仙桃市應急水源地地下水流數值模擬分析

張勝偉, 陳夢源, 李 哲, 彭 慧, 陳 鈺

(湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

仙桃市應急水源地地下水流數值模擬分析

張勝偉, 陳夢源, 李 哲, 彭 慧, 陳 鈺

(湖北省地質環境總站,湖北 武漢 430034)

為了分析仙桃市應急水源地的開采潛力和開發利用方案,選擇地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊,對研究區模型進行合理的邊界條件概化,通過模型的調試和識別,確定可靠的水文地質參數,計算得到研究區允許開采量為1.561×108m3/a。對開采潛力進行評價分析,確定開發利用方案:宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,采用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,需新增布設34眼,井距>500 m。

應急水源地;數值模擬;開發利用方案;仙桃市

在全面收集、系統分析工作區內現有水文地質資料、開展地下水現狀調查與水文地質勘查的基礎上,對工作區的地下水資源進行評價,選擇了地下水模擬軟件GMS中的MODFLOW模塊,對研究區模型進行了合理的邊界條件概化,通過模型的調試和識別,確定可靠的水文地質參數,計算得到研究區允許開采量為1.561×108m3/a,并對開采潛力進行評價分析,確定開發利用方案,為政府部門應對在連續干旱或發生水安全突發事件等導致供水大量缺失的情況下提供解決措施和動態管理提供依據[1]。

1 研究區概況

1.1 研究區含水層特征

仙桃市應急水源地主要包括全新統粉質粘土、粉細砂孔隙潛水[Q4]和上、中更新統、砂礫石孔隙承壓水[Q2+3]兩個含水巖組(見圖1)。其中第四系全新統孔隙潛水含水巖組水位、水溫動態受季節控制明顯,水量貧乏,無實際供水意義,故此地下水巖組不作為應急水源地評價分析對象。

第四系上、中更新統孔隙承壓水含水巖組下伏[Q4]之下,含水巖組巖性主要為粉砂、砂、砂礫石,砂礫石含量占10%～15%,礫徑一般為0.5～2 cm。含水層厚度變化不大,總體上有從西到東、從南向北逐漸變薄的趨勢。在西部陳場、姚嘴等地最厚,為100～120 m,北部漢江沿線一般為30～80 m不等,東部西流河、沙湖等地最薄,為30 m,南部一般為70～100 m,含水層頂板埋深在15～30 m,上覆有一層較穩定的隔水層。

[Q2+3]孔隙承壓水水位埋深一般為0.6～5.4 m,承壓水頭一般高出頂板5～20 m,側壓水位高程一般為25～35 m。單位涌水量100～1 200 m3/d·m。該含水巖水組分布廣,厚度大,水量豐富,頂板和水位埋深較淺,水質較好,開采條件好,是地下水主要利用層位,是應急水源地地下水評價的主要研究對象。

1.2 地下水的補給、徑流、排泄

1.2.1 補給

[Q2+3]孔隙承壓水的補給來源主要為側向徑流和漢江水頭以及孔隙潛水對承壓水有較強的越流補給。此外,據鉆孔資料反映,漢江在本區范圍內大部分地段切穿了上部[Q2+3]孔隙承壓含水層的隔水頂板,使得地表水與[Q2+3]孔隙承壓含水層直接連通,地表水也成為其重要的補給來源。

1.2.2 徑流

由于本區處于漢江平原腹地,地勢平坦,地形高差較小,隔水層頂、底板基本水平,水位高程相差甚小,水力坡度小,因而地下水流速十分緩慢,基本處于停滯狀態。地下水水位高程一般在18～25 m,水力坡度在1/3 000～1/6 000之間。地下水總體自西北向東南徑流,漢江水側向徑流補給地下水。

圖1 仙桃市應急水源地水文地質剖面圖Fig.1 Profile of hydrogeololgy of emergency water source in Xiaogan City1.第四系人工堆積物;2.第四系全新統;3.第四系更新統;4.人工填土;5.粉質粘土;6.砂礫石;7.粉細砂;8.地下水穩定水位;9.鉆孔及編號。

1.2.3 排泄

孔隙承壓水的排泄以向鄰區徑流排泄和人工開采排泄為主,在豐水期也通過越流向下伏[N2+Q1]裂隙孔隙承壓水排泄,枯水期由于部分地段地下水位高于地表水位,這時地下水也向地表水排泄。

2 地下水資源量計算

2.1 水文地質概念模型及地下水數學模型的確定

研究區[Q2+3]孔隙承壓含水層與[Q4]孔隙潛水含水層之間夾一弱透水層,在部分地區上下兩層含水層通過天窗直接溝通,其上[Q4]潛水含水層通過越流與[Q2+3]承壓含水層發生水量交換。因此,該水文地質模型可概化為[Q4]潛水弱含水層、[Q2+3]孔隙承壓水含水層兩層非均質各向同性承壓準三維不穩定流模型[2]。數學模型描述如下:

H(x,y,t)|t=0=H1,0(x,y)

H(x,y,t)|(x,y)∈B=H1,1(x,y,t)

式中:H為弱透水層的水頭函數(m);H1為[Q2+3]承壓水含水層的水頭函數(m);H1,0、H0分別為各含水層初始時刻的水頭函數(m);H1,1為[Q2+3]承壓水含水層一類邊界上的水頭函數(m);μs、μ分別為弱透水層和[Q2+3]承壓水含水層的彈性釋水系數;T為[Q2+3]承壓水含水層的導水系數(m2/d);K、m分別為弱透水層的滲透系數(m/d)及厚度;v為弱透水層流入[Q2+3]承壓水含水層的越流強度(m/d);B表示一類邊界;ε為[Q2+3]承壓水含水層單位面積開采量。

2.2 邊界條件的概化

模擬評價區北面以漢江為界(自然邊界),其它邊界為人為劃定的邊界(人工界定的界線),面積為340.98 km2,計算區邊界均概化為一類已知水頭邊界,漢江邊界用漢江水位給定,其余邊界水頭值均用邊界相鄰水文孔水位采用插值法控制。

2.3 模型的調試與識別

為了使所建數值模型能對客觀水文地質模型達到仿真,需對模型進行調試和識別。將模型中需要的各種參數輸入到計算機中進行反復運算模擬,不斷調整,使模擬的結果達到較為逼真的效果,以作為模型識別的參數[3]。

2.3.1 模擬的初始時間和步長的確定

本次模型識別對應長觀孔5 d一觀的時間序列,取計算步長為5 d,以2010年3月1日為初始時刻,2010年3月1日—2010年9月30日共計214 d為擬合時段進行擬合求參。

2.3.2 模型識別

在已概化邊界條件及試驗獲取參數條件下,對上述水文地質數學模型進行識別計算,對評價區內的8個長觀孔水位進行了擬合分析(見圖2),并對擬合誤差進行分析(見表1)。

由圖2和表1可以看出,除了長觀孔ZK006在部分時間段擬合的不夠理想外,大部分長觀孔擬合均較好,證明模型是較合理的,可以用這個模型來計算本區的地下水允許開采量。

2.3.3 模擬參數的確定

經過上述對模型的調試和識別,求得計算區內含水層的參數,所得參數等值線見圖3。

表1 各長觀孔擬合誤差統計表Table 1 Statistical table of fitting errors of each observation hole

圖2 長觀孔水位擬合曲線圖Fig.2 Water level fitting curve of long observation hole

2.4 計算結果

用以上識別的數值模擬模型,在現狀開采條件下,對研究區進行地下水允許開采量計算。研究區根據參數等值線進行計算,模型分別算得開采資源模數為3.65×104m3/km2·a、36.5 ×104m3/km2·a、43.8×104m3/km2·a、54.75 ×104m3/km2·a、73.0×104m3/km2·a、80.3 ×104m3/km2·a。根據計算繪制開采資源模數等值線圖(見圖4),計算得到[Q2+3]允許開采量為1.561×108m3/a。

3 應急水源地開發利用方案分析

3.1 地下水開采潛力分析

3.1.1 地下水開采潛力評價分析原則

地下水開采潛力分析,按國土資源部頒《縣(市)區域水文地質調查基本要求》進行。對于開采潛力指數P>1.2的區域,按表2劃分開采潛力區[4]。

3.1.2 地下水開采潛力評價分析

圖3 [Q2+3]含水層調參后參數等值線圖Fig.3 Parametric contour map of [Q2+3] aquifer after parameter adjustment

圖4 開采資源模數分區圖Fig.4 Partition diagram of mining resource modulus1.開采資源模數>50(104 m3/km2·a);2.開采資源模數40～50(104 m3/km2·a);3.開采資源模數30～40(104 m3/km2·a);4.開采資源模數20～30(104 m3/km2·a);5.開采資源模數10～20(104 m3/km2·a);6.開采資源模數<10(104 m3/km2·a);7.地下水開采資源模數分區界線;8.城區及鄉(鎮、農場)行政界線;9.街道辦事處;10.村級標注。

開采潛力可增允許開采量/(104m3·km-2·a-1)備注潛力較小<10潛力中等10～20潛力較大>20可增加允許開采量=單位面積允許開采量-單位面積地下水已開采量

本研究區[Q2+3]孔隙承壓水允許開采量為1.561×108m3/a,現狀開采量為554.12×104m3/ a,可增允許開采量為230.41×104m3/km2·a,地下水開采潛力按照鄉鎮、街道辦事處進行統計計算,統計情況見表3。

從表3可以看出,研究區內的所有地區開采潛力指數均>1.2,為有潛力開采區。除了干河街辦(0.76×104m3/km2·a)可增允許開采量<10×104m3/km2·a,為開采潛力較小區,以及龍華街辦(18.92×104m3/km2·a)可增允許開采量<20×104m3/km2·a,為開采潛力中等區外,其他的均>20×104m3/km2·a,開采潛力較大。

3.2 開發利用方案

仙桃市應急供水水源地地下水類型屬于第四系孔隙承壓水,地下水水位埋深1～2 m,含水層頂板埋深30～40 m,含水層厚度>70 m,單位涌水量接近1 000 m3/d·m,屬水量豐富區,其開采潛力滿足應急水源地開采的需要。

根據上述條件,確定仙桃市應急供水水源地開采利用方案:適宜機井開采,宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,管材采用鋼管,用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,結合市政規劃和建筑物布局,采用網狀布設開采井,井距>500 m。根據應急城市生活用水定額標準,仙桃市城鎮生活用水需水量為5.4×104m3/d,需布設開采井54眼,目前已有開采井24眼,其中有4眼距離<500 m,不符合布設條件,因此需新增布設34眼,井距均>500 m,以滿足應急開采的需要。

表3 仙桃市地下水開采潛力一覽表Table 3 List of groundwater exploitation potential in Xiantao

注:開采潛力指數=允許開采量/已開采量。

4 結論與建議

(1) 本文建立了仙桃市應急水源地數值模型,模擬結果和實測數據擬合較好,可以用來對工作區的地下水資源量進行評價分析,計算該區允許開采量為1.561×108m3/a。

(2) 通過開采潛力評價,確定了開發利用方案:宜開采深度為90～100 m,管徑適用250 mm,用30 m3/h的泵量取水,且保證抽水時間在每天16 h,需新增布設34眼,井距>500 m。

(3) 建議對劃定的應急水源地進行水位、水質及地面沉降等進行長期監測,發現問題應及時制定處理措施。

[1] 沈媛媛,辛寶東,郭高軒,等.北京房山巖溶水應急水源地地下水流數值模擬及預測 [J].南水北調與水力科技,2011,9(5):103-106.

[2] 程剛,鄒安權,張勝偉,等.武漢城市圈地質環境調查與區劃報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,2016.

[3] 付曉剛,李擇,王保君,等.鄭州航空港區應急地下水水流數值模擬及預測[J].工程勘察,2013,41(5):33-38.

[4] 王澤峰,王麗艷,計升平,等.湖北省地質環境總站,湖北省武漢市黃陂縣地下水資源調查與開發區劃報告[R].武漢:湖北省地質環境總站,1998.

Numerical Simulation Analysis of Groundwater Flow ofEmergency Water Source in Xiantao City

ZHANG Shengwei, CHEN Mengyuan, LI Zhe, PENG Hui, CHEN Yu

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430034)

In order to analyze the exploitation potential and development and utilization scheme in Xiantao City Emergency Water Source,the authors choose the MODFLOW module from the groundwater simulation software GMS,make a reasonable boundary condition generalization for study area model,and through the model debugging and recognition,determine the reliable hydrogeology parameters,and the allowable exploitation quantity are calculated to be 1.561×108m3/a.The exploitation potential is evaluated and analyzed,and the development and utilization scheme is determined: the appropriate mining depth is 90～100 m,the pipe diameter is 250 mm,pumping water with 30 m3/h,and to ensure that pumping time in 16 hours a day.It need layout 34 new eyes with over 500 m well spacing.

emergency water source; numerical simulation; development and utilization scheme; Xiantao city

P641.2

A

1671-1211(2017)06-0735-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.06.013

2017-08-21;改回日期2017-10-13

長江中游城市群地質環境調查與區劃國家計劃項目(121201094038)。

張勝偉(1981-),男,工程師,碩士,環境科學專業,從事水文地質、工程地質方面的工作。E-mail:158221372@qq.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20171026.0843.014.html數字出版日期2017-10-26 08:43

李雯)