潿洲島地下水資源開采方案比選分析

覃建錦

(北海河海水利水電設(shè)計(jì)院 廣西 北海 536000）

1 區(qū)域概況

潿洲島是中國北部灣內(nèi)最大的海島，隸屬于廣西北海市。潿洲島四周被海水包圍，淡水資源有限，島上多年（1957年～2006年）平均降雨量為1359.5mm，是潿洲島地表水和地下水補(bǔ)給的主要來源。全島多年平均水資源量約1329.5萬m3，人均占有量831m3，遠(yuǎn)低于全國人均2200m3和全市人均4020m3的水平，屬嚴(yán)重缺水地區(qū)。島內(nèi)地表水資源有限，主要淡水來源為開采地下水，近年來由于對(duì)地下水資源不合理的開采利用，導(dǎo)致島內(nèi)部分區(qū)域出現(xiàn)海水倒灌和地下水位降落漏斗范圍的擴(kuò)大。針對(duì)目前島內(nèi)的水資源情況，有必要制定合理的地下水資源開采方案與相應(yīng)的保護(hù)措施。

2 潿洲島地下水開采方案比選

地下水開采方案比選最主要的評(píng)判指標(biāo)就是地下水位的變化，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)不同地下水資源開采進(jìn)行預(yù)測(cè)。水位預(yù)報(bào)就是將需要預(yù)測(cè)年份的地下水開采量和各源匯項(xiàng)代入到經(jīng)過識(shí)別和檢驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型之中，通過模型的運(yùn)轉(zhuǎn)計(jì)算，計(jì)算出不同用水方案下的地下水位及流場(chǎng)的時(shí)空響應(yīng)狀況。模型預(yù)測(cè)前關(guān)鍵是確定實(shí)際開采方案以及邊界條件和源匯項(xiàng)，調(diào)參準(zhǔn)則為觀測(cè)井的觀測(cè)水位和模擬水位。

2.1 地下水位預(yù)測(cè)

以2006年為現(xiàn)狀年，預(yù)測(cè)期為近期、中期和遠(yuǎn)期三個(gè)水平。根據(jù)歷年降雨資料進(jìn)行降雨的經(jīng)驗(yàn)頻率分析，找出（P=多年平均、10%、50%、75%、95%）的典型年份，采用包含典型年份的系列氣象資料及其邊界條件資料作為預(yù)測(cè)期模擬資料。根據(jù)島嶼降雨量長(zhǎng)系列資料進(jìn)行了降雨頻率分析，選取保證率為P=10%、50%、75%和95%為水平年，2006年為現(xiàn)狀年、2010年為中期預(yù)測(cè)年、2020年為遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)年。

表1 各經(jīng)驗(yàn)頻率水平年對(duì)應(yīng)降雨量

2.2 開采方案制定

在不同的開采條件下，預(yù)測(cè)近期水平年（2015年）和遠(yuǎn)期水平年（2020年）的地下水位變化趨勢(shì)。

（1）開采方案一

2000年地下水深井開采量3630m3/d，地下水淺井開采量764.5m3/d，地下水總開采量為4394.5m3/d，2000年地下水開采量為有記錄資料年份中開采量最大的。按照最不利開采情況，開采方案一認(rèn)為規(guī)劃年地下水深井開采量統(tǒng)一按照2000年3630m3/d不變，計(jì)劃2009年開始啟動(dòng)潿洲水庫，淺井統(tǒng)一關(guān)閉（根據(jù)潿洲島統(tǒng)一供水規(guī)劃方案），地表水開采量保持1800m3/d，地表地下水總用量為5430m3/d。具體見表2。

（2）開采方案二

潿洲終端處理廠機(jī)井停采，并以潿洲新水廠作為生產(chǎn)新供水水源條件下，2006年地下水開采量為深井地下水開采量2120m3/d，淺井地下水開采量800m3/d，地下水總開采量為2920m3/d，地表水主要用作少量農(nóng)業(yè)灌溉用水，在此可忽略不計(jì)，因此，總用水量為2920m3/d。2009年開始啟動(dòng)潿洲水庫，地表水開采量保持為1800m3/d，此時(shí)淺井關(guān)閉，深井開采量保持2120m3/d不變，總用水量為3920m3/d。

2.3 地下水位模擬分析

文章采用MODFLOW模擬軟件，模擬不同開采方案對(duì)地下水位造成不同的影響。水文地質(zhì)模型的常水頭邊界為潿洲島計(jì)算區(qū)域與海水交界被海水覆蓋的環(huán)形區(qū)域，越流邊界為不同含水層之間的邊界。模型在xyz平面分為3層，從上至下依次為潛水含水層、弱透水層和承壓含水層，潛水含水層和承壓含水層剖分重疊，水文地質(zhì)模型如圖1所示。

2.3.1 地下水開采方案模擬

輸入相關(guān)參數(shù)后得到兩種方案下的干涸單元分布，如圖2.3所示。

2.3.2 模擬結(jié)果分析

分析方案一模擬結(jié)果可知，圖2中深黃色區(qū)域?yàn)楦珊詥卧愃频雀呔€的連續(xù)曲線為等水位線，次外層深藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹Ｋ畢^(qū)域，最外層綠色區(qū)域?yàn)闊o效單元。疏干單元幾乎包含島上主要地下水開采區(qū)，淺井干涸，極容易不可逆轉(zhuǎn)的導(dǎo)致地面塌陷，房屋裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。此方案不能滿足潿洲島淡水資源的長(zhǎng)期可持續(xù)開采，采取新的開采方案迫在眉睫。

表2 2007年～2020年供水計(jì)劃（開采方案一）

表3 2007年～2020年供水計(jì)劃（開采方案二）

從方案二的干涸單元模擬結(jié)果中可以看出，圖3中深黃色區(qū)域?yàn)楦珊詥卧B續(xù)曲線為等水位線，次外層深藍(lán)色區(qū)域?yàn)楹Ｋ钔鈱泳G色為無效單元。疏干單元范圍相比開采方案一明顯縮小，且目前的小范圍疏干單元處于島正中間，影響不大。認(rèn)為此方案可以滿足潿洲島淡水資源的可持續(xù)開采，開采方案可行。

通過對(duì)兩種不同方案預(yù)測(cè)結(jié)果地下水位變動(dòng)、開采區(qū)域漏斗影響區(qū)域變化等比較，相比之下選取開采方案二比較合理。

圖1 含水層的空間離散示意圖

圖2 方案一干涸單元分布圖

圖3 方案二干涸單元分布圖

圖4 東西向剖面粒子流動(dòng)跡線圖

圖5 南北向剖面粒子流動(dòng)跡線圖

圖6 東西向剖面濃度等值線圖

3 地下水受海水入侵分析

在初步確定開采方案二的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)島嶼對(duì)海水入侵進(jìn)行深入研究和探討，分析在開采方案二的情況下島嶼受海水入侵的威脅。

3.1 示蹤跡跟蹤下的水流跡線

東西向剖面和南北向剖面各賦予假想粒子跟蹤水流運(yùn)動(dòng)，軟件模擬區(qū)域內(nèi)40年后粒子隨水流運(yùn)動(dòng)的較完整跡線，結(jié)果如圖4、圖5所示。分析模擬結(jié)果可知，水流跡線基本都越過主要區(qū)域的開采層即承壓含水層；通過粒子運(yùn)移的跡線可以推測(cè)得出，地下水資源咸淡水分界面包含了整個(gè)承壓含水層。這就表明島上淡水仍是輻射狀穿過整個(gè)含水層流入大海，并沒有出現(xiàn)海水反向入侵島內(nèi)開采區(qū)情況，因此，在開采方案二下40年內(nèi)不會(huì)發(fā)生海水入侵。

3.2 地下水溶質(zhì)運(yùn)移

根據(jù)我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，取Cl-1的含量250mg/L可以作為海水入侵的標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)?shù)叵滤瓹l-1的含量超過250mg/L，就認(rèn)為發(fā)生海水入侵。把海水按照定水頭常濃度計(jì)算40年后該島的剖面濃度等值線圖，如圖6所示。200mg/L的等值線遠(yuǎn)離模型主要地下淡水開采區(qū)，再次說明并未發(fā)生海水入侵。

3.3 模擬結(jié)果分析

采用靜態(tài)法估計(jì)咸淡水分界面，認(rèn)為淡水面每高出海水面1m，淡水分界面下移40m，潿洲島中部有的地方淡水水位達(dá)到20多米，海水位平均水位才0.36m，按照靜態(tài)法估計(jì)得到的最大咸淡水分界面埋深應(yīng)該為800多米，而研究承壓含水層深度不到400m，認(rèn)為沒有海水入侵，用靜態(tài)法分析是合理的。而采用MODFLOW模型進(jìn)行參數(shù)率定后，再用已有的資料驗(yàn)證了模型，模型有相當(dāng)?shù)木群涂煽啃浴?/p>

4 結(jié)語

通過對(duì)新的開采方案進(jìn)行地下水位和水質(zhì)的模擬預(yù)測(cè)分析，沒有形成大的地下水降落漏斗，咸淡水分界面顯然低于開采層，不會(huì)發(fā)生海水入侵，說明方案二是可行。所得結(jié)論可為該島地下水開采提供參考意見，防止盲目開采導(dǎo)致地下水位降落漏斗、發(fā)海水入侵等環(huán)境生態(tài)破壞等問題。陜西水利

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