陸 瑋，駱祖江，杜菁菁，寧 迪

(河海大學地球科學與工程學院 南京市 211100)

0 引言

在20世紀80年代初，吳江地區(qū)充分利用了緊鄰國際大都市上海的區(qū)位優(yōu)勢條件，深層地下水的開發(fā)利用程度加快，開采井和開采量迅速增加，地下水位持續(xù)下降，在該地區(qū)內形成水位降深漏斗，由此引發(fā)了地面沉降，隨后吳江地區(qū)執(zhí)行了禁采令，雖保護了環(huán)境卻加劇了供水需求。而如今吳江地區(qū)的淺層地下水資源豐富，卻一直未有有效的開發(fā)和管理，造成了地下水資源的極大浪費，且由于淺層地下水位埋深淺，不利于雨水入滲，同時在長期強烈的太陽光的照射下，淺層地下水容易蒸發(fā)，隨之，原存于地下水中的鹽分被帶到表層的土壤中，形成土壤鹽漬化等問題[1]。

因此，在吳江地區(qū)開采淺層地下水顯得尤其重要，開采后淺層地下水水位下降可以促進水循環(huán)，從而改變水質。本次工作填補了吳江地區(qū)未對淺層地下水可開采資源量進行評價的空白。

地下水可開采資源量常用的計算方法有水量均衡法[2]，解析法[3]和數值法等。水均衡法對于地下水資源、可開采資源量的時間、空間等方面的變化以及其對未來的預測等“動態(tài)”信息不能夠及時且有效的體現出來[4]；解析法假設條件過多，不適用于復雜水文地質條件下的水量計算；而數值法在對水文地質條件復雜及存在地下水開采情況的地區(qū)，計算結果更加能刻畫實際情況[5]，因此根據區(qū)內淺層地下水的水文地質條件及地下水流場特征，本文采用數值法計算評價淺層地下水的可開采資源量，在概化出吳江地區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質概念模型的基礎上，建立淺層地下水系統(tǒng)三維非穩(wěn)定流數值模型[6]。該模型可以對吳江地區(qū)淺層地下水的資源量作出比較合理的評價，且精度較高，為區(qū)內淺層地下水的合理開發(fā)利用提供了依據。

1 地質及水文地質條件

吳江地區(qū)位于江蘇省的東南部，地處江浙兩省和上海市的交界處,處在太湖—錢塘的褶皺帶，是揚子古陸的一部分，區(qū)內原有構造幾乎全部沉陷，均為第四系覆蓋。依據鉆探資料，下伏基巖主要有震旦系、侏羅系、白堊系、古近系及新近系等。

吳江地區(qū)沉積了較厚的第四紀松散層，一般的厚度為150～200m，最大的厚度為220.8m。由于受地形地貌和基底構造的影響，具有東北厚西南薄的特點。下更新統(tǒng)(Q1)：巖性主要為灰黃、棕黃、褐黃色黏土、亞黏土，頂板埋深140～160m，厚30～60m。中更新統(tǒng)(Q2)：可分為上下兩段，下段巖性主要為灰、灰綠、青灰色亞黏土、亞砂土及灰色、灰黃色細砂、粗砂，頂板埋深80～120m，厚10～30m；上段巖性主要為灰灰黃、黃綠色亞黏土、亞砂土、粉砂，頂板埋深80～120m，厚10～30m。上更新統(tǒng)(Q3)：可劃分為下、中、上三段，下段巖性主要為灰、灰黃、青灰色亞黏土、亞砂土，頂板埋深40～50m，厚30～50m；中段巖性主要為棕黃和青灰色亞黏土，頂板埋深20～25m，厚30～40m；上段上層主要為灰、灰黃、灰綠色亞黏土、亞砂土，下層以粉砂、亞砂土為主，頂板埋深5～10m，厚15m。全新統(tǒng)(Q4)：巖性主要為灰、灰黑、灰綠色亞黏土、亞砂土、淤泥質亞黏土，厚度為5～10m。

吳江地區(qū)的地下水主要類型為松散巖類孔隙水，根據吳江地區(qū)第四紀地下水系統(tǒng)的水文地質特征，可將整個第四紀沉積層劃分為四個含水層(組)，分別是淺層地下水含水層(組)、第Ⅰ承壓含水層(組)、第Ⅱ承壓含水層(組)以及第Ⅲ承壓含水層(組)。根據吳江地區(qū)的水文地質條件，淺層地下水含水層(組)可確定為潛水和微承壓水。而微承壓含水層為整個吳江地區(qū)儲存淺層地下水的最主要的含水層，該含水砂層多呈夾層狀或透鏡體狀分布，巖性以灰、灰黃色粉砂和粉砂夾薄層粉質黏土、粉土為主，頂板埋深8～12m，底板埋深25～55m，含水層累計厚度5～30m，單井涌水量為50～300m3/d。該含水層主要接受潛水的垂向越流補給，其富水性與含水層的厚度、巖性、含水層的結構等存在較密切的關系。吳江地區(qū)微承壓含水層的富水性分區(qū)圖見圖1。

圖1 吳江市微承壓含水層富水性分區(qū)Figure 1 Water yield property zoning of slightly confined aquifer in Wujiang City

吳江地區(qū)的地下水補給主要有大氣降水，農田灌溉對潛水的補給以及地表水體的入滲、側向補給。區(qū)內地勢較為平坦，徑流較為緩慢，潛水水力坡度極小，河湖對潛水的側向補給作用往往局限于河湖附近地帶。區(qū)內的微承壓水含水層，水平方向的滲透性強于潛水含水層，其徑流條件也明顯要比潛水好，但在天然條件下，水力坡度非常小，徑流也比較緩慢。潛水的排泄方式主要以下滲入微承壓含水層為主，在水網化密度很高的地區(qū)以向地表水體排泄為主，同時也有蒸發(fā)消耗和人工開采等；隨著區(qū)內微承壓水井逐漸增多，人為開采已成微承壓水的主要排泄方式。

2 水文地質概念模型

本次模擬計算將整個吳江地區(qū)的行政區(qū)域劃分成一個統(tǒng)一的水文地質系統(tǒng)，總面積為1 176.6km2。側面上根據實測資料分別概化為水位邊界和流量邊界，垂向上根據江蘇省淺層地下水的行政規(guī)定，以埋深60m為界，從地表體下分布有潛水含水層和微承壓含水層及兩者之間的黏性土弱含水層，各含水層無論是平面上還是剖面上，巖性結構相差較大，為非均質各向異性。各含水層之間均存在水力聯系，地下水位動態(tài)隨地下水系統(tǒng)頂部大氣降水及農業(yè)灌溉入滲補給和地下水的蒸發(fā)發(fā)生季節(jié)性的變化，為三維非穩(wěn)定流。地下水系統(tǒng)的底部存在有較厚的黏性土層，為一隔水邊界。

3 三維非穩(wěn)定流數學模型

根據以上描述的吳江地區(qū)淺層地下水系統(tǒng)的水文地質概念模型，選取主滲透方向與坐標軸方向相一致，建立了下列與之相適應的吳江地區(qū)淺層地下水系統(tǒng)三維非穩(wěn)定流數學模型[7～8]：

(1)

H(x,y,z,t)=|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=z(x,y,z∈Γ3)

(4)

上述數學模型采用有限差分方法進行求解，并采用了SIP法求解代數方程組。運用FORTRAN90語言[9-10]，據結構化程序設計要求，將整個計算過程編制成計算機程序，在PC機上進行計算，計算的流程圖見圖2。

圖2 計算程序流程圖Figure 2 Computational procedure flow chart

4 模型的識別、驗證

依據以上吳江地區(qū)的水文地質條件，本次計算采用矩形剖分法，將模型計算域總的剖分成40 000個單元，在平面上將整個模型剖分成100×100的矩形形狀的等距離網格單元，根據剖面的巖性特征，將模型在垂向上剖分為4層，分別是潛水含水層、第1粘性土弱含水層、微承壓含水層及第2粘性土弱含水層。其中有效單元數為17 386個，無效的單元數為22 614個，詳見圖3。模型各含水層的水位均由實測值插分得到，各開采井的位數及開采量均由實測資料給出。為了說明具體情況，以計算區(qū)第38列剖面剖分圖及第48行剖面剖分圖，具體見圖4和圖5。研究區(qū)內的水文地質參數由實際抽水試驗資料反演計算求得。

根據研究區(qū)淺層地下水的分布特征，對模型進行分區(qū)，整個模型的參數分區(qū)共分為16個，以潛水含水層和微承壓含水層兩層為例，其參數分區(qū)圖如圖6～圖7所示，通過比較計算值與觀測值，不斷反演求參，最終得到各含水層不同分區(qū)的水文地質參數，見表1，地下水的計算水位與實測水位精度擬合圖以0.50天及0.69天為例，如圖8～圖9所示，橫坐標分別表示實測的水位值，縱坐標分別表示為通過模擬計算出的計算水位。從圖中可以看出，水位的實測值與計算值的比值均分布在y=x的這條曲線附近，且不同時間下測定的變化幅度均小于0.5m，符合《專門水文地質學》中關于數值法計算精度的要求，且變化趨勢一致?？梢院芎玫卣f明模型的精度較高，可用于研究區(qū)的模擬計算。

表1 各含水層不同分區(qū)水文地質參數

圖3 計算區(qū)平面網格剖分圖Figure 3 Computational area plane mesh generation

圖4 計算區(qū)第38列剖面剖分Figure 4 Computational area column No.38 section subdivision

圖5 計算區(qū)第48行剖面剖分Figure 5 Computational area row No.48 section subdivision

圖6 潛水含水層水文地質參數分區(qū)Figure 6 Phreatic aquifer hydrogeological parameters zoning

圖7 微承壓含水層水文地質參數分區(qū)Figure 7 Slightly confined aquifer hydrogeological parameters zoning

圖8 0.50d時計算水位與實測水位擬合Figure 8 Fitting of computed and measured water levels after 0.50 day pumping

圖9 0.69d時計算水位與實測水位擬合Figure 9 Fitting of computed and measured water levels after 0.69 day pumping

5 淺層地下水可開采資源量評價

本次淺層地下水可開采資源量的評價的目的層是微承壓含水層，計算考慮到未來周邊一些地區(qū)對淺層地下水會有開采，因此把四周均概化為了隔水邊界。本次評價計算的起始時刻為2016年6月底，以10年后淺層地下水水位不低于微承壓含水層頂板，且水位越來越穩(wěn)定為約束條件，通過以上校正、識別后的數學模型在計算機上進行模擬計算，科學合理地評價出了吳江地區(qū)的淺層地下水的可開采資源量。

經模擬計算可得：全區(qū)共開挖了427個井位，滿足居民日常生產生活的用水需求。且每年的淺層地下水可采資源量有1.204×107m3，根據《供水水文地質勘察規(guī)范》可知本次淺層地下水允許開采量屬于B級。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃開采的井位及可開采資源量的情況，及5年后和10年后各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低地下水水位，詳見表2。

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃開采井、可開采資源量及最低地下水水位一覽表

6 結論

1)采用數值法評價本次吳江地區(qū)淺層地下水可采資源量，克服了以往采用水均衡法，解析法等方法不能準確刻畫復雜水文地質條件的不足，提高了吳江地區(qū)淺層地下水可采資源量的精度。

2)通過對吳江地區(qū)淺層地下水允許開采量評價表明：吳江地區(qū)共可開挖427個供水井，年地下水可采資源量達1.204×107m3。為吳江地區(qū)合理規(guī)劃開采淺層地下水資源提供了科學依據。