涉县东风湖泉域地下水开采数值模拟及分析

    根据涉县东风湖泉域地下水含水介质特征、水动力条件、边界条件以及水位动态变化规律,采用三维流数值模型进行评价预测,采用了数值模拟法等方法建立泉域地下水开采数值模型,进行评价分析,并在此基础上提出涉县东风湖泉域地下水资源开发利用最佳方案及保护措施建议。 
  关键词涉县;东风湖泉域;地下水开采;数值模拟 
  中图分类号S273.4 文献标识码A DOI编码10.3969/j.issn.1006-6500.2013.10.020 
  1 基本概况及地下水特征 
  涉县东风湖泉域位于河北省涉县西南部,西与山西省黎城县交界。水域面积约92 400 hm2,其中,69.70%位于河北省涉县境内,30.30%位于山西黎城县境内。 
  涉县交通发达,北有邯(郸)长(治)铁路穿越全境,南有G22青兰高速及309国道和202省道跨过,是晋煤东运的必经之地。县内火车停靠站点9个,公路里程222.79 km(图1)。 
  岩溶裂隙地下水具有以下4个特征。 
  (1)大气降水补给量有不断减少的趋势,区内地下水天然资源量已从多年平均4.553 m3·s-1(1956—2000年)减为4.522 m3·s-1(1991—2000年)。 
  (2)人工开采量有不断增加的趋势。区内地下水资源的开采20世纪80年代更是急剧增加,地下水开采量已超过天然排泄量。原有的天然状态已经遭受破坏,机井开采占地下水排泄的比例越来越高,且机井多位于泉区附近。这种集中式开采并形成大降深降漏落斗的开采方式对环境及区域水文地质条件具有一定的危害性。 
  (3)区域地下水位总体呈下降趋势,泉区及其附近集中开采区降落漏斗范围变化不大,而降深逐年增大。 
  (4)东风湖泉群流量呈逐年衰减趋势,由于天然补给量的减少,人工开采量的逐年增长,泉流量呈逐年衰减的趋势。 
  2 三维渗流数值模拟 
  2.1 水文地质背景及其概念模型 
  2.1.1 计算域的确定及其边界性质 东风湖泉域的补给主靠该区雨水入渗和清漳河水下渗补给。据该区水文地质资料,本次数值模拟西边界确定为峪里沟,北侧由于下寒武突出,南部中寒武出露,两侧均有一定的侧向流入,但流量很小,属于二类流量边界,故在本次模拟中定为单宽流量。西北侧有震旦系和寒武系下统泥页岩突出,为隔水层,也定为单宽流量。东北侧也属于二类流量的侧向补给边界,也以单宽流量形式给出。东侧、南侧边界与泉域边界重合,其中东界、南界的中东段为隔水边界,以二类零流量边界给出。南界西段为地下分水岭边界,也以二类零流量边界给出。 
  数值模拟区域计算面积52 485 hm2,其中灰岩裸露区面积32 610 hm2,岩浆岩分布区4 964 hm2,第四系覆盖区14 911 hm2。 
  2.1.2 计算目的层的确定 本次数值模拟计算,依据现有水文地质资料情况将寒武、奥陶含水层列为统一计算目的层,寒武系下统确定为统一隔水底板,基本上防止了区内岩溶裂隙地下水的径流量对计算的干扰。 
  2.1.3 目的层与相邻含水层的关系 在涉县广大盆地区,模拟区内目的层上部为第四系孔隙水。该含水层薄而不稳定,含水性不太好,另外该含水层底部还有厚达近百米的粘土层,该层连续性好且非常稳定,粘土本身隔水性能又很好,故目的层与第四系孔隙水含水层的水力联系在计算时可以忽略不计。在清漳河河谷区,第四系孔隙水层富水性强,河底与该含水层之间的隔水层薄而不稳定,故该含水层可直接接受清漳河水的渗漏补给,另外,河水也可补给到岩溶裂隙层。根据河流断面多年的水文资料显示,该水力联系在模型中计算时以源汇项的形式给出。其下伏的寒武系下统因其富水性极弱的特性,区域上属于隔水层。构成模拟区内相对稳定的隔水底板。 
  2.1.4 模拟区内部结构 根据岩性结构、水动力和水化学、地下水动态四特征显示。在模拟区内,评价目的层在平面上可划分出两个主强径流区,其余均为弱—中等径流区。而数值模型的分区便以径流区的划分为依据。 
  2.1.5 目的层地下水流场及流态 (1)复杂的地下水类型。模拟区内西北部存在大面积碳酸盐岩,该岩层透水性好,故该区域属面状入渗补给区,地下水属于潜水;涉县盆地第四系覆盖层边缘径流区,也为潜水;只有盆地中部径流区(靠近涉县断裂带)为无压至半承压层间水的过度类型,为承压水。 
  (2)渗流形态。本区岩溶裂隙含水介质因为岩溶裂隙发育,具有很好的连通性,又因其非均质各向异性特征,可以作为非均质各向异性渗透介质进行计算。虽然该介质在垂向上具有一定的分带性,但考虑到介质内各含水层组的构造、节理裂隙、岩溶裂隙发育完全和水力联系密切程度,同时也为了保持其宏观性和客观性,计算时算作统一含水体非均质各向异性渗透介质。可以按照符合达西定律的层流进行渗流计算。 
  2.2 三维渗流数学模型及求解 
  2.2.1 三维渗流模型原理 根据以上模拟区三维渗流概念模型,建立非均质各向异性,具有二类边界条件,潜水—承压水三维非稳定流数学模型如下 
  2.2.2 模型的求解 采用有限差分法对该模型进行求解,并将连续渗流区用有限个离散点(区内)的集合替换,在这些离散点上的导数也用差商代替,微分方程和方程定解条件也用差分方程(以未知函数在离散点上的近拟值为未知量)代替。采用预处理共轭梯度法求解,从而得到微分方程在离散点上的近似解值。 
  2.2.3 模型的识别与校正 (1)渗流域的空间离散。将一个三维渗透体划分为一个三维的网格系统,即将整个域被剖分成数层(为保证模型计算的准确性,模型的分层与实际含水层的水平分层应尽量保持一致),每一层再按照行和列剖分,这样渗流域就划分成很多的小长方体,即计算单元。每个计算单元的位置可用其所在的行号(i)、列号(j)和层号(K)来表示。一个模型的第一层(即K=1)为最顶层,行沿X轴(或其平行线)方向延伸,列沿Y轴(或其平行线)方向延伸。某列(行)j中的一个计算单元沿行(列)方向上的宽度表示为△rj(△cj);而层K中的计算单元的厚度则表示为△Vk。根据本区渗流结构特征,以及提供的水文地质资料情况,将计算域划分为2个模型层。在计算区内对2个模型层进行平面剖分,共剖分成50行、43列,共有1 321个计算单元。
  (2)模拟时段的选择。本次计算,Tx、Ty、Tz、Kx、Ky、Kz、S、α等模型参数的识别时段确定为1998年1月至2002年6月。根据长观孔的动态特征,确定其识别步长为6个月,共计9段。拟合点确定为12个。 
  (3)参数分区。据本区水文地质条件,特别是地下水补、径、排条件,富水性,地下水类型(潜水、承压水),地下水流场分布特点的不同,可划分出27个渗透系统参数区和17个储水系统参数区。 
  (4)开采量及参数的给出。计算域内各段时间的人工开采量均由调查资料统计和实际测量值定出。在集中开采区,以开采井的形式在井的分布位置给出,在分散开采区,为便于计算,以乡镇为统计单位,仍以集中开采区的形式在主开采点修正集中分时段给出。边界导水系数、河流渗漏系数按已有水文地质资料和钻探试验资料以及地下水均衡成果给出,并在模型识别中加以修改。 
  从对模拟计算结果的分析中可得出,在宏观上,本次模型基本能演示出计算域内岩溶裂隙地下水的成因和流场的规律,为下一步实施优化调度提供了很好的模拟参考。 
  3 结论与讨论 
  3.1 地表水开采量模拟分析 
  根据地表水资源评价及供水潜力分析,本区地表水资源在现状利用的基础上总资源量虽剩余量较大,但除去三漳渠退水和东风湖泉流量后,多为季节性洪水,可供性差。因此,龙山电厂水源地投产后,稳定的地表水资源量将进一步减少,减少量即为龙山电厂水源地开采量。这将对下游的工农业生产产生一定的影响。 
  3.2 对东风湖泉及现有水源地的影响预测 
  无论采用那种方案,规划水源地投产后对东风湖泉及现有水源地均有不同程度的影响,且随开采量的增大影响程度也相应的增大。这将导致天津铁厂水源地漏斗降深及降落漏斗范围进一步增大,泉流量减少,特别在连续枯水年将出现泉群断流,从而引发河水甚至污水倒灌污染地下水。因此在未来项目投产后应加大对地下水的管理力度,特别是防止地下水受污染。 
  参考文献 
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