姜堰區淺層地下水資源開發利用管理

趙敏　陳婧　周華　衣鵬

摘要：由于姜堰區淺層地下水開發利用缺乏統一的規劃，并且隨著開發利用規模不斷擴大，可能會出現局部采補失衡的情況，研究姜堰區淺層地下水開發利用管理十分有必要。基于姜堰區水文地質條件和抽水試驗所得參數，利用Visual MODFLOW軟件建立姜堰區水文地質數學模型，并通過不斷調試參數使模擬水位和實測水位擬合情況較好，證明建立模型合理有效，能真實地反映當地的水文地質條件，可用于姜堰區淺層地下水水位預測。以水位為控制目標，預測未來2030年姜堰區淺層地下水可開采量。結果表明，現狀開采條件不變情況下，2030年姜堰區淺層地下水可開采量為467.04萬m3/年;并與現狀實際開采情況進行對比，分析研究區淺層地下水開發利用潛力為76.41，遠遠大于1.2。表明現狀開采條件情況下，研究區淺層地下水仍具有一定的開采空間。因此，應嚴格按照淺層地下水剩余資源量分區圖對研究區淺層地下水開發利用進行指導，針對有開采潛力區進行科學合理布井。

關鍵詞：Visual MODFLOW;淺層地下水;可開采量;開發利用潛力;剩余資源量;姜堰區

中圖分類號：P641.8 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0044-05

Abstract： Since the lack of unified planning， continuous expanding development and utilization of shallow groundwater might resulted partial imbalance in Jiangyan district. Based on the hydrogeological conditions and the parameters from pumping tests， a mathematical model of hydrogeologic in Jiangyan district was established by using Visual MODFLOW software. After continous adjustion of the parameters， the model was proved to be reasonable and effective for its good fitness on water level simulating. It can truly reflect the local hydrogeological conditions， and could be used to predict the shallow the groundwater level in Jiangyan district， and further predict the exploitable amount in future 10 years with the water level as control index. The results showed that the exploitable amount of shallow groundwater in Jiangyan district is 4.670 4 million m3/a till 2030 if current exploitation conditions unchanged. Compared with the actual exploitation situation， the exploitation and utilization potential of shallow groundwater in the study area is 76.41， which was far greater than 1.2. It indicated that under the current mining conditions， the shallow groundwater in the study area still has a certain mining space. Therefore， it is necessary to guide the development and utilization on the shallow groundwater in the study area in strict accordance with the distribution map of the remained shallow groundwater， and arrange the wells scientifically and reasonably at the potential areas.

Key words： Visual MODFLOW; shallow groundwater; exploible ammount; development and utilization potential; surplus resources; Jiangyan district

淺層地下水資源是維持生態環境的重要因子，在經濟社會可持續發展中起著至關重要的作用[1]。根據中國地質調查局在全國范圍內的調查結果顯示，由于不合理的地下水開采和城市化進程的加快，地下水開采地段有不同程度的污染趨勢[2]，城市也不同程度出現地面沉降和地裂縫災害等地質危害情況。因此，加強地下水資源管理和保護已經成為中國經濟社會發展的戰略問題[3]。

地下水可開采量是地下水資源開發利用管理的重要內容之一[4]，目前地下水可開采量評價主要是通過建立地下水數值模型來實現，其中運用較為廣泛的為Visual MODFLOW，比如，Lautz等[5]利用三維模型MODFLOW和MT3D模擬了地表水和地下水的匯流過程。Narula等[6]將SWAT、MODFLOW和MT3DMS軟件集成研究喜馬拉雅流域的地下水演變規律和硝酸鹽運輸。束龍倉等[7]采用Visual MODFLOW對河北省承德市水源地內的開采井進行水均衡預測分析，設計出最佳開采方案。高慧琴等[8]將MODFLOW與FEFLOW的應用領域和原理進行對比分析，提出未來發展趨勢。

目前針對姜堰區地下水資源的研究多集中于承壓水[9]，潛水含水層地下水研究甚少，本研究在采用Visual MODFLOW對姜堰區承壓含水層可開采量進行評價的基礎上，運用系數法計算潛水含水層可開采量，從而掌握姜堰區淺層地下水可開采量，為姜堰區淺層地下水資源合理開發利用提供科學依據。

1 ?研究區概況

姜堰區位于江蘇省泰州市東部，東鄰海安縣，西靠海陵區，南接泰興市，北依興化市。本次模擬區域為姜堰區全區，研究區面積為927.52 km2。姜堰區屬于亞熱帶季風氣候，年平均降雨量為1 043.84 mm，年平均蒸發量為848.53 mm。姜堰區內主要骨干河道有新、老通揚運河，中干河，姜溱河，東、西姜黃河等;湖泊集中分布于區內西北，面積較大的有溱湖。

按形態特征、沉積環境的不同，研究區可劃分兩大地貌單元，大致以新通揚運河為界，北部為里下河低洼湖沼平原，區內地勢由東往西傾斜，洪林以東地面標高一般在3.0～5.0 m，以西標高一般在1.4～2.5 m，地表巖性以亞黏土、淤泥質亞黏土為主;南部為長江三角洲沖積平原，地面標高一般為4.5～6.0 m，最高9 m，地表巖性以亞黏土、粉土為主。

姜堰區分布最廣泛、水量最豐富的地下水類型為松散巖類孔隙水，根據含水砂層的形成時代、沉積環境、埋藏條件、水力特征等，松散巖類孔隙水可劃分為潛水含水層、第Ⅰ～Ⅳ承壓含水層[10]。根據淺層地下水定義，本研究對象主要為潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層。潛水含水層主要補給方式為大氣降水;排泄方式以蒸發排泄為主。

2 ?淺層地下水資源開發利用管理

2.1 ?淺層地下水可開采量評價

2.1.2 ?基于Visual MODFLOW的第Ⅰ承壓含水層可開采量評價

1）水文地質條件概化。為更準確地模擬研究區地下水流情況，將研究區第Ⅰ、Ⅱ承壓含水層作為一個統一的水文地質系統，平面面積約1 033.7 km2，計算時將含水層間弱含水層也作為獨立的層位，各含水層均概化為非均質各向異性，地下水流概化為三維非穩定流，各含水層及含水層間的黏性土弱含水層的側向邊界均按常水頭邊界處理，系統的頂、底部均為隔水邊界[11]。

2）數學模型的建立。根據區內水文地質概念模型，建立下列與之相適應的數學模型[12]：

式中，kxx、kyy、kzz分別為滲透系數在x、y和z方向上的分量，假定滲透系數的主軸方向與坐標軸的方向一致，量綱為m/d;μs為儲水率（1/m）;h為點（x，y，z）在t時刻的水頭值（m）;W為源匯項（1/d）;h0為計算域初始水頭值（m）;h1為第一類邊界的水頭值（m）;t為時間（d）;q（x，y，z，t）為第二類邊界上單位面積的側向補給量;？贅為計算域;？祝1、？祝2分別為第一類邊界、第二類邊界。

采用Visual MODFLOW4.6對模型進行求解，將研究區在平面上剖分成50×44的矩形網格單元，在垂向上將其剖分成潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ兩個承壓含水層和兩個黏性土弱含水層共五層，每層的有效計算單元為1 076個。基本控制全區觀測井共7個（圖1），其中第Ⅰ承壓含水層觀測井3個（1-1，1-2，1-3），第Ⅱ承壓含水層觀測井4個（2-1，2-2，2-3，2-4）。

3）模型的識別與驗證。采用試估-校正法對建立的數學模型進行識別，選取2016年1月1日至2016年6月30日作為模型識別的時段，2016年7月1日至2016年12月31日作為模型的驗證時段，各含水層的初始水位是由高程與實測水位埋深數據之差得出，第Ⅰ弱承壓和第Ⅱ弱承壓含水層初始流場是根據上下含水層插值得出[13]。各鄉鎮各含水層地下水的開采量由實際調查獲得，各含水層通用邊界上的水頭值由實測值經過插值給出，邊界上的水力傳導系數及各含水層參數分區的參數初值均按前人資料結合現場試驗和室內實驗給出。

在研究區選取4個觀測井（圖1中1-1，1-3，2-1，2-3），觀測井識別和驗證階段含水層觀測井擬合結果分別見圖2和圖3。觀測井模擬水位和實測水位擬合情況較好，說明建立的數學模型、邊界條件的概化以及水文地質參數的選取是合理可靠的，所建立的模型能真實地反映當地的水文地質條件，可用于研究區淺層地下水模擬預測。

圖4為研究區水文地質參數分區圖，表1是經過識別后的潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層的水文地質參數結果。

4）模型的應用。根據1980—2016年降雨資料，保持2017年的開采布局及開采量不變，以2018年1月1日作為預測的初始時刻，提出至2030年第Ⅰ承壓含水層水位埋深控制在20 m，第Ⅱ承壓含水層水位埋深控制在30 m。預測結果見表2，研究區第Ⅰ承壓含水層可開采量為467.04萬m3/年，最大可開采量位于張甸鎮，主要是由于區域淺層地下水保護狀況較好。

2.1.3 ?評價結果 ?根據淺層地下水定義，研究區淺層地下水開采量為潛水含水層可開采量和第Ⅰ承壓含水層可開采量之和，計算結果見表2。結果表明，研究區淺層地下水可開采量為11 779.26萬m3/年，潛水含水層可開采量占主要比例，第Ⅰ承壓含水層可開采量較小。其中梁徐鎮淺層地下水可開采量最大，為1 209.40萬m3/年;羅塘街道淺層地下水可開采量最小，為315.61萬m3/年。

2.2 ?淺層地下水開發利用現狀評價

據統計，研究區企事業單位淺層地下水開采量為5.77萬m3/年，農村居民零星淺層地下水開采量為148.3萬m3/年。經計算，研究區淺層地下水現狀開采量為154.15萬m3/年。從表3可以看出，研究區企事業單位淺層地下水開采量較小，且多集中在興泰鎮和俞垛鎮等鄉鎮;農村居民零星用水為研究區主要淺層地下水開采方式，主要集中在羅塘街道、三水街道及張甸鎮等區域，與用水人口集中有關。

2.3 ?淺層地下水開發利用潛力分析

淺層地下水開發利用潛力主要根據淺層地下水剩余水資源量和開發利用潛力指數判定[14]，淺層地下水剩余資源量是指淺層地下水可開采量與現狀開采量之差;開發利用潛力指數P是指可開采量與現狀開采量之比[15]。當P>1.2時，區域淺層地下水具有開采潛力;當0.8≤P≤1.2時，區域淺層地下水采補基本平衡，需控制開采。

研究區淺層地下水開發利用潛力計算結果見表4。由表4可以看出，研究區各行政區劃淺層地下水開發利用潛力均大于1.2，具有較大的開發利用潛力，說明具有一定的開采空間。

2.4 ?淺層地下水開發利用管理

根據開發利用潛力計算結果，研究區各鄉鎮街道淺層地下水均具有一定的開采空間，應根據實際水文地質條件、水質、供水總體規劃和經濟社會發展對淺層地下水資源的需求，主要針對有開采潛力區進行科學合理布井。為更清晰地看出各行政分區的淺層地下水剩余資源量情況，將其在圖上呈梯度分布示意（圖5）。

3 ?結論

1）采用系數法和數值法分別計算了姜堰區潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層可開采量，彌補了對姜堰區淺層地下水資源研究缺失的不足，為水行政主管部門的正確決策提供可靠的科學依據。

2）通過對居民零星用水調查評價，克服了以往只考慮企事業單位用水不能準確反映區域淺層地下水開采量的不足，提高了淺層地下水資源調查評價的精度。

3）評價結果表明，姜堰區淺層地下水剩余資源量為11 625.11萬m3/年，開發利用潛力超過限值1.2，具有較大的開發利用潛力，區域淺層地下水具有一定的開采空間。

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