月為一個應(yīng)力期，步長3 d，每個應(yīng)力期10個步長。

3.2.3 模型的輸入

利用2011年10月1日的淺層統(tǒng)調(diào)點觀測水位進行插值計算生成初始流場，以ASCⅡ文件賦給模型。含水層頂、底標(biāo)高，由mapgis利用計算區(qū)內(nèi)20個鉆孔資料插值計算，生成含水層頂、底等值線圖，再轉(zhuǎn)換成shp格式文件輸入Visual ModFlow。源匯項采用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Visual ModFlow4.3中相應(yīng)模塊General Head、Recharge、Evapotranspiration及Wells輸入。

3.3 模型校正與識別

通過擬合2012年3月1日地下水統(tǒng)測流場及長觀孔的歷時曲線，識別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界和其它均衡項，模型識別取得了較好效果，擬合結(jié)果顯示較理想(見圖1)。所建立的水文地質(zhì)概念模型和數(shù)學(xué)模型比較正確的，可以滿足允許資源量計算和水位預(yù)測工作的需要。

3.4 地下水允許開采資源量評價

3.4.1 水位預(yù)測

利用已識別的地下水流模型，參照確定的雙排布井開采方案，對研究區(qū)連續(xù)開采20年后的地下水降深值進行了模擬計算，其初始流場為2011年10月1日統(tǒng)測流場。

通過模擬計算，開采情況下水源地水位持續(xù)下降，且下降速率很快，至3.6 a后趨于穩(wěn)定。地下水位整體下降幅度很小，在集中開采地段形成小的降落漏斗，最大水位降深2.8 m，位于TC2開采井附近。

圖1 長觀點歷時曲線擬合圖

3.4.2 地下水均衡分析

在開采條件下，研究區(qū)地下水補給量為5.878×104m3/d，排泄量為5.876×104m3/d，補給量與排泄量基本平衡。地下水補給量中，黃河側(cè)滲和降水在補給量中占大多數(shù)。排泄量中，邊界流出在排泄量中最多，其次是水源地開采、人工開采和蒸發(fā)排泄。水源地開采組成部分，主要為減少的蒸發(fā)量以及激發(fā)的黃河側(cè)滲補給量。

3.4.3 允許開采資源量評價

研究區(qū)允許開采資源量的預(yù)報，應(yīng)在現(xiàn)有開采技術(shù)條件下，以不影響已有工、農(nóng)業(yè)用水等為原則。通過模擬計算得出水源地開采20 a后，水位達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位降深在約定范圍之內(nèi)，地下水允許開采資源量完全可以滿足1.6×104m3/d的要求。

4 結(jié)語

為了對濮陽市傍河水源地地下水資源狀況進行評價，首先采用水均衡法，分析地下水動態(tài)平衡狀態(tài)，計算水位與實測水位基本接近，所選參數(shù)比較合理。采用數(shù)值法計算和評價新增水源地允許開采量，計算結(jié)果顯示，水源地地下水補給量為5.878×104m3/d，排泄量為5.876×104m3/d，補給量與排泄量基本平衡，水位達到穩(wěn)定狀態(tài)，水位降深在約定范圍之內(nèi)，說明水源地設(shè)計新增1.6×104m3/d是可靠地。