谷 瑜

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

南樂(lè)睢莊地下水水源地設(shè)計(jì)開(kāi)采量為20 000 m3／d，采用淺層地下水與中層地下水混合開(kāi)采，淺層微承壓含水層與中層承壓含水層各開(kāi)采10 000 m3／d，兩層分別有11口井，各有1口為備用井，設(shè)計(jì)每口井開(kāi)采量為1 000 m3／d［1］。兩含水層中間分布有一層粉質(zhì)黏土、黏土，二者水力聯(lián)系較差。中層含水層與下部深層含水層之間存在10～20 m厚的穩(wěn)定連續(xù)黏土層，與下部深層含水層基本無(wú)水力聯(lián)系?；旌祥_(kāi)采對(duì)兩者含水層的影響均較小，同時(shí)對(duì)深層含水層的影響亦較小。

本文選用GMS軟件中集成的MODFLOW程序?qū)δ蠘?lè)睢莊地下水水源地混合開(kāi)采的可行性以及水源地開(kāi)采后地下水位的變化趨勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為地下水資源評(píng)價(jià)及開(kāi)采預(yù)案提供可靠依據(jù)，同時(shí)亦可對(duì)今后類(lèi)似水源地的開(kāi)采評(píng)價(jià)方式提供參考［2－3］。

1 水文地質(zhì)條件

南樂(lè)睢莊水源地處于黃河沖積扇的前緣，地下水均賦存于松散層的孔隙中。依據(jù)地下水埋藏條件和開(kāi)發(fā)利用程度，將松散巖類(lèi)孔隙水分為3個(gè)含水層組，即淺層含水層組，中層含水層組，深層含水層組。中層含水層與下部深層含水層之間存在10～20 m厚的穩(wěn)定連續(xù)黏土層，中層含水層與下部深層含水層基本無(wú)水力聯(lián)系。

淺層含水層組指地表以下130 m以淺的含水層，上部巖性主要為全新統(tǒng)中細(xì)砂、中砂組成，厚度40～55 m，下部由上更新統(tǒng)黃河沖積細(xì)砂、中砂組成，具微承壓性?？梢?jiàn)6～8層砂層，單層厚度2～14 m，總厚度43～65 m，富水性為1 223～1 492 m3／d；中層含水層組頂板埋深130 m左右，底板埋深一般280 m左右，水源地附近中層承壓含水層巖性主要為中更新統(tǒng)粉細(xì)砂、中細(xì)砂和細(xì)砂組成，共有11～12層，單層厚度在2.2～19.8 m，總厚度在82.2～96.1 m，水源地勘探孔15 m降深單井出水量為2 410.1～2 988.3 m3／d，屬?gòu)?qiáng)富水區(qū)。

2 地下水?dāng)?shù)值模擬

2.1 模型概化

根據(jù)含水層的埋藏條件、成因類(lèi)型、水力性質(zhì)、開(kāi)發(fā)利用情況等，模型將勘察區(qū)在空間上大致劃分為淺層微承壓含水層組、中層承壓含水層組兩個(gè)含水層組。第一含水層巖性為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)黃河沖積細(xì)砂、中砂，中間夾厚度不等的粉質(zhì)黏土弱透水層。淺層含水層組與下伏中層承壓含水層組之間分布有一層粉質(zhì)黏土或黏土，二者水力聯(lián)系較差，但存在越流。第二含水層組為中層承壓水含水層。含水層巖性為中更新統(tǒng)粉細(xì)砂、中細(xì)砂和細(xì)砂。中層承壓含水層與下伏深層含水層之間分布一層比較穩(wěn)定的黏土隔水層。

模擬區(qū)范圍包括南樂(lè)縣城區(qū)及西部地區(qū)，西至前十固，東至李家屯，北至寺莊，南到清豐縣大流鄉(xiāng)，東西長(zhǎng)14 km，南北長(zhǎng)15 km，模擬區(qū)總面積210 km2。根據(jù)區(qū)內(nèi)流場(chǎng)特征和對(duì)含水層結(jié)構(gòu)的分析，本次模擬將淺層、中層含水層各邊界均定義為通用水頭邊界［4］。模型的上邊界與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換，接受降雨入滲補(bǔ)給、灌溉回滲補(bǔ)給及河流滲漏補(bǔ)給等，并通過(guò)蒸發(fā)排泄地下水。模型的底邊界根據(jù)中更新統(tǒng)底界來(lái)確定，工作區(qū)中更新統(tǒng)與下更新統(tǒng)之間有一層比較穩(wěn)定的黏土層，因此模型以中更新統(tǒng)底板為模擬范圍，處理為隔水邊界。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)

淺層潛水含水層的水平滲透系數(shù)為10.20～19.56 m／d，中層承壓水含水層的水平滲透系數(shù)為5.44 m／d。從水平方向看，黃河古河道水平滲透性能優(yōu)于周邊其他區(qū)域；垂向上工作區(qū)淺層含水層水平滲透性能優(yōu)于中層承壓含水層，這主要與其沉積環(huán)境有關(guān)。

降水入滲系數(shù)取值為0.2～0.3，灌溉入滲系數(shù)取值為0.18～0.25。潛水水位埋深普遍大于5 m，大于極限埋深，故本次模擬不考慮地下水蒸發(fā)。

2.3 模擬驗(yàn)證期

模擬期：根據(jù)本項(xiàng)目資料收集及地下水統(tǒng)測(cè)情況，模擬期為2014年5月1日到2015年11月30日，共計(jì)19個(gè)自然月。將模擬期劃分為19個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力期長(zhǎng)為一個(gè)月。

驗(yàn)證期：根據(jù)本次工作抽水試驗(yàn)的資料及情況，將驗(yàn)證期確定為2018年11月。將整個(gè)驗(yàn)證期劃分為10個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力期對(duì)應(yīng)3 d，分為3個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

2.4 模型驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬模型的可行性，采用2018年11月1日至12月1日的群孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，驗(yàn)證期30 d。采用識(shí)別后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。本次抽水試驗(yàn)?zāi)M模型劃分為30個(gè)應(yīng)力期，步長(zhǎng)1 d。選擇抽水試驗(yàn)前淺層與中層地下水的統(tǒng)測(cè)水位作為模擬的初始流場(chǎng)。

本次模擬驗(yàn)證選取群孔抽水試驗(yàn)的5個(gè)觀測(cè)孔的水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)擬合。并以群孔抽水試驗(yàn)結(jié)束前統(tǒng)測(cè)水位線(xiàn)與相應(yīng)時(shí)段模擬等水位線(xiàn)進(jìn)行擬合。地下水等水位線(xiàn)擬合圖見(jiàn)圖1。淺層觀測(cè)孔水位動(dòng)態(tài)擬合見(jiàn)圖2，中層觀測(cè)孔水位動(dòng)態(tài)擬合見(jiàn)圖3。

圖1 地下水等水位線(xiàn)擬合圖

圖2 淺層觀測(cè)孔TC5動(dòng)態(tài)擬合曲線(xiàn)

圖3 中層觀測(cè)孔ZK11動(dòng)態(tài)擬合曲線(xiàn)

根據(jù)驗(yàn)證期末等水位線(xiàn)擬合圖，驗(yàn)證后模擬水位流場(chǎng)與實(shí)測(cè)水位流程基本一致。根據(jù)各觀測(cè)孔動(dòng)態(tài)擬合曲線(xiàn)，可以看出觀測(cè)孔實(shí)測(cè)水位與模擬數(shù)值變化趨勢(shì)基本保持一致。從整體看來(lái)，水位擬合情況較好，模擬模型基本達(dá)到模型精度要求，符合本次勘察區(qū)水文地質(zhì)條件，可以較好反映地下水系統(tǒng)水力特征，可以利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 地下水資源量評(píng)價(jià)

3.1 定解條件

初始條件：采用本次勘察區(qū)2014年5月統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)中的淺層、中層地下水水位，依據(jù)克里金（Kriging）插值法獲得兩層水位流場(chǎng)，為模型的初始流場(chǎng)。

邊界條件：通過(guò)初始流場(chǎng)和模擬期末的流場(chǎng)，可以綜合給出各通用水頭邊界的參數(shù)。水位和河道參數(shù)綜合控制著馬頰河及衛(wèi)河的補(bǔ)給量，使用總補(bǔ)給量以及流場(chǎng)等來(lái)校正參數(shù)［5］。

源匯項(xiàng)的處理：將范圍內(nèi)淺層含水層的補(bǔ)給，包括大氣降水入滲、農(nóng)田灌溉入滲、河流入滲、地下水側(cè)向補(bǔ)給進(jìn)行模擬。其中，排泄項(xiàng)包括農(nóng)業(yè)用水開(kāi)采量、生活用水開(kāi)采量、側(cè)向流出量等；工業(yè)開(kāi)采是中層含水層在天然狀況下主要的排泄方式，中層含水層主要接受淺層水越流補(bǔ)給、地下水側(cè)向補(bǔ)給。

3.2 開(kāi)采方案模擬預(yù)測(cè)

3.2.1預(yù)測(cè)情景及模型設(shè)置

根據(jù)水源地需求的開(kāi)采量，運(yùn)用建立和識(shí)別好的地下水流數(shù)值模型進(jìn)行開(kāi)采模擬預(yù)測(cè)，以評(píng)估設(shè)計(jì)開(kāi)采量的可行性以及水源地開(kāi)采后地下水位的變化趨勢(shì)。

預(yù)測(cè)期共30年360個(gè)月，模型中將每1個(gè)應(yīng)力期設(shè)定為1個(gè)自然月，共計(jì)360個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)應(yīng)力期分為2個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，共計(jì)720個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)；預(yù)測(cè)模型模擬范圍與模擬模型及模型結(jié)構(gòu)完全相同；采用了模擬模型識(shí)別好的水文地質(zhì)參數(shù)；大氣降水等氣象數(shù)據(jù)采用了歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，以5年為一個(gè)周期進(jìn)行重復(fù)，豐平枯均有體現(xiàn)，即假定未來(lái)30年氣候特征與現(xiàn)狀相同，不發(fā)生明顯變化；來(lái)自南側(cè)的側(cè)向補(bǔ)給量采用了模擬期識(shí)別好的邊界補(bǔ)給量；地下水灌溉滲漏量以及河流滲流補(bǔ)給量均重復(fù)歷史數(shù)據(jù)；側(cè)向排泄量由模型根據(jù)模擬的水位埋深變化自動(dòng)計(jì)算；以模擬的2015年12月水位作為預(yù)測(cè)模型的初始流場(chǎng)。

設(shè)計(jì)開(kāi)采量為20 000 m3／d，淺層含水層與中層承壓含水層各開(kāi)采10 000 m3／d，兩層分別有11口井，淺層、中層各有1口為備用井，每口井設(shè)計(jì)開(kāi)采量為1 000 m3／d。

3.2.2 水位預(yù)測(cè)及降深變化

淺層水源地開(kāi)采后，淺層地下水流場(chǎng)在水源地附近發(fā)生明顯變化，由于模擬區(qū)北側(cè)水位較低，所以在TC3水源井附近逐漸形成了最低水位，且隨時(shí)間推移水位漏斗逐漸擴(kuò)大，水位標(biāo)高由開(kāi)采前的25.0 m下降至22.0 m，降深3 m，淺層水源地地下水降深最大處位于TC10附近，主要由于中層承壓含水層襲奪的影響，導(dǎo)致降深漏斗南移。水源地開(kāi)采20 a后至2035年，淺層含水層水源井中心點(diǎn)TC10最大降深5.0 m，30 a后至2045年，最大降深5.3 m，水源地開(kāi)采10 a后水位趨于穩(wěn)定。

由中層水源地開(kāi)采預(yù)測(cè)結(jié)果可知，中層水源地開(kāi)采后，中層承壓水流場(chǎng)整體變化較為明顯，在水源地幾何中心ZK18處開(kāi)始出現(xiàn)漏斗，形態(tài)接近正圓，中心點(diǎn)降深及水位均為區(qū)域最低值。隨著水源地的持續(xù)開(kāi)采，漏斗半徑隨時(shí)間逐漸擴(kuò)大，形態(tài)3 km外逐漸趨于不明顯，水位降深由水源地幾何中心向周?chē)饾u減小。開(kāi)采20 a后中層含水層中心井水位降深11.5 m，開(kāi)采30 a后為12.5 m，水源地開(kāi)采10 a后水位趨于穩(wěn)定。

3.2.3 水源地開(kāi)采前后地下水水均衡

未開(kāi)采條件下地下水總補(bǔ)給量為6 000.48×104m3／a，排泄量為6 022.9×104m3／a，補(bǔ)排差－22.42×104m3／a；實(shí)施開(kāi)采方案30年后，地下水補(bǔ)給量為6 514.48×104m3／a，排泄量為6 678.4×104m3／a，補(bǔ)排差－163.92×104m3／a。地下水補(bǔ)排差明顯增大，增大了141.5×104m3／a，與總開(kāi)采量仍有一定差距，主要原因是實(shí)施開(kāi)采方案后，由于實(shí)施開(kāi)采方案后水位有一定程度下降，激發(fā)的側(cè)向補(bǔ)給及河水補(bǔ)給有一定程度增加，故新增的開(kāi)采量不僅消耗儲(chǔ)存資源量，而且襲奪側(cè)向補(bǔ)給量及河流滲漏量。隨著流場(chǎng)的逐漸穩(wěn)定，新增的開(kāi)采量將逐漸由消耗儲(chǔ)存資源量向襲奪側(cè)向補(bǔ)給量及河流滲漏量轉(zhuǎn)化。

3.3 允許開(kāi)采量評(píng)價(jià)

根據(jù)水源地開(kāi)采預(yù)測(cè)結(jié)果，在設(shè)計(jì)淺層井總開(kāi)采量1×104m3／d條件下，淺層水源地開(kāi)采30 a后，淺層微承壓含水層水源井最大降深5.3 m，降深曲線(xiàn)逐漸趨于水平，并逐漸穩(wěn)定，預(yù)測(cè)最低水位標(biāo)高為22.0 m（TC3），高于該處含水層頂板標(biāo)高10 m，且高于區(qū)域淺層微承壓水頂板標(biāo)高（0～18 m）。中層水源地開(kāi)采30 a后，最大水位變幅為12.5 m（ZK18），降深曲線(xiàn)逐漸趨于水平，并逐漸穩(wěn)定，預(yù)測(cè)最低水位標(biāo)高為14.5 m（ZK18），遠(yuǎn)高于該處含水層頂板標(biāo)高－50 m，且高于區(qū)域淺層微承壓水頂板標(biāo)高（－55～－100 m）。水源地的開(kāi)采主要依靠激發(fā)地下水側(cè)向流入量，襲奪地下水側(cè)向流出量，滿(mǎn)足地下水位處于含水層頂板之上，水源地設(shè)計(jì)淺層及中層各開(kāi)采1×104m3／d，可以保證合計(jì)開(kāi)采水源地地下水2×104m3／d。

4 結(jié)論

南樂(lè)縣睢莊地下水水源地采用淺層地下水與中層地下水混合開(kāi)采的方案。其中淺層開(kāi)采1×104m3／d，中層開(kāi)采1×104m3／d，共計(jì)開(kāi)采水源地地下水2×104m3／d。利用GMS軟件對(duì)南樂(lè)縣睢莊地下水水源地開(kāi)采情況進(jìn)行模擬計(jì)算，并利用群抽試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，使用模型預(yù)測(cè)水源地滿(mǎn)負(fù)荷開(kāi)采30 a時(shí)，淺層地下水及中層地下水最低水位標(biāo)高均高于該處含水層頂板標(biāo)高，水源地開(kāi)采量是有保證的。