濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)數(shù)值模擬與保泉供水開采方案

秦品瑞

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

濟(jì)南的保泉工作始于20世紀(jì)80年代初[1-2]，為使趵突泉恢復(fù)“泉源上奮，水涌若輪”的本來(lái)面貌，濟(jì)南一直進(jìn)行著泉水保衛(wèi)戰(zhàn),并提出了“開源”“節(jié)流”“回灌補(bǔ)源”和“南部山區(qū)環(huán)境綜合治理”等一系列保泉供水的措施。盡管如此，依然難解泉水?dāng)嗔鞯耐{，雖然目前泉群已連續(xù)出流13年，但仍未從根本上解決既保持泉水連續(xù)噴涌，又保證老百姓喝到優(yōu)質(zhì)地下水的問題，濟(jì)南人守著優(yōu)質(zhì)的地下泉水卻喝黃河水，“泉城”已名不符實(shí)，城市形象受到損害[3]。

隨著“保泉”與“供水”課題研究的深入，人們對(duì)濟(jì)南泉群發(fā)生、發(fā)展過程的地下水演變規(guī)律有了更深刻的了解[4]。筆者從濟(jì)南巖溶含水系統(tǒng)方面入手，根據(jù)水文地質(zhì)條件，建立濟(jì)南巖溶含水系統(tǒng)地下水?dāng)?shù)值模擬模型，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合濟(jì)南市地下水開采現(xiàn)狀及城市供水規(guī)劃(擬在長(zhǎng)清歸德鎮(zhèn)曹樓、郭莊建立濟(jì)西二期水源地，計(jì)劃向市區(qū)供水10萬(wàn)m3/d；在齊河縣趙官屯煤礦，結(jié)合煤礦排水疏壓，計(jì)劃向市區(qū)供水10萬(wàn)m3/d)，利用數(shù)值模型對(duì)上述供水規(guī)劃進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并計(jì)算不同降水組合下其他各巖溶地下水水源地的最優(yōu)開采量，以期為實(shí)現(xiàn)“保泉供水”向政府提供決策依據(jù)。

1 濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)地下水?dāng)?shù)值模擬

濟(jì)南地區(qū)在總體上是一個(gè)古生界地層為主體的北傾單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂較發(fā)育。就區(qū)域水文地質(zhì)條件而言，濟(jì)南地區(qū)寒武、奧陶系地層受到一系列北北西或北西向斷層切割，石灰?guī)r在空間位置上被分割成許多斷塊[5]。這些斷裂往往又構(gòu)成這些斷塊的相對(duì)隔水邊界，如東塢斷裂構(gòu)成濟(jì)南泉域的東邊界，它又是白泉泉域的西邊界，馬山斷裂構(gòu)成長(zhǎng)清—孝里鋪斷塊的東邊界，又是濟(jì)南泉域的西邊界。每一斷塊就其水文地質(zhì)意義都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元——地下水系統(tǒng)或泉域。它們都有相似的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，具有分散補(bǔ)給(匯水)、山前集中排泄的水文地質(zhì)特征，存在一個(gè)或幾個(gè)排泄區(qū)(富水區(qū))。但這幾個(gè)斷塊在構(gòu)造、地層巖性及含水巖組等方面都具有一致性，其作為邊界的斷裂只是起到一個(gè)相對(duì)阻水的作用，仍然存在透水或弱透水段，有水量交換。因此，為了更好地認(rèn)識(shí)濟(jì)南泉域的水文地質(zhì)特征及其與相鄰的水文地質(zhì)單元的關(guān)系，優(yōu)化地下水開采布局，本文將這幾個(gè)斷塊(東阿巖溶水系統(tǒng)、長(zhǎng)孝巖溶水系統(tǒng)、濟(jì)南泉域、白泉泉域)作為一個(gè)整體(濟(jì)南巖溶水系統(tǒng))進(jìn)行建模研究[6-10](圖1)。

1.1 邊界條件

東部邊界：以文祖斷裂為界，概化為隔水邊界；西部邊界：以平陰—東平地下(地表)分水嶺為界，概化為隔水邊界；南部邊界：以平陰—東平的地下(地表)分水嶺、孝直斷裂以及寒武系中統(tǒng)張夏組底界面為界，概化為隔水邊界；北部邊界：在濟(jì)南泉域西側(cè)以一系列近東西向斷裂為界，濟(jì)南泉域以火成巖體為界，濟(jì)南泉域東側(cè)以?shī)W陶系灰?guī)r頂板埋深600 m線為界，該邊界大部分概化為隔水邊界，僅將濟(jì)南泉域西北角概化為流量邊界。

內(nèi)部邊界：港溝斷裂大部分為透水，僅在蓮花山至港溝西山段隔水；孫村斷裂具透水性；曹范斷裂除南端地層隔水外，大部分透水；沙灣斷層隔水；千佛山斷裂在南郊賓館以南隔水，以北具有透水性；東塢斷裂在徐家莊以南隔水，以北具有透水性；馬山斷裂在新周莊村以南隔水，以北具有透水性；文化橋斷裂、石馬斷裂、炒米店斷裂、平安店斷裂具有透水性；孝里鋪斷裂在前隆至大房莊、孝里鋪至興隆鎮(zhèn)村段隔水，孝里鋪至大房莊段具有透水性。

1.2 含水層結(jié)構(gòu)概化

從水文地質(zhì)特征出發(fā)，模擬區(qū)概化為3層結(jié)構(gòu)，第一層為第四系孔隙含水層，當(dāng)潛水處理；第二層為第四系黏土層及石炭二疊系弱透水層，只考慮垂向一維流；第三層為具有承壓性質(zhì)的巖溶含水層。本次將寒武-奧陶系九龍群和馬家溝群地層整體概化為一個(gè)含水層。第一層與第三層可通過中間的弱透水層發(fā)生水力聯(lián)系，各個(gè)地段的聯(lián)系程度不同，模型中通過調(diào)整弱透水層垂向滲透系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)越流程度的控制[11-13]。根據(jù)勘探資料溶蝕裂隙發(fā)育特征和抽水試驗(yàn)資料，濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組地下水流具有統(tǒng)一的水面，水流符合達(dá)西流，可以近似地運(yùn)用多孔介質(zhì)滲流理論模型來(lái)描述[14-18]。綜上所述，可將裂隙巖溶含水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)的各向異性的承壓三維非穩(wěn)定流。

1.3 地下水補(bǔ)排項(xiàng)

地下水補(bǔ)給項(xiàng)主要包括大氣降水入滲、灌溉回滲和河渠入滲[19-24]。其中大氣降水入滲補(bǔ)給是區(qū)內(nèi)主要補(bǔ)給來(lái)源，由入滲補(bǔ)給系數(shù)確定[25]，根據(jù)入滲補(bǔ)給區(qū)巖性不同，選擇了不同入滲系數(shù)，研究區(qū)多年平均入滲補(bǔ)給量約為126×104m3/d；區(qū)內(nèi)多年平均灌溉回滲量為4.2×104m3/d；河渠入滲主要包括黃河入滲，以及玉符河、北沙河、南沙河、巴漏河等入滲，除黃河外，其他河流均屬季節(jié)性河流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，不考慮人工補(bǔ)源，多年平均入滲量為5.95×104m3/d。

地下水排泄項(xiàng)主要包括水源地開采、自備井及礦坑排水、農(nóng)業(yè)開采、泉排泄和邊界排泄等。其中水源地開采研究區(qū)在2007年的排水大約為59.7×104m3/d，自備井及礦坑排水大約為22.5×104m3/d，農(nóng)業(yè)開采排水大約為28.1×104m3/d，泉排泄13.1×104m3/d，邊界排泄約為5.3×104m3/d。

1.4 模型驗(yàn)證

計(jì)算區(qū)的總面積劃分為254行、170列，共43 180個(gè)單元格，每個(gè)單元格面積為500 m×500 m，活動(dòng)單元格12 520個(gè)。本次利用濟(jì)南市2005—2007年地下水動(dòng)態(tài)資料對(duì)模擬模型進(jìn)行識(shí)別和檢驗(yàn)，不僅較準(zhǔn)確地完成了水文地質(zhì)參數(shù)的調(diào)整，還使模型能夠較準(zhǔn)確地反映濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律，并利用2013年9月—2014年10月的地下水動(dòng)態(tài)資料對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)(圖2)，結(jié)果表明所建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際的水文地質(zhì)條件相符，模型可用來(lái)預(yù)報(bào)地下水動(dòng)態(tài)[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算方案的確定

將識(shí)別與驗(yàn)證模型稍加調(diào)整即得預(yù)報(bào)模型[27]。根據(jù)濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件，預(yù)報(bào)時(shí)在原有水源地基礎(chǔ)上，結(jié)合濟(jì)南市地下水開采現(xiàn)狀(表1)及城市供水規(guī)劃，維持除濟(jì)南泉域巖溶水水源地外現(xiàn)有水源地實(shí)際開采量，新增濟(jì)西二期水源地10萬(wàn)m3/d及趙官屯10萬(wàn)m3/d規(guī)劃開采量，采用不同的降水組合，并以2007年10月1日水位標(biāo)高為模型預(yù)報(bào)初始水位，給定地下水開采約束條件，計(jì)算開采量，以此確定濟(jì)南泉域巖溶水水源地在不同降水情況下的允許開采量，預(yù)測(cè)各開采狀態(tài)下地下水位動(dòng)態(tài)變化過程，滿足約束條件時(shí)說明方案可行，否則需重新調(diào)整方案(圖3)。

(a) 趵突泉觀測(cè)孔

(b) 普利門水廠

(c) 長(zhǎng)清區(qū)老屯村

(d) 機(jī)床二廠

(e) 長(zhǎng)清區(qū)歸德鎮(zhèn)抓莊樓

(f) 歷城區(qū)郭店鎮(zhèn)

本次預(yù)報(bào)按不同降水量組合共設(shè)計(jì)了3種方案：方案1為連續(xù)5年平水年；方案2為四枯一豐(選取濟(jì)南地區(qū)1999—2003年降水資料)；方案3為濟(jì)南地區(qū)1982—1991年10年降水組合，各組合具體降水量見表2。農(nóng)業(yè)開采量根據(jù)水利統(tǒng)計(jì)年鑒資料對(duì)照不同降水量進(jìn)行取值[28]，生活用水量則取常量，自備井及礦坑排水在本次預(yù)報(bào)過程中維持現(xiàn)有開采量不變。

注：1—透水?dāng)鄬樱?—弱透水?dāng)鄬樱?—阻水?dāng)鄬樱?—阻水巖脈；5—地表分水嶺；6—零流量邊界；7—補(bǔ)給邊界；8—排泄邊界；9—河流滲漏段；10—開采水源地，編號(hào)/開采量(萬(wàn)m3/d)；11—濟(jì)南市區(qū)供水水源地，編號(hào)/開采量(萬(wàn)m3/d)；12—停采水源地；13—泉群；14—巖溶水觀測(cè)點(diǎn)；15—孔隙水觀測(cè)點(diǎn)。圖3 濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)預(yù)報(bào)各水源地開采分布

表1 濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)巖溶地下水2007年開采現(xiàn)狀 104m3/d

表2 預(yù)測(cè)各降水組合降水量 mm

注：濟(jì)南市多年平均年降水量為642 mm；①～⑤代表年份，對(duì)于方案1，①～⑤代表連續(xù)5年平水年；對(duì)于方案2，①～⑤分別代表1999—2003年5年；對(duì)于方案3，則代表1982—1991年2個(gè)5年。

2.2 約束條件

①為保持趵突泉等四大泉群持續(xù)噴涌，保泉水位取趵突泉最低景觀噴涌水位27.5 m，即枯水期趵突泉水位不低于27.5 m。②為保證濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)裂隙巖溶水資源的可持續(xù)開發(fā),總開采量不能超過允許開采量。③開采狀態(tài)下，各地段地下水位不應(yīng)出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。

2.3 預(yù)報(bào)結(jié)果及分析

將上述3個(gè)降水組合的數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行預(yù)報(bào)，濟(jì)南泉域巖溶水水源地開采方案見表3，各方案下濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)地下水量均衡關(guān)系見表4。

表3 濟(jì)南泉域巖溶水水源地計(jì)算開采方案 104m3/d

表4 各開采方案下濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)地下水量均衡關(guān)系 104m3/d

方案1在連續(xù)5年平水年降水情況下，濟(jì)南泉域巖溶水水源地具體開采方案見表3，典型巖溶地下水觀測(cè)孔預(yù)報(bào)水位見圖4～5。

圖4 方案1中趵突泉1號(hào)觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

圖5 方案1中西郊J22觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

從預(yù)測(cè)的結(jié)果可以看出：在預(yù)測(cè)的連續(xù)5個(gè)平水年內(nèi)，趵突泉枯水期地下水水位均高于臨界水位27.5 m，四大泉群能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)年噴涌。從圖4、圖5可以看出，兩個(gè)觀測(cè)孔水位均沒有持續(xù)下降，而是隨降水周期作周期性波動(dòng)。相應(yīng)的，從地下水量均衡關(guān)系(表4)可以看出，該方案在連續(xù)5年平水年內(nèi)地下水量正均衡。以上預(yù)測(cè)結(jié)果說明，擬定的濟(jì)南泉域內(nèi)各巖溶水水源地開采方案是合理的。該降水組合下可向濟(jì)南市區(qū)供水31萬(wàn)m3/d(濟(jì)西二期水源地10萬(wàn)m3/d、趙官屯10萬(wàn)m3/d、泉域內(nèi)各巖溶水水源地11萬(wàn)m3/d)，每人每天生活用水(根據(jù)2007年濟(jì)南市統(tǒng)計(jì)資料，指城市居民家庭每一用水人口平均每天日常生活使用的自來(lái)水[29]，下同)按80L計(jì)算，可以同時(shí)滿足387.5萬(wàn)人生活用水。

方案2在四枯一豐降水量情況下，濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)具體開采方案見表3，典型巖溶地下水觀測(cè)孔預(yù)報(bào)水位見圖6～7。

圖6 方案2中趵突泉1號(hào)觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

圖7 方案2中西郊J22觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：在預(yù)測(cè)的四枯一豐5個(gè)水文年內(nèi)，預(yù)測(cè)趵突泉最低水位27.52 m，高于臨界水位27.5 m，四大泉群能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)年噴涌。從圖6、圖7可以看出，雖然受連續(xù)枯水年降水量偏少的影響，兩個(gè)觀測(cè)孔前4年水位持續(xù)下降，但受第5年豐水年降水量較大(985.6 mm)的影響，水位迅速升高，且均都能夠回復(fù)到初始水位。相應(yīng)的，從地下水量均衡關(guān)系表(表4)可以看出，該方案在四枯一豐5個(gè)水文年內(nèi)地下水量均衡。以上預(yù)測(cè)結(jié)果說明，擬定的濟(jì)南泉域內(nèi)巖溶水水源地開采方案是合理的。該方案可以向濟(jì)南市區(qū)供水29.0萬(wàn)m3/d(濟(jì)西二期10萬(wàn)m3/d、趙官屯10萬(wàn)m3/d、泉域內(nèi)各巖溶水水源地9.0萬(wàn)m3/d)，每人每天生活用水按80 L 水計(jì)算，可以同時(shí)滿足362.5萬(wàn)人生活用水。

方案3在采用1982—1991年10年降水資料情況下，濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)具體開采方案見表3，典型巖溶地下水觀測(cè)孔預(yù)報(bào)水位見圖8～9。

圖8 趵突泉1號(hào)觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

圖9 西郊J22觀測(cè)孔預(yù)報(bào)曲線

從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出：在預(yù)測(cè)的連續(xù)10個(gè)水文年里，趵突泉枯水期地下水水位均高于臨界水位27.5 m，四大泉群能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)年噴涌。從圖8、圖9可以看出，兩個(gè)觀測(cè)孔水位均沒有持續(xù)下降，受特枯年份的影響，在第五年和第八年枯水期地下水位最低，但隨著豐水年的到來(lái)，受大氣降水補(bǔ)給，地下水位迅速升高至前期初始水位之上?？偟膩?lái)說，地下水位隨降水周期作周期性波動(dòng)。相應(yīng)的，從地下水均衡關(guān)系(表4)可以看出，該方案在連續(xù)10個(gè)水文年內(nèi)地下水量均衡。以上預(yù)測(cè)結(jié)果說明，擬定的濟(jì)南泉域內(nèi)各巖溶水水源地開采方案是合理的。該方案可以向濟(jì)南市區(qū)供水33.5萬(wàn)m3/d(濟(jì)西二期10萬(wàn)m3/d、趙官屯10萬(wàn)m3/d、泉域內(nèi)各巖溶水水源地13.5萬(wàn)m3/d)，每人每天生活用水按80 L水計(jì)算，可以同時(shí)滿足418.8萬(wàn)人生活用水。

3 結(jié) 論

“保泉”和“供水”是濟(jì)南泉域巖溶地下水系統(tǒng)互為制約的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化開采方案，探求保泉之路，需建立在保證濟(jì)南市人民生活需水的基礎(chǔ)上。通過3個(gè)方案的預(yù)報(bào)及分析，可以發(fā)現(xiàn)本次預(yù)報(bào)的3個(gè)降水組合下的濟(jì)南泉域巖溶水開采方案均能夠滿足既保持泉水持續(xù)噴涌(趵突泉水位高于27.5 m)，又保證老百姓喝到優(yōu)質(zhì)地下水(泉域人口按 300萬(wàn)，每人每天生活用水80L，共需24萬(wàn)m3/d)這一目標(biāo)，而本次設(shè)計(jì)的3個(gè)降水組合除第3個(gè)降水組合的平均降水量為濟(jì)南市多年平均降水量外，其余兩個(gè)降水組合的平均降水量均小于濟(jì)南市多年平均降水量642 mm，且考慮了連續(xù)枯水年的特殊情況，說明濟(jì)南市政府規(guī)劃的濟(jì)西二期水源地10萬(wàn)m3/d 及趙官屯煤礦10萬(wàn)m3/d的開采量是合理的，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“保泉供水”有顯著作用。

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