GMS模擬技術(shù)在寧夏小校場水源地地下水可開采資源量評價(jià)中的應(yīng)用研究

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(1.寧夏水文環(huán)境地質(zhì)勘察院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

水源地的開采資源量是水源地勘探、評價(jià)的核心，是保證城市發(fā)展、居民生活、生態(tài)建設(shè)[1]的基礎(chǔ)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件GMS作為地下水資源評價(jià)的重要工具，得到了廣泛的引用[2-3]。本文以寧夏石嘴山市小校場水源地勘探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，認(rèn)真分析水文地質(zhì)特征，概化水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型[4]，計(jì)算源匯項(xiàng)，評價(jià)地下水可開采資源量[5]，預(yù)測水源地開采20 a的水量保障程度。

1 小校場水源地水文地質(zhì)條件

小校場水源地處于銀川平原北部沖湖積平原上，為潛水—承壓水多層迭置含水結(jié)構(gòu)區(qū)，銀川平原是新生代以來形成地塹式斷陷盆地，盆地內(nèi)巨厚的松散沉積物為地下水賦存及運(yùn)移提供了良好的空間，貯存了較為豐富的松散巖類孔隙水[6]。結(jié)合銀川平原區(qū)域地下水含水巖組劃分[7]，基于小校場水源地勘探數(shù)據(jù)分析，將工作區(qū)250 m深度內(nèi)劃分為三個(gè)含水巖組：第Ⅰ含水巖組，即39.24～74.65 m以上，地下水具有微承壓性，富水性強(qiáng)，但水質(zhì)復(fù)雜；第Ⅱ含水巖組，頂板埋深45.36～83.40 m，底板埋深137.56～169.79 m，為壓含水巖組，富水性強(qiáng)，水質(zhì)好；第Ⅲ含水巖組，頂板埋深140.18～173.39 m，底板埋深231.74～250.40 m，為壓含水巖組，富水性強(qiáng)，水質(zhì)好。因此，本文對承壓含水巖組作為主要研究對象，為主要的供水目的層。

2 基于GMS模擬技術(shù)的地下水可開采資源

量評價(jià)

2.1 地下水?dāng)?shù)學(xué)模型

充分分析本次勘探數(shù)據(jù)，按照假設(shè)條件[8]，研究區(qū)可概化為非均質(zhì)各向同性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[9]，其地下水流連續(xù)性方程及其定解條件如下：

(1)

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為地下水系統(tǒng)的水位標(biāo)高(m)；K為含水介質(zhì)的水平滲透系數(shù)(m/d)；Kz為含水介質(zhì)垂向滲透系數(shù)(m/d)；ε為含水層的源匯項(xiàng)(1/d)；h0為系統(tǒng)的初始水位分布(m)；S為自由面以下含水層儲水率(1/m)；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；p為潛水面的蒸發(fā)和降水入滲強(qiáng)度等(m/d)；Γ1為已知水位邊界；h1為已知邊界水位值(m)；Γ2為滲流區(qū)域的流量邊界；Kn為邊界面法線方向的滲透系數(shù)(m/d)，n為邊界面的法線方向；q為Γ2邊界的單位面積上的流量(m/d)，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0；Γ3為三類邊界；λ、f為已知水頭函數(shù)。

2.2 地下水流數(shù)值模型

2.2.1 模擬范圍的確定

按水源地抽水所造成的影響范圍作為小校場擬建水源地的模型范圍，從區(qū)域地下水流數(shù)值模型中提取水源地源匯項(xiàng)、水位及降深等，進(jìn)行水源地評價(jià)。

2.2.2 模擬期的確定

根據(jù)研究區(qū)資料、地下水動態(tài)觀測情況及本次工作目的任務(wù)，確定模型期為兩個(gè)階段：

(1)現(xiàn)狀條件及開采條件預(yù)測階段，2012年1月至2031年12月，一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期，共240個(gè)應(yīng)力期；

(2)恢復(fù)預(yù)測階段，2032年1月至2041年12月，一個(gè)月為一個(gè)應(yīng)力期，共120各應(yīng)力期。

2.2.3 定解條件

初始條件：以2011年12月底地下水水位資料，采用內(nèi)插法和外推法獲得水源地現(xiàn)狀條件和開采預(yù)測階段初始水位，然后將預(yù)測開采階段評價(jià)末期2031年12月底的地下水位作為恢復(fù)階段的初始水位，進(jìn)行水源地恢復(fù)10年的預(yù)測評價(jià)。

邊界條件：小校場水源地位于多層含水層區(qū)，其水源地邊界條件是在區(qū)域模型邊界條件的基礎(chǔ)上，由模型自動計(jì)算得出的，將計(jì)算出來的各邊界流入流出量輸入到模型之中，通過邊界附近流場的擬合，適當(dāng)調(diào)整個(gè)別邊界流入流出量。

2.2.4 模型源匯項(xiàng)處理

小校場水源地所涉及的源匯項(xiàng)可以分為點(diǎn)、線、面三種要素。點(diǎn)狀要素主要是水源地設(shè)計(jì)開采井群等項(xiàng)組成；線狀要素包括研究區(qū)內(nèi)的排水溝排泄地下水以及邊界側(cè)向補(bǔ)給等；面狀要素由降雨入滲、田間灌溉入滲補(bǔ)給和潛水蒸發(fā)等構(gòu)成。

本次研究利用了GIS軟件的空間分析功能，統(tǒng)一采用數(shù)據(jù)庫管理模式存儲隨時(shí)間變化的大量數(shù)據(jù)，最后利用程序?qū)懭氲较鄬?yīng)的MODFLOW格式文件中。其中降雨入滲、田間灌溉入滲輸入Recharge子程序包，對應(yīng)數(shù)據(jù)存入*.rch文件中；邊界側(cè)向補(bǔ)給量、開采量輸入Well子程序包，對應(yīng)數(shù)據(jù)存入*.wel文件；蒸發(fā)輸入EVT子程序包，對應(yīng)數(shù)據(jù)存入*.evt文件；排水溝采用drain模塊處理，對應(yīng)數(shù)據(jù)存入*.drn文件；通用水頭邊界條件輸入General-Head子程序包，對應(yīng)數(shù)據(jù)存入.ghb文件。

2.2.5 開采資源量計(jì)算結(jié)果

由數(shù)值模型水位過程線和實(shí)測地下水位等值線擬合情況來看，水文地質(zhì)條件概化合理，地下水流模擬模型可達(dá)到精度要求，與研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件一致，較好地反映了研究區(qū)地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，因此，可利用該模型計(jì)算地下水可開采資源量和地下水流場演化的趨勢性預(yù)測。

在開采條件下，通過模擬計(jì)算，第Ⅱ、Ⅲ含水巖組可獲得第Ⅰ含水巖組越流量2.680萬 m3/d；第Ⅱ含水巖組可獲得側(cè)向徑流補(bǔ)給量0.754萬 m3/d和彈性釋水量0.000 943萬 m3/d；第Ⅲ含水巖組可獲得側(cè)向徑流補(bǔ)給量1.177萬 m3/d和彈性釋水量0.001 0萬 m3/d。第Ⅱ、Ⅲ含水巖組共計(jì)獲得補(bǔ)給量4.613萬 m3/d，說明水源地區(qū)同步開采條件下開采層獲得的補(bǔ)給量能保證4萬 m3/d的開采資源量。

3 規(guī)劃開采條件下預(yù)測模型

3.1 開采預(yù)測模型條件

在現(xiàn)狀開采條件模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)小校場擬建水源地規(guī)劃方案布置開采井，進(jìn)行滿負(fù)荷開采20 a。

開采預(yù)測模型所需要使用的數(shù)據(jù)和資料包括：(1)為了體現(xiàn)降雨年際變化特點(diǎn)，降雨入滲采用1992～2011年的降水量來計(jì)算降雨入滲補(bǔ)給量，將其代入模型中；(2)開采量在維持現(xiàn)狀條件下的2011年開采量的同時(shí)，考慮擬建水源地的設(shè)計(jì)開采量；(3)田間灌溉量保持不變，以面狀補(bǔ)給的形式導(dǎo)入模型；排水溝排泄地下水量則利用drain模塊導(dǎo)入模型，由模型自行計(jì)算得出；(4)蒸發(fā)量利用1992～2011年這20 a的蒸發(fā)數(shù)據(jù)，整理成蒸發(fā)文件代入模型，由模型自行計(jì)算。

3.2 模型預(yù)測結(jié)果分析

在規(guī)劃開采條件下，選取枯水年份引黃量(石嘴山市引黃量8億 m3/a)，運(yùn)行20 a預(yù)測模型，得出水源地2031年末期地下水流場與動態(tài)變化趨勢。2031年末第Ⅰ含水層地下水等水位線和初始水位形態(tài)一致；2031年末第Ⅱ含水層地下水等水位線地下水水流方向與初始水位出現(xiàn)較大變化，在水源地開采井附近受集中開采的影響出現(xiàn)明顯的降落漏斗，同時(shí)當(dāng)水源地集中開采20 a后，含水層水位下降，2031年末第Ⅱ含水層地下水降深等值線在開采井附近形成降落漏斗。研究區(qū)總體降深為0～16 m，其中開采井周邊最大降深15.94 m，不超過水源地允許降深39 m。 2031年末第Ⅲ含水層地下水等水位線地下水水流變化趨勢與第Ⅱ含水層相似。在開采井附近受集中開采井影響出現(xiàn)明顯降落漏斗。水源地集中開采20 a，含水層水位顯著下降，2031年末第Ⅲ含水層地下水降深等值線在開采井附近形成降落漏斗。研究區(qū)第Ⅲ層總體降深為0～16 m，其中開采井周邊最大降深為15.63 m，不超過水源地允許降深39 m。

3.3 水源地開采量組成

水源地開采井布置在第Ⅱ含水巖組和第Ⅲ含水巖組，由于第Ⅱ、Ⅲ含水層的抽水，不僅造成本層含水層補(bǔ)給和排泄發(fā)生變化，第Ⅰ含水層補(bǔ)給和排泄也發(fā)生明顯變化。將水源地第Ⅰ含水層未開采條件和在開采條件2萬 m3/d的情況下的均衡進(jìn)行對比分析，可以得出第Ⅰ含水層、第Ⅱ含水層和第Ⅲ含水層地下水各補(bǔ)排量的變化。具體變化如表1至表3。

由表1至表3可知，水源地在第Ⅱ、Ⅲ含水層規(guī)劃開采條件下，第Ⅰ含水層和第Ⅱ、Ⅲ含水層水量都發(fā)生變化，在開采情況下，第Ⅰ含水層蒸發(fā)和排水溝排泄都大量減少，邊界側(cè)向流入有少量增加，邊界側(cè)向流出量和越流補(bǔ)給量少量減少，對于向開采層位越流明顯增加。作為開采層位，第Ⅱ、Ⅲ含水層由于加大地下水開采，激發(fā)邊界側(cè)向流入量和越流量，邊界側(cè)向流出量也明顯減少，成為規(guī)劃開采量的重要組成部分，并動用少量儲存量。

表1 預(yù)測模型第Ⅰ含水層地下水20 a平均補(bǔ)排量變幅表 萬m3/d

表2 預(yù)測模型第Ⅱ含水層地下水20 a平均補(bǔ)排量變幅表 萬m3/d

表3 預(yù)測模型第Ⅲ含水層地下水20 a平均補(bǔ)排量變幅表 萬m3/d

對于水源地規(guī)劃開采層第Ⅱ含水層，地下水開采造成邊界側(cè)向流入和潛水含水層越流量明顯增加，成為開采水量的重要組成部分。水源地規(guī)劃開采量(2萬 m3/d)的來源分析如表4，第Ⅱ含水層開采主要來自與第Ⅰ含水層的越流補(bǔ)給和邊界側(cè)向流入，分別占開采變化量46.91%和31.91%。其中越流補(bǔ)給是由于減少蒸發(fā)和排水溝排泄為主，并在此基礎(chǔ)上動用少量儲存量，占開采變化量的17.18%。由此可見，水源地第Ⅱ含水層的規(guī)劃開采量是有保證的。

表4 水源地第Ⅱ含水層組開采量來源分析表

對于水源地規(guī)劃開采層位第Ⅲ含水層，地下水開采造成邊界側(cè)向流入和上層含水層越流量增加，成為開采水量的重要組成部分。從水源地規(guī)劃開采量(2萬 m3/d)的來源分析如表5來看，第Ⅲ含水層開采主要來自上層含水層的越流和邊界側(cè)向流入的增加量，分別占開采量組成的43.25%和31.63%。并在此基礎(chǔ)上動用少量儲變量，占開采量組成部分的19.05%。這與水位過程線也比較符合，因此第Ⅲ含水層的規(guī)劃開采量是有保證的。

表5 水源地第Ⅲ含水層組開采量來源分析表

4 結(jié)語

本文通過對小校場水源地勘探數(shù)據(jù)分析研究，運(yùn)用GMS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，開采目的層承壓含水巖組可開采資源量為4萬 m3/d是有保證的，進(jìn)一步通過規(guī)劃預(yù)測模型預(yù)測水源地滿負(fù)荷開采20 a時(shí)，承壓含水巖組獲取的補(bǔ)給量可滿足開采資源量，論證了水源地以4萬 m3/d的開采量開采20 a是有保證的。