壓采作用下宿州市地下水源置換效應模擬研究

劉若愚, 康 博

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業大學 資源與環境工程學院,安徽 合肥 230009)

宿州地區地表水與潛水水質性缺水嚴重,長期以來城市供水基本依靠開采中深層地下水,目前已形成了以城區為中心的地下水降落漏斗,并依據此范圍劃定了中深層地下水超采區[1]。關井壓采可以有效地修復地下水超采區因開采過量而引發的一系列環境地質問題[2-3]。安徽省水利廳于2013年3月發布了《安徽省地下水超采區評價與限采規劃報告》[4],該報告提出,在2020年前,壓縮超采區現狀開采量的20%～30%。但隨著城市化進程的加速和經濟社會的發展,宿州市用水需求逐步增大,水資源供需矛盾愈來愈嚴重,壓采難以實施;如何既滿足城區用水需求,又實現壓采的要求,是目前宿州地區亟待解決的問題,也是我國廣大北方地區地下水壓采限采之后面臨的窘境。

面對壓采之后日益突出的供水矛盾,各地常采用的方法是水源置換。江蘇省沿長江地區規劃以長江、太湖為主建設永久性水源地,置換地下水水源,使得68%的地區地下水位明顯上升,30%的地區水位處于穩定狀態,對地下水修復產生積極影響[5]。東光縣為解決地下水超采引發的環境地質問題,提出將生活用水及部分工業用水水源由地下水開采置換為以“南水北調”外調水供給的方案,取得城區地下水位升高11.7 m的效果,對地下水位持續下降帶來的環境問題有一定的緩解作用[6-8]。天鎮縣利用杏園窯溝傍河開采淺層地下水,替代下游井采地下水,解決人畜吃水和灌溉問題,保護和涵養地下水資源[9]。

目前引江濟淮工程尚未建成,宿州市暫無外調水源條件,因此本文提出基于壓采的地下水源置換方案,將超采區內擬壓采的水量置換到宿州北部符離集地下巖溶水源地,并利用地下水數值模型對方案實施后的地下水位與降落漏斗變化進行模擬預測,旨在對區域水資源進行合理調控規劃,為宿州市水資源合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

埇橋區是宿州市唯一的市轄區,位于東經116°51′～117°08′、北緯 33°30′～33°43′,面積2 907 km2。該區地處淮北北部丘陵與平原的過渡地區,地形較為復雜,以宿北斷裂為界,北側為丘陵地區,地面標高一般為30～150 m;南側為平原地區,地形平坦,地面標高一般為24～27 m;地形總趨勢西北和北部稍高,向東南和南緩傾,地形坡降約1/8 000。

埇橋區屬暖溫帶半濕潤季風氣候,夏季暖熱多雨,冬季寒冷干燥,四季分明,多年平均降水量為865 mm,多年平均蒸發量為1 589.4 mm。區內主要河流為新汴河、沱河,橫貫中部。城西、符離水源地位置如圖1所示。

圖1 城西、符離水源地位置示意圖

城西水源地位于埇橋區南側,是宿州市城區唯一的供水水源地,地貌屬沖積平原和堆積剝蝕平原,地層區劃屬華北地層區淮河地層分區淮北地層小區,第四紀地層發育,本次研究目標層為松散巖類孔隙水含水層組,根據埋藏條件、水力特征,自上而下分為潛水含水層、中深層承壓含水層,兩者之間有較穩定的弱透水層分布,主要由粉質黏土構成,厚度約30 m,但局部地段較薄,在市區中心存在天窗。潛水含水層屬上更新統(Q3),巖性以粉細砂為主,砂層厚度為5～15 m,單井涌水量為100～1 000 m3/d;降水入滲是潛水的主要補給來源;天然狀態下,潛水徑流受地形影響由西北流向東南,現狀條件下,受開采影響,徑流由四周匯入中心;排泄方式主要為蒸發、開采以及通過天窗和越流向中深層地下水排泄。中深層承壓含水層屬中更新統(Q2)、下更新統(Q1),巖性以粉砂為主,砂層厚度為10～30 m,單井涌水量為100～2 000 m3/d;中深層地下水主要是通過天窗和越流接受潛水的補給,其次為層間側向徑流補給;受開采影響,徑流由四周匯入中心;主要排泄方式為城區集中式開采。根據地下水資源勘查和計算評價結果,城西水源地多年平均可采資源量約為15×104m3/d[10]。

符離水源地位于埇橋區北側,按地下水含水介質和賦存狀態的不同,可劃分為松散巖類孔隙含水巖組和碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。巖溶含水巖組在全區廣泛分布,主要為寒武系中統,巖性以白云巖、灰巖為主,厚度為83.5～110.0 m,部分出露地表,其余覆蓋于南部平原區松散沉積之下,巖溶發育好,單井涌水量可達3 000～7 500 m3/d;天然狀態下,巖溶水的主要補給來源是灰巖裸露區的降水入滲補給,水源地南部邊界為宿北斷裂隔水邊界,東部、西部、北部邊界為丘陵組成的分水嶺,無側向徑流補給;巖溶水自北部裸露區向南部淺覆蓋區徑流;排泄方式主要為頂托補給孔隙水排泄以及下降泉排泄?？紫逗畮r組分布于水源地內平原區,中更新統、上更新統發育,巖性以黏土、粉細砂為主,厚度為46.5～61.5 m；其中,黏土層厚度均大于30 m,若存在因開采等因素形成的土洞,在塌陷波及地面之前,就達到應力平衡狀態,不再發展成塌陷坑[11-13]。符離水源地多年平均可采資源量[14]約為6.13×104m3/d。

2 開采方案的設計研究

城西水源地內共有中深層地下水開采井153眼,均位于地下水超采區內,開采量14.7×104m3/d。其中,市政水井110眼,密度約為1～8眼/km2,最大密度可達11～12眼/km2,開采量11.8×104m3/d;自備水井43眼,井間距離約為100～300 m,開采量2.9×104m3/d。開采井分布情況如圖2所示。開采井分布過于密集,導致局部地下水位持續下降。符離水源地現狀地下水用途主要為極少量的農業、生活用水,且符離鎮距宿州市北區供水基地僅15 km,可鋪設管道將水輸到城區,是理想的供水基地[15]。

本文基于壓采要求,考慮方案實施過程中的可行性,擬封閉超采區內分布密集的部分水井,將壓采的水量置換到符離水源地南部開采,并根據壓采比例的不同,提出2種壓采方案。這2種壓采方案,既削減了超采區中深層地下水開采量,使井間距趨于合理,也能滿足城區用水需求,達到遏制超采區擴大、緩解環境地質問題的目的。地下水開采現狀方案和2種壓采方案規劃見表1所列。

圖2 城西水源地開采井布局示意圖

表1 3種開采方案規劃

3 地下水流數值模型的建立與求解

由于城西水源地屬于平原孔隙水水文地質區,符離水源地屬于丘陵裂隙巖溶水水文地質區,兩者所屬水文地質單元不同,將城西和符離水源地的數值模擬分為2個獨立的部分。

3.1 城西水源地地下水流數值模型

根據地下水的埋藏情況及與降水、地表水的交替強弱,將城西水源地地層自上而下劃分為潛水含水層組、弱透水層組、中深層承壓含水層組。

城西水源地北部宿北斷裂為隔水斷裂,因此概化為隔水邊界;其余邊界主要通過地下徑流方式獲取側向徑流補給,概化為流量邊界。模型頂部潛水含水層接受大氣降水補給,底部為厚度較大的隔水層,概化為隔水底板。

地下水流系統符合達西定律,運動要素隨時空變化,滲透系數等參數隨空間變化,故將其概化為非均質各向同性、非穩定三維地下水流模型,相應的數學模型如下:

(1)

其中:H為地下水水位;K為含水層滲透系數;W為源匯項;μ*為彈性釋水系數;H0為地下水初始水位;H1為第一類邊界條件下的水位;n為邊界Γ2的外法線方向;q為含水層第二類邊界單位面積流量;t為時間;Ω為模擬區范圍;Γ1為第一類邊界;Γ2為第二類邊界。

應用Visual MODFLOW 軟件對模型區進行劃分,共62 500個單元格(250行×250列);單位網格長為100 m,寬為100 m,面積為0.01 km2。根據城西水源地地下水位觀測資料,以 2015年1月1日到 2015年12月31日作為模型識別期,以2016年1月1日到2016年12月31日、2017年10月1日至2018年9月30日作為模型驗證期。

城西水源地典型觀測孔609水位擬合曲線如圖3所示。經計算,識別、驗證期內,5口潛水觀測孔、5口中深層地下水觀測孔水位擬合小于0.5 m的誤差結點占已知水位結點的70%以上,模擬水位與實際水位擬合效果較好,模型可以應用到后續的預測中。降雨入滲系數依據文獻[16]取值,水文地質參數通過反復調試,最終確定的分區結果如圖4所示。

圖3 城西水源地典型觀測孔609水位擬合曲線

圖4 城西水源地水文地質參數分區

3.2 符離水源地地下水流數值模型

將符離水源地地層自上而下劃分為孔隙潛水含水層組、巖溶裂隙含水層組。符離南部邊界為宿北斷裂,東部、西部、北部邊界為丘陵組成的分水嶺,均概化為隔水邊界。潛水含水層上部接受大氣降水補給;巖溶含水層底部巖溶欠發育,概化為隔水底板。根據水文地質概念模型,將符離模擬區地下水流概化為非均質各向同性、非穩定三維地下水流模型,數學模型與(1)式一致。

將模型區劃分成22 800個單元格(190行×120列);單位網格長為100 m,寬為100 m,面積為0.01 km2。因符離水源地巖溶水基本處于未開發狀態,故利用抽水試驗的水位觀測數據進行擬合,而本次抽水試驗水位變化幅度較小,以降深來反映水位變化更為直觀。

將模型中的水位降深數據導出,與抽水試驗數據的擬合結果顯示,小于0.05 m的誤差結點占已知水位結點的80%以上,整體上擬合效果較好,模型可以應用到后續的預測中。符離水源地抽水試驗水位降深擬合曲線如圖5所示。降雨入滲系數依據文獻[17]取值,水文地質參數通過反復調試,最終確定分區結果。

圖5 符離水源地抽水試驗水位降深擬合曲線

城西、符離水源地水文地質參數取值見表2所列。

表2 城西、符離水源地水文地質參數取值

4 地下水開采方案的效應分析

利用已構建的地下水流數值模型,將源匯項以多年平均賦值,對不同開采方案在2019—2028年10 a內的地下水位和降落漏斗變化過程進行模擬預測并分析。由模擬結果可知:按照現狀方案繼續開采,超采區地下水位將持續下降,漏斗范圍不斷擴大,而實行壓采后,全區水位較現狀方案有顯著抬升;符離水源地由于新增開采,出現水位不同程度下降。

4.1 城西水源地模擬結果

城西水源地3種方案10 a末地下水位分布如圖6所示,3種開采方案下漏斗中心和邊緣的水位變化如圖7所示。

圖6 城西水源地3種方案10 a末水位等值線

圖7 城西水源地3種方案水位變化曲線

根據圖6可以得出,現狀方案、壓采方案1、壓采方案2開采10 a形成的降落漏斗面積分別為233.47、180.29、160.99 km2;壓采方案1、壓采方案2相較于現狀方案對于降落漏斗都有較好的修復效果。

由圖7可知：壓采方案1、壓采方案2都呈不同程度的水位上升趨勢。在漏斗中心處,現狀方案的水位下降速率為0.96 m/a;壓采方案1在3 a內升高1.72 m,隨后水位基本保持穩定;壓采方案2在4 a內水位上升幅度較大,達4.33 m,隨后的水位上升速率為0.19 m/a。在漏斗邊緣,現狀方案的水位下降速率為0.37 m/a;壓采方案1保持0.07 m/a的下降趨勢;壓采方案2在前3 a下降0.16 m,隨后保持約0.07 m/a的上升速率。

總體上,在城西水源地實施壓采后,水位較現狀都有一定幅度的抬升。其中,壓采方案1的修復效果一般,水位在上升一定幅度后基本保持穩定,遏制了漏斗擴大的趨勢。壓采方案2的修復效果更好,全區水位持續抬升,漏斗面積逐漸減少。

4.2 符離水源地模擬結果

由于在符離水源地新增開采,水位出現不同程度下降。由于地下水位降深可以更直觀地反映從靜水位到動水位的變化,本文以水位降深來分析2種壓采方案下地下水位動態變化。符離水源地2種壓采方案10 a末降深等值線如圖8所示,降深變化曲線如圖9所示。

圖8 符離水源地2種壓采方案10 a末降深等值線

圖9 符離水源地2種壓采方案降深變化曲線

從圖8、圖9可以看出,壓采方案2開采10 a形成的降落漏斗面積和水位降深明顯大于壓采方案1。在漏斗中心處,壓采方案1在前3 a水位下降5.09 m,隨后的水位下降速率為0.36 m/a,模擬期末下降速率為0.21 m/a;壓采方案2在前3 a水位下降9.63 m,隨后的水位下降速率為0.86 m/a,模擬期末下降速率為0.44 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1、壓采方案2由于降雨入滲補給且初期開采的影響尚未顯現,水位初期有所抬升,此后的水位下降速率分別為0.22、0.57 m/a,至模擬期末下降速率分別為0.12、0.28 m/a。

總體上,在符離水源地,以壓采方案1開采3 a后,水位和漏斗基本保持穩定;以壓采方案2開采,水位持續下降,漏斗面積也不斷增大,但在后期水位下降速率明顯變小,水位基本保持穩定。

4.3 綜合分析

2種壓采方案下城西、符離水源地的降落漏斗面積和水位變化速率對比見表3所列。壓采方案2對于城西水源地的水位抬升效果優于壓采方案1,雖然在符離水源地以壓采方案2持續開采會導致水位下降更迅速,但在后期下降速率也趨于穩定,且中心水位在下降15.63 m后仍然在基巖面以上,對其他用戶的開采利用不會產生影響,故總體上,壓采方案2要優于壓采方案1。

表3 2種壓采方案下水位降落漏斗變化

5 結 論

本文針對宿州市水資源條件,提出地下水源置換方案,即將城西水源地內擬壓采的水量替換至符離水源地,既滿足城區用水需求,又實現壓采的要求;根據壓采比例不同提出2種開采方案,利用地下水流數值模型,對不同開采方案下城西、符離水源地的降落漏斗分布及水位變化進行對比分析。研究結果顯示,壓采方案2(壓采比例30%)的效果優于壓采方案1(壓采比例20%)。

(1) 在城西水源地漏斗中心,壓采方案1中深層地下水水位在3 a內上升1.72 m,隨后基本保持穩定;壓采方案2水位在4 a內上升4.33 m,隨后的水位上升速率為0.19 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1的水位下降趨勢為0.07 m/a;壓采方案2在3 a內下降0.16 m,隨后的水位上升速率為0.07 m/a,壓采方案2的水位抬升效果明顯優于壓采方案1。

(2) 在符離水源地漏斗中心,壓采方案1在前3 a水位下降5.09 m,隨后的水位下降速率為0.36 m/a;壓采方案2在前3 a水位下降9.63 m,隨后的水位下降速率為0.86 m/a。在漏斗邊緣,壓采方案1、壓采方案2的水位下降速率分別為0.22、0.57 m/a,壓采方案2開采形成的水位降深明顯大于壓采方案1,但在后期下降速率也趨于穩定,且10 a末中心水位15.63 m的下降幅度對其他用戶的開采利用不會產生影響。

本文研究成果可為宿州市水資源合理開發利用提供科學依據,也可為廣大北方地區地下水壓采之后制定水資源利用方案提供參考。