馬鞍山市地下水水源地應急供水水流模擬研究

吳志偉，李宗春，王海龍

(1.中國能源建設集團 浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012;2.江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 210001)

供水水資源安全[1]是目前多數城市面臨的難題之一。城市供水不僅要保障常規供水，還要考慮非常態供水危機的可能性并做好充分的準備[2-3]。2005年的松花江化學毒液泄露事件、2007年的太湖藍藻事件、2009年西南5省的世紀旱災、2014年的蘭州水污染事件都暴露了城市供水安全的脆弱性[4]。進行城市供水應急水源地勘查，提高城市在自然連續干旱年及遭遇突發事件影響時的應對能力，對國民經濟發展和社會穩定，保證城市供水安全，都有重要的意義[5]。

馬鞍山市現有飲用水取水水源為長江，同時長江又承擔著航運、納污，承泄船只通航、各類陸地水體排放等功能，存在因突發性水質污染導致無法取用的可能性。為提高馬鞍山市飲用水供水的抗風險能力，需開展地下水應急供水水源地規劃和勘察。

現有城市地下水水源地研究多是定性評估應急供水水源地建設的必要性和可行性[6-8]，少見定量化的預測和評價。鄭州航空港應急水源評價[9]采用Processing Modflow建立地下水水流數值模型，預測不同開采條件下的地下水系統響應；南昌市突發性應急供水水源地數值模擬[10]為水源地選擇提供了參考。地下水水源地的水環境相對更加脆弱[11]。前述研究主要是采用數值模擬的方法評價應急水源地在疏干開采條件下的保障能力。

本文根據馬鞍山市區域水文地質資料，結合現場水文地質勘察，概化區域水文地質模型，采用GMS軟件進行應急開采條件下的地下水滲流場模擬預測，為馬鞍山市應急水源地的規劃選址提供參考。

1 研究區水文地質條件

馬鞍山市具有供水意義的含水層主要分布在長江沿岸，集中在江心洲區域。馬鞍山市遠水文地質圖如圖1所示[12]。

圖1 區域水文地質圖

各分區水文地質條件如下：

(1) 崗地坡積平原(Ⅱ-1區)：該區主要分布于崗地和階地平原，堆積物厚度一般3 m～5 m，最大可達20 m以上。層位穩定多呈扇形，樹枝狀展布。崗地含水介質以下蜀組及戚家磯組巖層為主，下蜀組巖性為棕黃色粉質黏土含少量鐵錳結核，垂直節理發育，具多孔狀構造，底部常見砂礫層，戚家磯組上部為棕黃色網紋狀黏土，下部為含礫黏土；階地平原含水介質以蕪湖組地層為主，巖性為灰色黏土質粉砂、粉砂夾粉質黏土、黏土，局部互層，可見水平細紋層。局部含有黑色泥炭層。該區為弱孔隙潛水含水層，主要接受大氣降水補給，富水性一般小于10 m3/d，局部崗地與河谷交替帶富水性較好，單井涌水量可達50 m3/d。

(2) 湖沖積平原(Ⅱ-2區)：該區主要分布于南部及東南部，是由孔隙潛水、承壓水組成的雙層含水巖系統。遠離本次研究區。

(3) 濱江沖積平原(Ⅱ-3區)：該區主要分布于長江沿岸，為混合型含水巖組，呈不對稱性葫蘆狀展布，南寬北窄。上部含水層為蕪湖組粉質黏土層，下部含水層巖性為古長江河床相沉積物含礫砂層，呈灰、灰白色，結構松散，孔隙度大，分選性好，礫石磨圓度可達2級～3級。其顆粒級配變化規律明顯，橫向上由河床由粗至細，縱向上因上下游距離較近，無甚變化。在近長江處，上下兩個含水層的相對隔水層逐漸尖滅，混為一體，存在水力聯系，水位變化不大。該層主要受長江水入滲補給，大氣降水補給次之，富水性較好，單井涌水量可達2 500 m3/d。

研究區典型水文地質剖面如圖2所示。

2 地下水流數值模型

2.1 調查區范圍

根據場地地下水水文地質條件調查成果[12]，區域內地下水整體上由南向北流動，擬定的水源地布置在濱江沖積平原(Ⅱ-3區)，故設定Ⅱ-3區為計算區域，如圖3所示。上部潛水與下部承壓水在江邊因隔水層的尖滅混合，使上下兩個含水層水力聯系緊密，故以淺層含水層、深層含水層區分上下兩層含水層。

A-B邊界為濱江沖積平原(Ⅱ-3區)和崗地坡積平原(Ⅱ-1區)的界線，存在少量水量交換，概化為流量邊界，C-D邊界垂直于調查得到的等水位線；B-C邊界大致與調查的地下水等水位線平行，D-A邊界為西長江水道，東長江水道自江心洲西側通過。模擬計算區域面積約為150.7 km2。

圖2 典型水文地質剖面圖

圖3 水文地質模型計算區域

2.2 水文地質概念模型

(1) 水文地質結構。在5月—10月，長江水位高于地下水水位，此時主要接受長江水反補，大氣降水入滲次之。在11月—次年4月，長江水位低于地下水水位，此時地下水主要接受大氣降水入滲補給，向長江排泄。且地下水流向由南往北，與該處長江流向一致。

深層地下水含水層上覆一層5 m～20 m厚亞黏土，作為與上層淺層含水層的相對隔水層。該隔水層分布差異較大，在長江南岸厚度大，含砂量較小，隔水效果較好。在江心洲厚度小，且含砂量大，局部缺失，隔水效果差。該含水層巖性為古長江河床相沉積物含礫砂層，巖組厚度及層位變化較大，主要含水巖組不均一，為簡化分析，在數值模擬時將其概化為均質各向同性的承壓含水層。

深層地下水下覆基巖為侏羅系大王山組凝灰巖及三疊系黃馬青組粉砂巖，基巖完整性較好，因基巖透水性較松散層相差幾個數量級，故基巖作為本次深層地下水含水層的隔水底板。

上下含水層存在密切的水力聯系，具有統一的地下水位，地質建模時按區域內25個鉆孔揭露的地層情況進行地層厚度的插值概化。對實測水文地質參數進行厚度加權平均，得到概化的均質含水層的水文地質參數。

(2) 地下水水動力條件。模擬區地下水以大氣降水、地表水體入滲和地下水側向徑流補給為主要補給來源，同時，農田灌溉滲漏也是區域含水層的重要補給水源。

地下水水位埋深較淺，蒸發、枯水期補給地表水及下游徑流為主要排泄方式，同時農業用水也開采一定數量的地下水。上述大氣降水入滲及蒸發排泄以實測氣象資料作為模型輸入，并結合農業灌溉進行折減。

(3) 邊界條件概化。根據調查的等水位線，A-B邊界與鄰近水文地質分區存在水量交換，概化為流量邊界、C-D邊界垂直于調查得到的地下水等水位線，模型中可以處理為零流量邊界；B-C邊界為地下水補給邊界，概化為流量邊界。D-A邊界受地表水影響，按長江水位波動，可概化為水頭邊界。

模擬區的上部邊界為淺層含水層面，為水量交換邊界，接受大氣降水入滲、淺層地下水蒸發等；同時模擬區域內有東長江水道，和區域地下水存在水量交換，可概化為河流邊界。承壓含水層底部為基巖，透水層差，下部可概化為隔水邊界。

2.3 數學模型的建立與求解

根據上述的水文地質概念模型，可建立模擬區的非均質、各向同性、三維非穩定流數學模型，用如下微分方程的定解問題來描述：

(1)

式中：Ω為模擬滲流區域；K為滲透系數,m/d；H為模擬滲流區內的水頭分布,m；μ為重力給水度；μs承壓含水層的貯水率,1/m；p為淺層含水層面上的降水入滲和蒸發,m/d；H0為初始時刻的水頭分布,m;Γ0為模擬滲流區域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ2為模擬滲流區域的第二類邊界；q為第二類邊界上的水分通量,m2/d；n為邊界上的外法線方向；W為源匯項，單位時間單位體積流入或流出的水體積,m3/d。

上述數學模型包括偏微分方程、初始條件和一類、二類邊界條件，共同組成定解問題，可應用三維有限差分法，將該數學模型離散為有限差分方程組，采用GMS軟件中的MODFLOW模塊[13-15]進行求解。

本場地進行了7組抽水試驗，建模過程中根據水文地質勘察成果，結合地形地貌、地下水流場特征、抽水試驗成果及工程經驗，給出本次評價所概化的含水層的水文地質參數初值，然后通過模型識別來確定實際的參數取值。水平滲透系數(Kv)按抽水試驗成果確定，垂向滲透系數(Kh)按水平滲透系數的1/10取值。淺層含水層給水度(μ)及深層地下水含水層彈性釋水系數(μ*)，有效孔隙度(n)，大氣降水入滲補給系數(α)，淺層含水層蒸發系數(C年)，長江水道底部土層的垂向滲透系數(K河)均根據經驗確定初值。

模型識別的模擬期為2018年4月20日—2018年8月30日，共計134 d，計算時間步長為1 d。通過調整參數，使模擬的滲流場和實測滲流場達到很好的擬合，如圖4所示。調整參數后的水文地質參數如表1所示。

圖4 模型識別水位擬合圖(2018年8月30日)

3 應急水源地開采預測

3.1 開采規模與抽水井布置

根據規范[16]確定緊急狀態下居民基本生活日用水量為55 L/人·d，馬鞍山市城鎮人口到2035年預計達到276萬人，因此確定后備供水量為15萬m3/d。預計布設75口水井，每口井抽水2 000 m3/d，管井均布設于深層地下水含水層。

表1 水文地質參數

采用分散布設，利用已存在的水井，分為6個區域開采，相鄰兩口水井間距100 m，6個開采區域水井數量如表2所示。

表2 擬設抽水井情況

3.2 開采預測方案

抽水階段：采用前述水文地質數值模型，單井出水量設置為2 000 m3/d，分別預測應急開采后7 d、14 d、30 d、90 d和365 d的地下水位。

水位恢復階段：以抽水90 d后的場地水文地質條件為初始條件，所有抽水井停止抽水，預測水位恢復14 d的降落漏斗恢復情況。

3.3 應急開采條件下滲流場的響應

根據模型預測可知，開采90 d后，降落漏斗以水源地集中抽水井為中心擴散，中心水位降深最大，邊緣過渡到原始地下水位，由于抽水時間長，抽水量大，該工況下降落漏斗半徑較大(見圖5)。擬選新錦村水源地降落漏斗半徑為500 m～860 m，降落漏斗中心最大降深約為0.13 m，降落漏斗中心地下水埋深為1.67 m。擬選普集村水源地降落漏斗半徑為1 300 m～1 450 m，降落漏斗中心最大降深約為2.56 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.80 m。擬選金家村水源地降落漏斗半徑為1 350 m～1 750 m，降落漏斗中心最大降深約為2.15 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.01 m。擬選胡莊水源地降落漏斗半徑為1 120 m～1 350 m，降落漏斗中心最大降深約為3.47 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.95 m。擬選花園村水源地降落漏斗半徑為830 m～1 200 m，降落漏斗中心最大降深約為1.69 m，降落漏斗中心地下水埋深為2.98 m。擬選秦河村水源地降落漏斗半徑為900 m至1 160 m，降落漏斗中心最大降深約為2.76 m，降落漏斗中心地下水埋深為4.89 m。

圖5 抽水90 d后模擬區地下水等水位線

各水源地應急開采7 d、14 d、30 d、90 d和365 d的過程中，水源地周圍降落漏斗中心降深逐漸增大，胡莊和秦河村水源地由于含水層相對較薄，遠離區域主要的補給水源(長江)，供水能力較差，降落漏斗中心埋深最大，新錦村靠近長江，抽水井數量相對較少，降落漏斗中心埋深最小(見圖6)。經過365 d抽水，區域降落漏斗最大降深達4.61 m，降落漏斗最大半徑達3 000 m，延伸至長江邊。總體上由于江心洲附近地下水含水層厚度在10 m以上，透水性較好，應急供水具有一定的可靠性。

圖6 抽水后水源地降落漏斗降深(單位:m)

3.4 水位恢復過程

以開采90 d后的水位為初始流場，假定停止抽水，進行自然流場的水位恢復過程模擬預測，各水源地的中心水位恢復過程曲線如圖7所示。降落漏斗中心水位抬升在0.51 m～1.20 m之間，普集村水源地恢復高度最大，花園村水源地恢復高度最小，注意到區域降落漏斗的水位恢復過程比較緩慢。

圖7 水位恢復曲線

4 結論與討論

(1) 馬鞍山濱江沖積平原(Ⅱ-3區)為混合型含水巖組，上部含水層為蕪湖組粉質黏土層，下部為古長江河床相沉積物含礫砂層。上下含水層存在密切的水力聯系，具有統一的地下水位，根據水文地質勘察成果建立了區域地下水數值模擬模型。采用該模型模擬了應急開采條件下的地下水流動態，為馬鞍山市應急水源地的規劃選址提供了參考。

(2) 各水源地應急開采過程中，水源地周圍降落漏斗中心降深逐漸增大，胡莊和秦河村水源地由于含水層相對較薄，遠離區域主要的補給水源(長江)，供水能力較差，降落漏斗中心埋深最大，新錦村靠近長江，抽水井數量相對較少，降落漏斗中心埋深最小。經過365 d抽水，區域降落漏斗最大降深達4.61 m，降落漏斗最大半徑達3 000 m，延伸至長江邊。總體上由于江心洲附近地下水含水層厚度在10 m以上，透水性較好，應急供水具有一定的可靠性。但是在區域分布上，要選擇含水層厚度大，補給可靠的區域。

(3) 本文僅考慮了應急供水條件下的水量保證情況，應急水源地的設置還需要考慮地下水水質變化，地面沉降等次生災害及經濟性因素。