地下水漏斗修復及效果預測分析

陸海玉, 賈連杰, 趙正國

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

地下水漏斗修復及效果預測分析

陸海玉, 賈連杰, 趙正國

(山東省水利勘測設計院,山東 濟南 250013)

根據研究區水文地質條件,建立地下水數值模型,利用模型對地下水漏斗區修復措施效果進行對比分析,選取了 “開源、促滲、節流、調結構” 的修復方案;通過效果預測,得出修復措施實施后效果明顯,漏斗區地下水位恢復較快,為修復措施的可行性提供支撐,對指導地下水漏斗區綜合治理具有重要的現實意義。

地下水漏斗;水文地質;數值模型;地下水修復;開源;促滲

中國是一個水資源匱乏的國家,隨著國民經濟快速發展,對水資源的需求量越來越大,長期大量集中超采地下水造成全國特別是東部沿海地區出現大量地下水漏斗。山東省平原區地下水超采區面積為12 210 km2,約占全國的1/5,其中尤以淄博—濰坊超采區面積最大,達5 422 km2,占全省地下水超采區總面積的44.4%[1]。漏斗區地下水位持續下降、含水層枯竭、地面沉降、水質惡化、海(咸)水入侵等一系列生態與環境地質問題,危及供水安全和生態安全,嚴重制約經濟社會可持續發展。因此,研究地下水漏斗區修復措施,進行修復效果預測,對指導地下水漏斗區綜合治理具有重要的現實意義。

1 地下水漏斗分布及形成原因

1.1 區內地下水漏斗區分布

通過區內現狀地下水水位調查和監測數據分析,繪制了淺層地下水等水位線圖(圖1),可以看出研究區現狀地下水埋深1.20～37.63 m,地下水位-17.71～11.61 m,淺層地下水在中西部地區由四周向中北部徑流,東部地區由西向東徑流,地下水漏斗區主要集中在區內中部和東部。中部漏斗中心位于田莊鎮仇王—唐山鎮西馬一帶,漏斗中心水位高程<-5.0 m(埋深20 m左右);東部漏斗位于索鎮東北部,漏斗中心水位高程<-17.0 m(埋深30 m左右)。地下水漏斗區以地下水位等水位線4.0 m為基準,初步確定漏斗區面積約為198 km2,占縣域面積的38.90%。

1.2 地下水漏斗區形成原因分析

區內位于山前微傾斜沖積—洪積平原區,地勢南高北低,由西南向東北緩傾,地面坡降1∶700～1∶2 000,海拔高程6.5～29.5 m。研究區第四系覆蓋層厚度250～400 m,地層巖性主要為沖洪積沉積的粘土、砂質粘土、中細砂,沖積湖積沉積的壤土、粘土、粘土質砂、粉細砂及沖積海積沉積的砂質粘土、粘土質粉細砂、粉砂等。上部淺層地下水主要表現為潛水,根據歷史地下水位數據(1980年前),地下水位埋深一般為1.5～2.8 m,地下水流向由西南向東北緩流。

根據調查,20世紀70年代初研究區開始大規模開采地下水,主要用于工業生產、城鄉生活及農田灌溉,隨著城市規模擴大和社會經濟快速發展,地下水開采量不斷增加,地下水位開始不斷下降。由索鎮前畢村26號監測井的長期地下水位觀測數據可以看出,地下水位由1980年的17.45 m下降到2000年的-14.96 m,地下水位下降32.41 m。根據地下水資源量計算,研究區多年平均地下水可開采量為11 648.3萬m3,可開采模數為28.4萬m3/km2;實際地下水年均開采量14 062.0萬m3,實際開采系數1.21[2]。地下水開采井相對比較集中,且多數分布于漏斗區內。

分析認為,地下水的集中超量開采是研究區地下水漏斗形成的主要原因。

圖1 淺層地下水等水位線圖(2014年9月)Fig.1 Contour map of shallow groundwater level (September 2014)1.河流;2.鐵路;3.村莊;4.縣界;5.鄉鎮界;6.縣城;7.閘;8.本次工程項目;9.調查評價范圍;10.現狀地下水等水位線;11.現狀地下水流向。

2 水文地質概況

2.1 水文地質特征

區內位于沖積—洪積平原水文地質區,按照地下水埋藏條件及含水層巖性組合、富水性等特點,垂直方向上由淺到深分為潛水—淺層微承壓水、中深層承壓水、深層承壓水。本次研究的漏斗區地下水主要為潛水—淺層微承壓水。

區內潛水—淺層微承壓水主要賦存于第四系松散沉積物孔隙中,埋深在60 m以上,主要表現為潛水,局部具有微承壓性。含水層累積厚度5～15 m,層數多、單層薄,含水層巖性以粉細砂、細砂為主,其次為中細砂、粉砂,局部地段有中粗砂及小礫石。研究區中部及東部地帶富水性中等,單井涌水量500～1 000 m3/d,呈條帶狀分布;其余大部分區域單井涌水量<500 m3/d。含水層多受古河道的制約,呈條帶狀分布,其補給、徑流、排泄條件和動態變化直接受地形地貌、水文氣象及人為因素的控制。淺層地下水主要補給來源是大氣降水和地表水入滲,其次是灌溉回滲和上游側向徑流。人工開采是淺層地下水的主要排泄途徑,其次是蒸發和地下徑流排泄。

2.2 地下水動態特征

由地下水位動態變化曲線可以看出(圖2),區內地下水年內動態變化主要受降水和開采綜合影響,1—3月份由于開采量較小,水位漸升;之后由于農業春灌大量開采,加之降水稀少,水位大幅度下降,一般在6月水位降至最低;隨后進入主汛期降水增多,地下水得到有效補給,水位回升,多在10月出現最高水位;隨著秋冬農灌開采,水位開始下降。綜上所述,淺層地下水年內多呈升—降—升—降的變化規律。

3 數值模型的建立

地下水數值模擬是根據區內水文地質條件,先建立地下水系統概念模型,再通過數值模擬建立地下水流數學模型,通過不斷調試模型參數進行重復計算,使數值模擬工作成為“數值模擬實驗”,以觀測結果和計算結果擬合差為標準,不斷校正模型,最后達到利用數值模擬實驗方法研究地下水運動機理的目的[3]。

圖2 研究區降雨量與觀測井水位曲線(唐山鎮唐二村監測井)Fig.2 Rainfall and water level observation wells curve of study area(Monitoring well of Tangshan town Tang 2 village)

3.1 水文地質概念模型

3.1.1 邊界條件的確定與概化

根據區內水文地質特征及地下水系統特點,模型西側以勝利河為界、北側以小清河為界,均概化為定水頭邊界,水頭高度根據各河流多年月平均水位按月份分別賦值,模擬河流與含水層之間的側向補排關系。南側、東部均概化為二類流量邊界,邊界流量根據地下水等水位線,通過達西定律分別計算賦值。模型范圍總面積約627.6 km2。

含水層自由水面為模型的上邊界,過該邊界與系統外發生垂向交換,上邊界高程根據地形線及地下水位進行刻畫,下邊界高程根據區域水文地質剖面進行刻畫,取潛水—淺層微承壓水含水層層底,下邊界概化為隔水邊界。

3.1.2 含水層概化

地下水為第四系松散孔隙水,含水層厚度通過區域水文地質鉆孔分別設定,并通過參數的分區賦值區分含水層的性質。

區內含水層存在一定的非均質特征,而不同方向上的差異較小,因而將松散含水介質概化為非均質各向同性。區內含水層厚度比較大,在常溫常壓下地下水運動符合達西定律,故將地下水流運動形式概化為平面二維流。地下水位動態受降水、蒸發、側向補給和河流水位等因素的影響,影響地下水位動態的因素隨時間的變化而變化,地下水水位存在動態變化,地下水運動為非穩定流,將各個水均衡要素逐月輸入模型中。綜上,將區內的地下水流概化為非均質,各向同性潛水二維非穩定流。

3.2 數學模型的建立及求解

3.2.1 水流模型

根據區內水文地質條件,通過分析地下水補、徑、排特征,將區內的含水層概化成非均質、各向同性、二維非穩定的地下水流模型,水流模型用下列的數學模型表述:

3.2.2 模型建立

運用基于有限差分法的GMS軟件包建立區內的地下水流模型,經參數識別與模型檢驗后,對區內地下水流系統進行模擬分析。

根據區內含水層結構和地下水徑流特征,對區內進行網格剖分,剖分后的模擬區單元總數為28 731個,其中有效單元數為17 154個。

3.2.3 源匯項處理

(1) 補給項。模型中的補給項包括降雨入滲補給、定流量邊界補給、灌溉回滲補給。

① 降雨入滲補給。在模型中降雨入滲量按面狀補給量處理。降雨補給量計算公式為:

Q=α×F×X

式中:α、F、X分別為降水入滲系數、降水入滲面積和降水量。

降水入滲面積取研究區整個面積,降水入滲系數α取0.33。降雨量按照水文站觀測的2013年1月—2013年12月份降雨資料的月平均值分月賦值。降雨入滲補給量可以通過模型中Recharge模塊自動計算并進行模擬。

② 定流量邊界補給。地下水邊界流量根據達西定律計算,計算公式為:

式中:Q為單位時間滲流量;K為滲透系數;F為過水斷面;h為總水頭損失;L為滲徑長度。

滲透系數K取邊界處各分區地下水含水層綜合滲透系數;過水斷面F取區內邊界處含水層斷面面積;h/L通過區內邊界處現狀地下水等水位線計算獲取。

③ 灌溉回滲。區內現有耕地面積3.2萬hm2,經計算,農業灌溉回滲量扣除蒸發補給約850萬m3。本次模型建立時根據耕地范圍和面積按面狀補給量平均分配到4月、5月、6月、10月和11月進行處理。

(2) 排泄項。模型中的排泄項包括蒸發、定水頭邊界出流排泄、人工開采量、對深層地下水的越流排泄。

① 蒸發量。區內部分地區潛水埋深較大,蒸發量相對較小。蒸發量按照水文站2013年1月—2013年12月實測蒸發量取每月平均值,蒸發極限埋深取經驗值4 m,蒸發量通過模型中E.T.模塊自動計算并模擬。

② 開采量。根據地方水利局提供開采井資料,淺層地下水開采井共10 647眼,其中10 375眼開采井取水用途是農業灌溉,其它為工業用水、生活用水開采,年開采量總計約1.40億m3。根據開采區域和開采時間對評價區內分區分別進行賦值。

③ 越流排泄。由于區內深層地下水開采程度較高,深層水位持續下降,使淺層水向深層水越流排泄。經計算,多年平均越流排泄量為1 274.9萬m3。

3.3 模型驗證及識別

本次數學模型的識別采用的是試估—校正法。通過參數調整進行反演且結合手工調參,根據收集的降水、蒸發、河流水位及地下水井觀測資料,模型模擬的地下水流場與區內實際監測地下水流場基本吻合,整體擬合較好(圖3)。通過對區內三個觀測井的地下水動態曲線進行擬合,各動態曲線擬合程度滿足要求。

因此,該地下水數值模型符合區內的實際水文地質條件和地下水系統特征,可以利用其進行地下水系統方面的研究,指導地下水漏斗區修復措施的方案選取。

4 地下水漏斗修復措施

治理措施除對地下水漏斗修復效果明顯外,還應盡可能結合當地現有河道、濕地、水庫等水利設施,即充分利用現有水利設施減低工程投資達到有效地下水漏斗修復目的。利用地下水數值模型可以對不同修復方案效果進行預測,通過效果對比、分析,選取最佳的治理方案。

通過對區內現有水利設施進行分析研究,利用地下水數值模型進行方案效果預測對比,區內地下水漏斗區治理選用“開源、促滲、節流、調結構”的方式來減少開采和加大補給,實施地下水漏斗區域的修復和促進地下水位的回升[4]。

4.1 開源

開源即充分利用地表水源替換地下水開采量。區內充分利用分配的引黃水、引江水指標及雨洪資源,通過實施水源工程,為北部、中部工業用水提供穩定水源,實施引水、河道治理和馬踏湖生態濕地工程為沿河及周圍農業灌溉提供客水資源,從而減少工業和農業采用地下水資源現狀,達到替換地下水過量開采的目的。區內通過新建水庫、生態河道及濕地修復等綜合治理工程后,增加雨洪水、引黃及引江水等地表水利用量6 550萬m3,預計每年可減少的淺層地下水開采量3 630萬m3。

4.2 促滲

促滲即通過實施河道攔蓄、生態濕地修復等措施,促進地表水滲漏補給地下水。研究區實施“三橫四縱一濕地”工程加大雨洪資源利用和地表水促滲。通過對區內“三橫四縱”七條河道采取清淤、生態治理、新建或重建攔河建筑物,加大存蓄雨洪水資源量,促進河道滲漏補給地下水;通過馬踏湖生態濕地綜合整治,對雨洪水及黃河客水進行存蓄,加強水體的置換能力,增大地表水面積和范圍,增加入滲涵養地下水源。

4.3 節流、調結構

地下水漏斗反映出的危機主要是水資源利用方式、治水模式與發展觀念的問題。要想從根本上解決地下水漏斗區,不僅需要工程措施保證經濟社會發展,還需要提高水資源的利用效率和效益,促進自覺節水的機制,建設節約型社會。同時加快產業結構調整、工業技術改造,大力發展循環經濟,研究開發和推廣中水回用技術,改變當前的工業和農業以地下水資源為主的用水結構。

圖3 模擬流場和觀測流場擬合圖Fig.3 Fitting figure of simulation of flow field and flow field observation1.河流;2.鐵路;3.村莊;4.縣界;5.鄉鎮界;6.縣城;7.閘;8.本次工程項目;9.模擬范圍;10.模擬地下水等水位線;11.實際地下水等水位線。

5 效果預測

5.1 預測賦值

(1) 區內通過實施水庫、生態河道及濕地修復等綜合治理工程后,增加雨洪水、引黃及引江水等地表水利用量,可減少的淺層地下水開采量為3 630萬m3/a。假定預測期內保持之前建立模型的條件不變的情況下,通過關閉開采井的方式進行賦值,主要分配給地下水漏斗區。

(2) 馬踏湖濕地增加滲漏量按調蓄水量的20%估算,新增滲漏量約400萬m3/a。通過在馬踏湖濕地內增加一個面狀補給源賦值補充地下水。

(3) 河道治理后,河道及坑塘增加的滲漏量按地表徑流量的15%估算,新增滲漏量約300萬m3/a。通過沿各河道設置河流補給賦值補充地下水。

(4) 新建的新城水庫及于家村水庫滲漏量按年調蓄水量的3%估算,新增滲漏量約153萬m3/a,通過在庫區內增加一個面狀補給源賦值補充地下水。

5.2 漏斗區地下水位預測

經模型預測,修復措施實施后,區內地下水水位均有不同程度地上升,在漏斗區上升較為明顯。修復措施實施1年后田莊鎮漏斗區中心地下水漲幅為0.43 m,5年后地下水漲幅為2.34 m,10年后漏斗區地下水漲幅為4.36 m;1年后索鎮漏斗區中心地下水漲幅為2.54 m,5年后地下水漲幅為7.85 m,10年后漏斗區地下水漲幅為12.70 m。索鎮漏斗區中心位置上漲幅度最大,可能是由于該漏斗區地下水水位最低,且位于新建水庫于家村水庫南部不遠處,由于水庫補給和開采量減少,對于漏斗區的修復效果最明顯。修復措施實施10年后地下水漏斗區中心地下水位變化曲線見圖4。

5.3 環境地質問題預測

經模型預測,修復措施實施后,促滲措施中涉及的7條河道、馬踏湖濕地等周邊地下水水位均有不同程度地上升,但上升幅度有限,地下水埋深均大于場區浸沒臨界深度1.50 m,因此修復工程不會引起浸沒、次生土壤鹽漬化等環境水文地質問題。

6 結論與建議

通過對研究區內地下水流場數值模擬預測,修復措施實施后可以得出以下結論:

圖4 地下水漏斗區中心地下水位預測變化曲線圖Fig.4 Forecast the groundwater level change curveof groundwater funnel district

(1) 區內地下水水位在漏斗區上升較為明顯,特別是漏斗區中心位置上漲幅度最大,修復措施將有利于漏斗區地下水位的恢復,說明修復方案有效。

(2) 地下水漏斗區中心位置較周邊地下水位上漲幅度大,這主要是受漏斗區水力坡度大的影響。

(3) 修復工程主要對漏斗區地下水水位影響明顯,其它處地下水水位影響較小,修復工程的運行不會引起浸沒、次生土壤鹽漬化等環境水文地質問題。

地下水漏斗的形成是長期超采地下水所致,除采取工程措施外,還應加強制度管理和監督。同時,促滲工程可能會影響地下水水質,為此提出以下建議:

(1) 加強地下水開采管理和監督,關閉漏斗區地下水開采井,防止地下水超量開采影響漏斗區地下水水位恢復。

(2) 做好地表水的防污染措施,定期對促滲河道、濕地等地表水水質進行監測,防止河水污染影響地下水水質。

(3) 為使地下水漏斗修復更加有效,可以在漏斗區內和流場上游增加回灌井,并加大促滲措施。

(4) 設置地下水長期監控井,發現問題及時采取措施。

[1] 山東省水利廳.山東省地下水超采區綜合整治實施方案[R].濟南:山東省水利廳,2015.

[2] 淄博市水資源管理辦公室、淄博水文水資源勘測局.山東省淄博市水資源綜合調查評價[R].淄博:淄博水文水資源勘測局,2014.

[3] 易立新,徐鶴.地下水數值模擬:GMS應用基礎與實例[M].北京:化學工業出版社,2009.

[4] 山東省水利勘測設計院.山東省桓臺縣利用亞行貸款地下水漏斗區域綜合治理示范工程可行性研究報告[R].濟南:山東省水利勘測設計院,2014.

(責任編輯：陳文寶)

Remediation and Effect Forecast Analysis of Groundwater Funnel Area

LU Haiyu, JIA Lianjie, ZHAO Zhengguo

(ShandongSurveyandDesignInstituteofWaterConservancy,Jinan,Shandong250013)

Paper establishes numerical groundwater flow model based on the hydrogeological conditions of the study area,using the model of the effect of rehabilitation program are analyzed to select the optimal engineering measures; through the “open source penetration,throttling,structural adjustment” is selected. Remedy performance forecasts the results show that the water table funnel region recover faster,the effect is obvious,the feasibility of remedial measures to provide strong support,which guide the comprehensive management of groundwater funnel area has important practical significance.

groundwater funnel; hydrogeology; numerical model; groundwater remediation; raise income; permeation enhancing

2016-04-22;改回日期:2016-05-05

陸海玉(1978-),男,工程師,碩士,地質工程專業,從事水文地質、工程地質勘察及地下水環境科學研究工作。E-mail:Luhaiyu201@163.com

P641.2; P641.8

A

1671-1211(2016)03-0483-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.055

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.024.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31