南樂縣睢莊中層地下水水源地混合開采數值模擬研究

谷 瑜

（河南省地質礦產勘查開發局第一地質環境調查院，河南 鄭州 450045）

南樂睢莊地下水水源地設計開采量為20 000 m3／d，采用淺層地下水與中層地下水混合開采，淺層微承壓含水層與中層承壓含水層各開采10 000 m3／d，兩層分別有11口井，各有1口為備用井，設計每口井開采量為1 000 m3／d［1］。兩含水層中間分布有一層粉質黏土、黏土，二者水力聯系較差。中層含水層與下部深層含水層之間存在10～20 m厚的穩定連續黏土層，與下部深層含水層基本無水力聯系?；旌祥_采對兩者含水層的影響均較小，同時對深層含水層的影響亦較小。

本文選用GMS軟件中集成的MODFLOW程序對南樂睢莊地下水水源地混合開采的可行性以及水源地開采后地下水位的變化趨勢進行了評價，為地下水資源評價及開采預案提供可靠依據，同時亦可對今后類似水源地的開采評價方式提供參考［2－3］。

1 水文地質條件

南樂睢莊水源地處于黃河沖積扇的前緣，地下水均賦存于松散層的孔隙中。依據地下水埋藏條件和開發利用程度，將松散巖類孔隙水分為3個含水層組，即淺層含水層組，中層含水層組，深層含水層組。中層含水層與下部深層含水層之間存在10～20 m厚的穩定連續黏土層，中層含水層與下部深層含水層基本無水力聯系。

淺層含水層組指地表以下130 m以淺的含水層，上部巖性主要為全新統中細砂、中砂組成，厚度40～55 m，下部由上更新統黃河沖積細砂、中砂組成，具微承壓性?？梢?～8層砂層，單層厚度2～14 m，總厚度43～65 m，富水性為1 223～1 492 m3／d；中層含水層組頂板埋深130 m左右，底板埋深一般280 m左右，水源地附近中層承壓含水層巖性主要為中更新統粉細砂、中細砂和細砂組成，共有11～12層，單層厚度在2.2～19.8 m，總厚度在82.2～96.1 m，水源地勘探孔15 m降深單井出水量為2 410.1～2 988.3 m3／d，屬強富水區。

2 地下水數值模擬

2.1 模型概化

根據含水層的埋藏條件、成因類型、水力性質、開發利用情況等，模型將勘察區在空間上大致劃分為淺層微承壓含水層組、中層承壓含水層組兩個含水層組。第一含水層巖性為全新統和上更新統黃河沖積細砂、中砂，中間夾厚度不等的粉質黏土弱透水層。淺層含水層組與下伏中層承壓含水層組之間分布有一層粉質黏土或黏土，二者水力聯系較差，但存在越流。第二含水層組為中層承壓水含水層。含水層巖性為中更新統粉細砂、中細砂和細砂。中層承壓含水層與下伏深層含水層之間分布一層比較穩定的黏土隔水層。

模擬區范圍包括南樂縣城區及西部地區，西至前十固，東至李家屯，北至寺莊，南到清豐縣大流鄉，東西長14 km，南北長15 km，模擬區總面積210 km2。根據區內流場特征和對含水層結構的分析，本次模擬將淺層、中層含水層各邊界均定義為通用水頭邊界［4］。模型的上邊界與系統外發生垂向水量交換，接受降雨入滲補給、灌溉回滲補給及河流滲漏補給等，并通過蒸發排泄地下水。模型的底邊界根據中更新統底界來確定，工作區中更新統與下更新統之間有一層比較穩定的黏土層，因此模型以中更新統底板為模擬范圍，處理為隔水邊界。

2.2 水文地質參數

淺層潛水含水層的水平滲透系數為10.20～19.56 m／d，中層承壓水含水層的水平滲透系數為5.44 m／d。從水平方向看，黃河古河道水平滲透性能優于周邊其他區域；垂向上工作區淺層含水層水平滲透性能優于中層承壓含水層，這主要與其沉積環境有關。

降水入滲系數取值為0.2～0.3，灌溉入滲系數取值為0.18～0.25。潛水水位埋深普遍大于5 m，大于極限埋深，故本次模擬不考慮地下水蒸發。

2.3 模擬驗證期

模擬期：根據本項目資料收集及地下水統測情況，模擬期為2014年5月1日到2015年11月30日，共計19個自然月。將模擬期劃分為19個應力期，每個應力期長為一個月。

驗證期：根據本次工作抽水試驗的資料及情況，將驗證期確定為2018年11月。將整個驗證期劃分為10個應力期，每個應力期對應3 d，分為3個計算時間步長。

2.4 模型驗證

為了進一步驗證模擬模型的可行性，采用2018年11月1日至12月1日的群孔抽水試驗數據進行，驗證期30 d。采用識別后的模型進行驗證。本次抽水試驗模擬模型劃分為30個應力期，步長1 d。選擇抽水試驗前淺層與中層地下水的統測水位作為模擬的初始流場。

本次模擬驗證選取群孔抽水試驗的5個觀測孔的水位動態數據進行動態擬合。并以群孔抽水試驗結束前統測水位線與相應時段模擬等水位線進行擬合。地下水等水位線擬合圖見圖1。淺層觀測孔水位動態擬合見圖2，中層觀測孔水位動態擬合見圖3。

圖1 地下水等水位線擬合圖

圖2 淺層觀測孔TC5動態擬合曲線

圖3 中層觀測孔ZK11動態擬合曲線

根據驗證期末等水位線擬合圖，驗證后模擬水位流場與實測水位流程基本一致。根據各觀測孔動態擬合曲線，可以看出觀測孔實測水位與模擬數值變化趨勢基本保持一致。從整體看來，水位擬合情況較好，模擬模型基本達到模型精度要求，符合本次勘察區水文地質條件，可以較好反映地下水系統水力特征，可以利用模型進行預測。

3 地下水資源量評價

3.1 定解條件

初始條件：采用本次勘察區2014年5月統測數據中的淺層、中層地下水水位，依據克里金（Kriging）插值法獲得兩層水位流場，為模型的初始流場。

邊界條件：通過初始流場和模擬期末的流場，可以綜合給出各通用水頭邊界的參數。水位和河道參數綜合控制著馬頰河及衛河的補給量，使用總補給量以及流場等來校正參數［5］。

源匯項的處理：將范圍內淺層含水層的補給，包括大氣降水入滲、農田灌溉入滲、河流入滲、地下水側向補給進行模擬。其中，排泄項包括農業用水開采量、生活用水開采量、側向流出量等；工業開采是中層含水層在天然狀況下主要的排泄方式，中層含水層主要接受淺層水越流補給、地下水側向補給。

3.2 開采方案模擬預測

3.2.1預測情景及模型設置

根據水源地需求的開采量，運用建立和識別好的地下水流數值模型進行開采模擬預測，以評估設計開采量的可行性以及水源地開采后地下水位的變化趨勢。

預測期共30年360個月，模型中將每1個應力期設定為1個自然月，共計360個應力期，每個應力期分為2個時間步長，共計720個時間步長；預測模型模擬范圍與模擬模型及模型結構完全相同；采用了模擬模型識別好的水文地質參數；大氣降水等氣象數據采用了歷史觀測數據，以5年為一個周期進行重復，豐平枯均有體現，即假定未來30年氣候特征與現狀相同，不發生明顯變化；來自南側的側向補給量采用了模擬期識別好的邊界補給量；地下水灌溉滲漏量以及河流滲流補給量均重復歷史數據；側向排泄量由模型根據模擬的水位埋深變化自動計算；以模擬的2015年12月水位作為預測模型的初始流場。

設計開采量為20 000 m3／d，淺層含水層與中層承壓含水層各開采10 000 m3／d，兩層分別有11口井，淺層、中層各有1口為備用井，每口井設計開采量為1 000 m3／d。

3.2.2 水位預測及降深變化

淺層水源地開采后，淺層地下水流場在水源地附近發生明顯變化，由于模擬區北側水位較低，所以在TC3水源井附近逐漸形成了最低水位，且隨時間推移水位漏斗逐漸擴大，水位標高由開采前的25.0 m下降至22.0 m，降深3 m，淺層水源地地下水降深最大處位于TC10附近，主要由于中層承壓含水層襲奪的影響，導致降深漏斗南移。水源地開采20 a后至2035年，淺層含水層水源井中心點TC10最大降深5.0 m，30 a后至2045年，最大降深5.3 m，水源地開采10 a后水位趨于穩定。

由中層水源地開采預測結果可知，中層水源地開采后，中層承壓水流場整體變化較為明顯，在水源地幾何中心ZK18處開始出現漏斗，形態接近正圓，中心點降深及水位均為區域最低值。隨著水源地的持續開采，漏斗半徑隨時間逐漸擴大，形態3 km外逐漸趨于不明顯，水位降深由水源地幾何中心向周圍逐漸減小。開采20 a后中層含水層中心井水位降深11.5 m，開采30 a后為12.5 m，水源地開采10 a后水位趨于穩定。

3.2.3 水源地開采前后地下水水均衡

未開采條件下地下水總補給量為6 000.48×104m3／a，排泄量為6 022.9×104m3／a，補排差－22.42×104m3／a；實施開采方案30年后，地下水補給量為6 514.48×104m3／a，排泄量為6 678.4×104m3／a，補排差－163.92×104m3／a。地下水補排差明顯增大，增大了141.5×104m3／a，與總開采量仍有一定差距，主要原因是實施開采方案后，由于實施開采方案后水位有一定程度下降，激發的側向補給及河水補給有一定程度增加，故新增的開采量不僅消耗儲存資源量，而且襲奪側向補給量及河流滲漏量。隨著流場的逐漸穩定，新增的開采量將逐漸由消耗儲存資源量向襲奪側向補給量及河流滲漏量轉化。

3.3 允許開采量評價

根據水源地開采預測結果，在設計淺層井總開采量1×104m3／d條件下，淺層水源地開采30 a后，淺層微承壓含水層水源井最大降深5.3 m，降深曲線逐漸趨于水平，并逐漸穩定，預測最低水位標高為22.0 m（TC3），高于該處含水層頂板標高10 m，且高于區域淺層微承壓水頂板標高（0～18 m）。中層水源地開采30 a后，最大水位變幅為12.5 m（ZK18），降深曲線逐漸趨于水平，并逐漸穩定，預測最低水位標高為14.5 m（ZK18），遠高于該處含水層頂板標高－50 m，且高于區域淺層微承壓水頂板標高（－55～－100 m）。水源地的開采主要依靠激發地下水側向流入量，襲奪地下水側向流出量，滿足地下水位處于含水層頂板之上，水源地設計淺層及中層各開采1×104m3／d，可以保證合計開采水源地地下水2×104m3／d。

4 結論

南樂縣睢莊地下水水源地采用淺層地下水與中層地下水混合開采的方案。其中淺層開采1×104m3／d，中層開采1×104m3／d，共計開采水源地地下水2×104m3／d。利用GMS軟件對南樂縣睢莊地下水水源地開采情況進行模擬計算，并利用群抽試驗進行驗證，使用模型預測水源地滿負荷開采30 a時，淺層地下水及中層地下水最低水位標高均高于該處含水層頂板標高，水源地開采量是有保證的。