長江北部三角洲-里下河沉積典型過渡區承壓地下水數值模擬

李朗，姚炳魁，黃曉燕

（江蘇省地質調查研究院，南京210018）

長江北部三角洲-里下河沉積典型過渡區承壓地下水數值模擬

李朗，姚炳魁，黃曉燕

（江蘇省地質調查研究院，南京210018）

姜堰市地處長江北部三角洲沉積區與里下河沉積區間的過渡帶，孔隙承壓地下水分布復雜，南北差異明顯，地下水資源評價難度大。對研究區復雜孔隙承壓地下水系統進行了三維數值模擬，并在模型識別、驗證的基礎上，確定出符合水位控制要求的可開采資源量及優化開采布局。結果證明，通過三維數值模型進行地下水資源評價，既能客觀再現復雜的水文地質結構和水文地質條件，同時也有助于對地下水資源進行科學有效管理。

沉積區過渡帶；孔隙承壓地下水；資源評價；數值模擬

江蘇省中部長江北部三角洲沉積區與里下河沉積區的交界地帶，由于地處兩個不同的水文地質單元，受古地貌、古沉積環境的影響不盡相同，孔隙承壓地下水的賦存條件極為復雜。該區域地處湖蕩低洼平原，地面高程較低，作為該區域主要用水來源之一的孔隙承壓水若過量開采，地下水位的快速下降極易引發地面沉降等環境地質災害。本文以姜堰市為例，旨在通過建立承壓地下水三維數值模型來刻畫該過渡區復雜的水文地質結構，優化地下水可采量和開采布局，進而調控地下水位的下降趨勢來緩解上述不合理開采對環境的影響。

1 研究區水文地質概況

姜堰市域內松散巖類孔隙水，從淺到深依次為全新統潛水含水層、上更新統第Ⅰ承壓含水層、中更新統第Ⅱ承壓含水層、下更新統第Ⅲ承壓含水層，其間以弱含水的粘性土層相分隔（圖1）。由于地處長江北部三角洲平原沉積區與里下河湖蕩平原沉積區的過渡地帶，研究區含水層沉積環境復雜，北部里下河湖蕩平原沉積區砂層顆粒較細，以中細砂、粉細砂為主，砂層厚度薄且呈多層狀，水量一般；南部長江三角洲沉積區含水層組具有厚度大、砂層層次少（局部地段第四系含水層組之間無穩定隔水層，為連通性巨厚狀砂層）、顆粒粗（多為砂礫結構）、水量豐富的特點，中部過渡區含水層富水性在南北之間。當地地下水主要開采層為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，由于上世紀90年代至本世紀初地下水開采量的劇增，目前區內各層地下水位下降明顯，均已形成區域性地下水位降落漏斗。

2 研究區承壓地下水系統模擬模型

2.1 承壓地下水系統概念模型

將研究區第四紀松散承壓含水層系統概化為5層，為第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層及各含水層間的粘性土弱含水層，各層均概化為非均質各向異性。各層的水平側向邊界均按通用水頭邊界處理，模型底板的垂向邊界作隔水邊界處理，考慮到潛水層的垂向補給作用，模型頂板的垂向邊界作流量邊界處理。各含水層由于受到人工開采的長期強烈影響，且局部地段因隔水層缺失使各含水層上下聯通，地下水滲流特征極其復雜，故將整個地下水流態概化為三維非穩定流。研究區地下水開采均以開采井為單位，按實際統計開采量賦予。

2.2數學模型

根據水文地質概念模型，建立與之相適應的數學模型［1］∶式中∶H為點（x，y，z）在時刻t的水頭值（L）；Kx，KY，KZ為各主方向滲透系數（L.T-1）；μs為儲水率（L-1）；W為源匯項（T-1）；H0為計算域初始水頭（L）；H1為第一類邊界的水頭值（L）；q（x，y，x，t）為第二類邊界上的單位面積流量（L.T-1）；Ω為計算域；、Γ1、Γ2分別為第一類邊界、第二類邊界；t為時間（T）。

2.2 模型的識別與驗證

上述模型采用有限差分法［2-4］進行數值求解，各層網格剖分為不等距平面長方體，并運用共軛梯度法（PCG）聯立迭代求解數學方程［5］。在平面上全區剖分為49×43的矩形網格單元，在剖面上將第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個承壓含水層和含水層間的二個粘性土弱透水層剖分為獨立的層位進行計算，共5層，每層有效計算單元為1052個（圖2～圖3）。2009年1月1日至2010年6月30日作為模型的識別時段，2010年7月1日至2010年12月31日作為模型的驗證時段。將每個季度作為一個開采制度期，每個制度期分5個時間步長，識別時段6個制度期，驗證時段2個制度期。

含水層的初始水位由實測給出，弱透水層的初始水位由上下含水層水位插值獲得。區內各開采井的開采量均由實際調查獲得。用于水位擬合的觀測孔位總計11個，基本控制全區。各含水層通用邊界上的水頭值由實測經插值后賦予，邊界水力傳導系數按前人資料結合野外試驗數據賦予，潛水含水層對第Ⅰ承壓含水層的水量補給強度在綜合參考區域地質條件、臨近區域和前人研究結果的基礎上賦予經驗值［6-9］。各含水層參數分區的參數初值根據區域水文地質條件結合野外試驗數據賦予。

以第Ⅲ承壓含水層為例，圖4為2009年12月31日各觀測井的計算水位與實測水位擬合情況，其水位擬合誤差均在1 m以下，末時刻的計算流場與實測流場擬合情況見圖5。模型參數分區見表1。

2.3 模型結果可靠性分析

模型的識別應符合地下水系統的結構特征和水位動態變化趨勢，另外模型要收斂、穩定。從總體上看，模型計算得到的各含水層水位流場在變化趨勢、周期、等

水位線分布等方面與實測流場律基本吻合；各層參數值的級別大小均符合常規，參數值除了在局部上能較好地滿足觀測孔的實測值與計算值對比精度要求外，在整體上也與研究區水文地質條件、區域資料一致。參數擬合結果描述地下水系統的數學模型收斂、穩定，說明模型的收斂性和穩定性較好。

3 承壓地下水可采資源評價

3.1 評價方案

由于地處長江三角洲沉積區與里下河沉積區的過渡地帶，姜堰承壓含水層南北富水性差異較大，而地下水開采量在區域分布也極不均衡，導致姜堰市各承壓含水層已形成區域性水位降落漏斗。因此，為防止地面沉降等環境地質災害的發生，提出至2020年第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的最低水位應分別控制在-15 m、-20 m、-28m。將2011年4月17日～2020年12月31日作為預測時段，以2011年地下水的開采布局為基礎，通過調整地下水的開采布局，最終得到符合水位控制條件的優化承壓地下水可開采量和滿足此可開采資源量的合理開采布局。

3.2 評價結果

模型運行結果表明∶按規劃方案進行開采，全市第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的優化可開采量為2516.58萬m3，其中第Ⅰ承壓地下水可開采量為474.45萬m3，占比18.31%；第Ⅱ承壓地下水可開采量為729.76萬m3，占比28.17%；第Ⅲ承壓地下水可開采量為1386.37萬m3，占比53.52%。2014年后各含水層中的水位降落漏斗發展均趨于平緩，2017年后達到穩定，2020年12月31日第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層的預測最低地下水位標高分別為-14.59 m、-19.92 m、-25.12 m（圖6），滿足水位控制要求。目前水位下降較快的鄉鎮各主采層地下水可采資源量調整情況見表2。

4 結束語

由于地處兩種沉積環境的過渡帶，姜堰市孔隙承壓地下水賦存條件復雜，且局部區域因弱透水層缺失而存在上下含水層聯通的現象，同時由于前期過量開采，各承壓含水層均形成區域性水位降落漏斗，地下水滲流具有明顯的三維特征。通過三維數值模型所建立的地下水資源評價系統，既客觀再現該區域孔隙承壓水復雜的水文地質結構，模型的水文地質參數、邊界條件也符合區域水文地質特征，同時流場的宏觀規律和地下水動態擬合較好，模型正確可靠，具有較高的仿真度。運用該模型進行地下水資源量評價，既有助于實現對孔隙承壓含水層系統的統一管理與分層、分區管理，又可發現地下水開采布局存在的缺陷進而改進，最終實現對承壓地下水資源的可持續利用。

［1］Bear J.地下水水力學［M］.北京:地質出版社'1985.

［2］邵景力'趙宗壯'崔亞莉'等.華北平原地下水流模擬及地下水資源評價［J］.資源科學'2009'31(3）:361-367.

［3］盧丹美.地下水數值模型和軟件的特點及在我國的應用現狀［J］.中國水運'2013'13(1）:107-109.

［4］王浩'陸垂裕'秦大庸'等.地下水數值計算與應用研究進展綜述［J］.地學前緣'2010'17(6）:1-12.

［5］任銘'張永勝'景元萍.一類偏微分方程的幾種并行迭代算法［J］.武漢理工大學學報:信息與管理工程版'2011'33(1）:69-73.

［6］周念清'朱蓉'朱學愚.MODFOLW在宿遷市地下水資源評價中的應用［J］.水文地質工程地質'2000'27 (6）:9-13.

［7］駱祖江'張英英'施春華.南通市第四紀松散沉積層地下水資源評價規劃三維數值模型［J］.水資源保護'2009'25(5）:19-24.

［8］付延玲.基于地面沉降控制的區域性松散沉積層地下水可采資源規劃評價［J］.吉林大學學報:地球科學版'2012'42(2）:476-484.

［9］張文喆'王錦國'徐爍.徐州奎河淺層地下水數值模擬［J］.科學技術與工程'2013'13(13）:3793-3797.

Numerical Simulation for Confined Groundwater in Typical Transition Region Between Yangtze River North Delta Deposition and Lixia River Deposition

LILang，YAO Bingkui，HUANG Xiaoyan
（Geological Survey Institute of Jiangsu Province，Nanjing 210018，China）

Located in transition region between Yangtze River North Delta deposition area and Lixia River deposition area，the distribution of pore confined groundwater in Jiangyan is complex，and its north-south differences are obvious，so the groundwater resource is difficult to evaluate.A three-dimensional numericalmodel is built for the groundwater system of pore confined aquifer in Jiangyan.Based on the recognition and verification of thismodel，the exploitable amount of groundwater and the optimized exploitation pattern are established for control requirement of thewaterlevel in the each aquifer.The results prove that the groundwater resources evaluation with three-dimensional numerical model，not only reproduces the complex hydrology structure and condition of aquifers，but also contributes to the scientific and effectivemanagement of groundwater resources.

transition region of sediment area；pore confined groundwater；resources evaluation；numerical simulation

TV211.1+2

A

1673-1549（2014）01-0073-04

10.11863/j.suse.2014.01.19

2013-08-28

李朗（1980-），男，四川達州人，工程師，主要從事水文地質環境地質方面的研究，（E-mail）lilang_jsgs@163.com