某地下水超采區(qū)不同管控方案下的水位動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

陳玉波

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

1 鞍山西郊區(qū)地下水超采區(qū)位置

鞍山西郊區(qū)域地下水超采區(qū)主要是由西郊水源地超采區(qū)和鐵西水源地所組成的地下水超采區(qū)，且2個(gè)超采區(qū)已經(jīng)逐步連成1個(gè)片區(qū)[1]。鞍山西郊地下水超采區(qū)從運(yùn)糧河以西為起始點(diǎn)，騰鰲公路以北作為終點(diǎn)范圍。地下水是鞍山地區(qū)主要的供水來源。近些年來，隨著城市建設(shè)和人類活動(dòng)的影響，區(qū)域地下水開采量逐年遞增，為加大對(duì)區(qū)域地下水資源的保護(hù)力度，嚴(yán)格控制鞍山西郊地下水超采區(qū)的地下水開采量，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水生態(tài)平衡和保護(hù)，保障鞍山地區(qū)水資源高效和可持續(xù)利用，亟需對(duì)鞍山西郊地下水超采區(qū)進(jìn)行地下水壓采管控[2]。為提高區(qū)域地下水壓采管控方案的科學(xué)性，需要對(duì)不同管控方案下的地下水水位進(jìn)行分析[3]。近些年來，國內(nèi)許多地區(qū)采用地下水?dāng)?shù)值模型對(duì)區(qū)域不同取水情景下的地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)踐表明該其動(dòng)態(tài)水位預(yù)測(cè)效果較好[4- 15]，但在遼寧地區(qū)還未得到應(yīng)用。為加大鞍山西郊超采區(qū)地下水保護(hù)，本文結(jié)合地下水?dāng)?shù)值模擬模型，結(jié)合鞍山西郊地區(qū)地下水含水層參數(shù)，設(shè)置不同地下水壓采管控方案，對(duì)不同壓差管控方案下的地下水位進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。研究成果為管控方案的科學(xué)合理規(guī)劃提供重要參考。

2 鞍山西郊區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

2.1 超采區(qū)中心漏斗地下水埋深變化

結(jié)合2005—2018年鞍山西郊地下水超采區(qū)中心漏斗地下水埋深數(shù)據(jù)對(duì)其逐年變化特征進(jìn)行分析，2008年為超采區(qū)中心漏斗地下水埋深的最高年份，從2008開始到2012年區(qū)域中心漏斗地下水埋深的最大值總體呈現(xiàn)穩(wěn)定變化，從2012年以后區(qū)域中心漏斗地下水埋深最大值逐步降低，地下水位呈現(xiàn)顯著抬升變化，具體變化過程如圖1所示。

圖1 2005—2018年鞍山西郊超采區(qū)中心漏斗地下水埋深變化

2.2 超采區(qū)不同時(shí)期地下水位變化特征

結(jié)合2012—2018年逐月地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)豐水期和枯水期鞍山西郊超采區(qū)地下水位的線性變化趨勢(shì)進(jìn)行回歸分析，如圖2所示。

圖2 2012—2018年西郊不同時(shí)期地下水位高程變化趨勢(shì)

枯水期鞍山西郊超采區(qū)地下水位總體呈現(xiàn)遞增變化，地下水水位年遞增率為1.21m/a。豐水期地下水位呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但總體上呈現(xiàn)遞增變化，豐水期地下水位年遞增率可達(dá)到0.54m/a。豐水期地下水遞增率低于枯水期地下水位遞增率，不同時(shí)期在2018年地下水變化差異程度較低，豐水期受區(qū)域地下水開采影響其水位低于枯水期。

3 地下水水位數(shù)值模擬方法

本文主要采用Richards地下數(shù)值模擬模型對(duì)鞍山西郊不同管控方案下的地下水水位進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，該模型首先對(duì)地下水計(jì)算單元的水量進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，ΔWi—計(jì)算單元地下水水量，m3；Bβ—計(jì)算單元面積，m2；Aβ—地下水埋深，m；ΔHi—計(jì)算單元地下水水位，m；Ss—計(jì)算單元地下水入滲補(bǔ)給率，%。計(jì)算單元地下水補(bǔ)給源匯項(xiàng)計(jì)算方程為：

(2)

式中，Qsi—地下水源匯補(bǔ)給量，m3/s；Si—計(jì)算單元的地下水源匯補(bǔ)給率，%，該值需要對(duì)縱向滲透水量進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，Δβ—各計(jì)算單元節(jié)點(diǎn)平均水力傳導(dǎo)度；Hs—計(jì)算節(jié)點(diǎn)S的水位值，m；bi、bs、ci、cs—各計(jì)算單元節(jié)點(diǎn)水力傳導(dǎo)系數(shù)。由于不同計(jì)算單元水流方向不同，因此對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行水量平衡計(jì)算：

(7)

式中，Qsi、Qvi—模型求解隱式方程變量。

4 模擬應(yīng)用

4.1 區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)概況

鞍山西郊超采區(qū)地貌主要為低洼平原地帶，為太子河沖積形成的平原富水區(qū)域。區(qū)域內(nèi)含水層分布較為廣泛，主要由細(xì)砂層和粗砂含礫石層形成，上層土壤厚度在20～30m之間，主要土質(zhì)為粘土，下層土壤厚度在20～35m之間。區(qū)域含水層厚度一般在30～39m之間，從東向西含水層厚度逐步增加。

4.2 模型參數(shù)設(shè)置

結(jié)合鞍山西郊地區(qū)河套沖積扇區(qū)及山丘河谷區(qū)不同巖類地質(zhì)，對(duì)其淺水層和深水層地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，各區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表1—2所示。

表1 鞍山西郊河套區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

表2 鞍山西郊山丘河谷區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果

*ks和α分別為縱向和側(cè)向水力傳導(dǎo)度；θs和θr分別為縱向和側(cè)向滲透率。

采用抽水試驗(yàn)方法對(duì)鞍山西郊河套區(qū)和山谷區(qū)的水力傳導(dǎo)度、滲透率進(jìn)行測(cè)定，鞍山西郊河套區(qū)砂、礫巖體占比在75%左右，其縱向方向的水力傳導(dǎo)度總體小于灰?guī)r，但側(cè)向水力傳導(dǎo)度總體好于灰?guī)r，灰?guī)r由于具有縱向孔隙度要好于砂、礫巖，使得其縱向水力傳導(dǎo)度相比較大。河套主要為區(qū)沖擊扇區(qū)，隨著含水層深度的增加，相比于淺水層，深水層縱向和垂向水力傳導(dǎo)度均有所遞減，而由于水力傳導(dǎo)度的下降，使得深水層的縱向和側(cè)向滲透率也相比于淺水層有較為明顯的遞減。從鞍山西郊山丘河谷區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)測(cè)定結(jié)果可看出，山丘河谷區(qū)相比于河套沖積扇區(qū)，其不同方向水力傳導(dǎo)度都有較為明顯的遞增變化，在山丘河谷區(qū)砂巖和頁巖占比要高于碎屑巖，但碎屑巖的水力傳導(dǎo)度均要好于砂巖和頁巖。

4.3 模型誤差分析

結(jié)合抽水試驗(yàn)對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行誤差分析，山丘河谷區(qū)和河套區(qū)模型誤差分析結(jié)果如表3所示。

為對(duì)地下水?dāng)?shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行6組抽水試驗(yàn)，結(jié)合抽水試驗(yàn)測(cè)定的地下水水位和地下水埋深值對(duì)比分析模型模擬誤差，從6組抽水試驗(yàn)的模型計(jì)算誤差可看出，在河套區(qū)模型計(jì)算精度總體好于山丘河谷區(qū)，這主要是因?yàn)楹犹讌^(qū)地下水富集程度要好于山丘河谷區(qū)，因此模型輸入誤差的不確定度有所減少，使得模型在河套區(qū)不同計(jì)算控制單元的水量模擬精度總體好于山丘河谷區(qū)，從而影響地下水水位和地下水埋深的計(jì)算誤差。

4.4 不同管控方案下的地下水動(dòng)態(tài)分析

結(jié)合建立的地下水?dāng)?shù)值模擬模型，通過設(shè)定鞍山西郊河套區(qū)和山丘河谷區(qū)不同管控方案，不同區(qū)域的地下水管控方案如表4—5所示，結(jié)合不同地下水管控方案對(duì)鞍山西郊河套區(qū)和山丘河谷區(qū)的地下水位變幅進(jìn)行分析，結(jié)果如表6—7所示。

通過分析可知，地下水壓縮開采量主要為兩個(gè)水源地減少的開采量，地下水位年均上升高度約為0.21m/a，含水層給水度按0.15取值。經(jīng)計(jì)算可知，通過地下水壓采引起區(qū)域地下水位回升，相當(dāng)于使地下水超采區(qū)面積縮減了約21.83km2，相當(dāng)于較超采區(qū)面積最大97km2時(shí)縮減了約22%左右。

表3 不同抽水試驗(yàn)下的鞍山西郊河套和山丘地下水動(dòng)態(tài)模擬誤差分析

表4 河套沖擊扇區(qū)域地下水管控方案

表5 山丘河谷區(qū)域地下水管控方案

表6 不同管控方案下的河套沖擊扇區(qū)水位變幅

表7 不同管控方案下的山丘河谷區(qū)域水位變幅

5 地下水控制紅線水位的確定

由于鞍山市西郊區(qū)地下水長期被超采，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)硬度升高等問題，水位的大幅度下降往往導(dǎo)致大量水源井的工作效率下降甚至產(chǎn)生吊泵、報(bào)廢、地面沉降和地裂縫等。因此，迫切需要確定地下水控制性紅線下限水位。

根據(jù)2005—2018年實(shí)測(cè)地下水位長系列資料，對(duì)每年豐枯水期地下水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，參考《水資源公報(bào)》及歷年水位變化、已產(chǎn)生或未來可能產(chǎn)生的諸如地面沉降、地裂縫和水源井吊泵等問題，選取一組歷史上相對(duì)極低的水位值作為控制性紅線下限水位。超采區(qū)地下水位自2012年開始明顯回升，即選取2012年1月地下水位作為控制性紅線下限水位。區(qū)域地下水控制性紅線下限水位等值線圖，如圖3所示。

圖3 地下水控制性紅線下限水位等值線圖

通過上述分析可知，區(qū)域上線及下線水位對(duì)水資源合理開發(fā)利用和區(qū)域生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題防治具有指導(dǎo)意義，對(duì)于西郊區(qū)地下水資源開發(fā)利用應(yīng)關(guān)注以下主要問題：①西郊區(qū)按水資源現(xiàn)狀開發(fā)利用模式下封井壓采后，應(yīng)關(guān)注區(qū)內(nèi)地下水位恢復(fù)情況，特別應(yīng)注意灌區(qū)灌溉回滲水對(duì)地下水位的影響，防治造成土壤鹽漬化和沼澤化等問題。②西郊區(qū)地下水受周邊地表水水質(zhì)影響明顯，周邊地表水水具局部存在較嚴(yán)重的污染問題，若地下水位回升過快將會(huì)進(jìn)一步加劇地下水污染及污染物向四周擴(kuò)散，迫切需要在這些高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，合理控制區(qū)域地下水位，以防范進(jìn)一步加劇地下水污染物和盡力杜絕污染物向四周擴(kuò)散，危及周邊地下水水源地或污染周邊地下水環(huán)境。

6 結(jié)論

(1)西郊區(qū)按水資源現(xiàn)狀開發(fā)利用模式下封井壓采后，應(yīng)關(guān)注區(qū)內(nèi)地下水位恢復(fù)情況，特別應(yīng)注意灌區(qū)灌溉回滲水對(duì)地下水位的影響，防治造成土壤鹽漬化和沼澤化等問題。

(2)西郊區(qū)地下水受周邊地表水水質(zhì)影響明顯，周邊地表水水具局部存在較嚴(yán)重的污染問題，若地下水位回升過快將會(huì)進(jìn)一步加劇地下水污染及污染物向四周擴(kuò)散，迫切需要在這些高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，合理控制區(qū)域地下水位，

(3)為了保證鞍山市西郊區(qū)超采區(qū)恢復(fù)治理、地下水資源合理開發(fā)利用及預(yù)防生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題發(fā)生，提出區(qū)域地下水管理中允許的最低與最高控制性紅線水位(簡稱上限水位和下限水位)。建議環(huán)境上限水位埋深不低于2m，工程上限水位埋深不低于5m