平阴县前寨-凌庄水源地地下水数值模拟

平阴县前寨-凌庄水源地地下水数值模拟

1.平阴县前寨-凌庄水源地地下水数值模拟 篇一

三门峡市扩建热电联产工程,厂址选在原惠能电厂西侧,供水水源拟采用地下水,需水量2.5×104m3/d。

原电厂辛店水源地施工探采结合孔10眼(T6孔已冲坏),经近6年来开采资料统计,其开采量有逐年增大的趋势,年开采过程中,一般10月份至次年1月份开采量较大,其它月份开采量较小。平均开采量0.607~1.3573×104 m3/d。实测漏斗面积扩大0.415km2,漏斗中心水位比预测值多降2.0~4.0m,并且实际开采量未达到预计开采量[1]。究其原因主要是黄河三门峡水库近年来蓄水位降低,以及实测水位比预测水位多近一年时间所致。

扩大开采水源地是原辛店水源地在黄河南岸河漫滩及一级阶地上向上、下游东、西两端的自然延伸,地质地貌及水文地质条件基本类同,均属典型傍河型水源地[2],补给条件良好。区内全部开发利用地下水,现有农用开采井513眼,平均机井密度5.6眼/km2。农业开采量1432.308×104 m3/a,生活开采量82.8478×104 m3/a;工业自备井54眼,地下水开采大户主要有惠能电厂、神力集团、铁路三门峡西站、县自来水公司、县化肥厂、豫西机床厂等,年开采地下水1298.177×104 m3。工农业开采井深度一般为85~150m,均为混合开采。20世纪50年代以来,区内曾先后作过不同比例尺的地质、水文地质工作,积累了较为丰富的基础资料。

本文拟在前人研究成果的基础上,通过对该水源地水文地质条件的分析,建立其水文地质概念模型及数值模型,利用所建模型对水源地现状及扩大开采后的区内水均衡状况进行模拟,为合理开采利用地下水资源提供科学指导。

1 水源地概况

1.1自然地理

水源地位于三门峡市陕县大营镇辛店村北,隶属于三门峡市陕县大营镇、张湾乡、原店镇及灵宝市大王镇的部分地区(见图1)。

该区地貌单元属于汾渭地堑盆地东南缘。纵观全区,地势南高北低。南部属张汴—阳店黄土塬与崤山东延余脉组成的残山,沟谷发育,地形陡峻,台塬支离破碎,地形起伏不平;北为黄河及漫滩和多级内叠阶地,地形平坦开阔,阶地与阶地及塬区为陡坎相接。阶地由南向北倾斜于黄河河床。一级阶地阶面高程318~322m。构造属华北陆台南缘灵陕断陷盆地,基岩构造裂隙发育,对于降水入渗,地下水赋存、运移以及深层热水运移、上升起着重要作用。加之古气候和动力条件的变更、河流摆动迁移,形成不同的阶地、古冲洪积扇等有利储水条件。

地层主要是中更新统、晚更新统和全新统冲洪积中粗砂与粘土互层沉积物复合体。

区内气候属大陆性半湿润季风气候。多年平均气温13.6℃。多年平均降水量547.00mm, 6~9月份4个月总降水量占多年平均年降水量的63%。多年平均蒸发量2051.5mm。黄河多年平均迳流量420亿m3。三门峡水库多年平均水位311.98m。

1.2 水文地质条件

区域范围内广布第四系松散堆积物。地下水类型为:碳酸盐岩类裂隙岩溶水,碎屑岩类裂隙孔隙水、黄土孔隙裂隙水,松散岩类孔隙水。地下水富水性以松散岩类为好,其它岩类较差。松散岩类孔隙水是区域内地下水的主要类型,主要分布在黄河及其支流的河谷阶地区,含水介质为第四系冲积、冲洪积、冲湖积形成的砂卵砾石、中粗砂、粉细砂层,具多层结构(见图2)。不同地貌单元,含水层的厚度、埋藏分布规律及富水性差异较大。

1.3 地下水的补给、迳流、排泄条件

现状条件下,降水入渗补给占总补给量的10.57 %,不同地质地貌单元降水补给强度不同。滩地和一级阶地,包气带岩性主要为粉土、粉质粘土、粉砂透镜体,水位埋深浅,降水补给条件差,降水入渗系数为0.05。二、三级阶地包气带岩性为粉质粘土,结构疏松,垂直节理发育,地下水位埋深大,降水入渗系数为0.07。黄土垄岗区,包气带岩性为粉质粘土,垂直节理发育,水位埋深大,降水入渗系数为0.05。

三门峡水库蓄水期(11月至次年6月,相当于枯水季节),库水位升高,使支流河沟溯源倒流,漫滩淹没,水深达5~10m,黄河水明显侧向补给地下水,影响宽度1~2km,影响幅度0.3~6.0m,现状条件下,黄河侧向补给占总补给量的49.72%。在开采条件下,地下水将常年接受黄河水的激发补给。

东部的苍龙涧河,西部的南曲河也断续渗漏补给地下水;化纤厂、化肥厂污水沟及电厂煤灰场同样渗漏补给地下水,其量占总补给量的8.54%。

其它补给:南部基岩低山区(包括热矿泉水)、黄土塬区以及东西边界地下水的侧向迳流补给,其补给量占总补给量的29.21%。此外,还有农田灌溉回渗补给,仅占1.95 %。

由于黄土塬与三、二级阶地高差达200m,且组成从南向北阶梯状倾低斜坡地形,故水力坡度大、地下水侧向迳流迅速。除漏斗局部地下水流向有所改变(向漏斗中心汇流),测区总体流向:西部从西南流向东北,东部从东南流向西北,中部从南向北。水库蓄水期,滩地水位升高,地下水从一级阶地向二级阶地前缘迳流;泄水期,西部二级阶地前缘,在老马谢—东官庄老村—禹王庙岭一带形成地下分水岭,地下水向南北两侧迳流;中部电厂原辛店水源地仍接受黄河水侧向迳流补给。

人工开采是区内地下水的主要排泄形式,据统计2003年11月~2004年10月,年地下水总开采量2813.3328×104m3,占总排泄量的84.72 %。

泉水溢出是地下水排泄的另一途径。黄河岸边的冯佐村北、七里等河道切割出露砂砾石层,水库泄水期可见有较多泉水从二级阶地前缘陡坎下溢出。

蒸发排泄,仅在黄河漫滩及部分一级阶地不同时段存在。

地下水向黄河的侧向排泄,区内黄河河床底标高298~305m,是区内最低排泄基准面,也是南部黄土塬及阶地区迳流排泄的最低区。河床沉积厚度(Q4)约15m。黄河水直接与地下水接触,蓄水期河库水补给地下水,泄水期地下水补给河水,两者可互相转化,但因各段含水层岩性不同,水力联系密切程度各异,就总体而言,西部较差、东部较好。现状条件下,除电厂原水源地外,其它地段泄水期均排泄地下水。

1 亚黏土 2 亚砂土 3 砂质淤泥 4 粉细砂 5 细中砂 6 中粗砂 7 砂卵砾石 8 泥质砾石 9 黏土

2 水文地质概念模型

从地下水流动系统理论出发,研究区孔隙含水系统渗流场数值模拟的范围应取至流动系统的自然边界,即天然分水岭或汇水线处[5]。区内浅层含水层组为第四系冲积、冲洪积、冲湖积砂卵砾石、中粗砂、粉细砂层,其间无稳定隔水层存在,故将其概化为具有统一水力联系的各向同性单层潜水含水层;含水层下部为厚层粘土,厚度达50m以上,隔水性能好,含水层下部无越流,可视为水平隔水底板;故将该地下水流系统概化为潜水二维均质非稳定流动系统[2,6]。

黄河水直接与地下水接触,蓄水期河库水补给地下水,泄水期地下水补给河水,两者可互相转化,因三门峡水库的存在,将之视作定水头边界;其余边界条件均按已知流量边界处理,其中上边界取为开放边界,接受降水、灌溉等入渗补给和蒸发排泄;区内在埋深120~150m处存在较厚且连续分布的粘土层,而且开采井深度在150m以上,因此下边界取为该稳定粘土层的顶面,为隔水边界。

3 水文地质参数的选取

本次数值模拟计算选取的初始渗透系数K值系利用抽水试验资料,采用水位恢复法计算的导水系数除以含水层厚度取得。

给水度主要是综合前人成果[1,4],本次水位变动带的重力给水度取值分别为黄河漫滩及一级阶地为0.05、二级阶地到三级阶地为0.07、黄土塬为0.06。

降水入渗系数根据区内地下水动态长观资料、降水量以及不同区域水位动态变动带的岩性及重力给水度资料,选取合适的时段求得,灌溉回渗系数取值参考《辛店水源地扩大开采供水水文地质详查报告》。

4 地下水数值模拟

4.1 地下水数学模型

依据概化的水文地质模型,采用二维均质非稳定流数学模型对研究区地下水渗流场进行模拟。

式中:Kxx和Kyy分别为x和y方向的渗透系数[L/T],Kxx=Kyy;h为潜水含水层的厚度[L];H为水头值[L];ε为源汇项[L/T];μd为潜水重力给水度;n为边界面的外法线方向;Γ为侧边界;B为底边界;H0为初始水头。

4.2 模型识别

以2003年11月1日作为初始时刻,2004年4月1日和8月1日的统测水位作为调整参数空间分布的依据。采用Kriging空间插值方法得到每个剖分单元的初始水头值[7]。

根据长观孔的空间分布,选取13个观测孔的水位动态对模型参数进行识别,多数观测孔计算值与实际值拟合较好,S59和S64观测孔模拟水位与实测水位对比见图3。从动态拟合曲线可以看出,模拟水位没有实测水位的变化幅度大,这主要是由于在模型概化时对各种源汇项在时空上的平均处理造成的。模型识别后确定的含水层渗透系数在0.86~3.08m/d之间,给水度在0.06~0.09之间,均为有效合理范围值。

4.3 水均衡对比分析

对水源地现状的各项水均衡要素观测值和模拟值进行对比如表1、表2。

可以看出,数值模拟结果与长期观测均衡计算结果基本一致,表明地下水年超采量在150×104m3~200×104m3左右。

5 水位动态预测

5.1 初始条件及时段划分

初始水位场及预测时段以2003年11月1日的地下水位作为初始水位。预测时间为10年。为了模拟7月和10月由于水库的蓄泄水引起的地下水响应过程,将这两个月各分为2个时段,其余各月作为一个时段,预测时间共划分为140个时段。

5.2 边界条件及源汇项

水源地开采后,东西南边界性质基本不变,故开采期间边界补给量不变;北部边界视黄河水位变化而发生流量变化,预报时取黄河现状年的实测水位,且依据电厂设计要求黄河最高蓄水位不超过316m;降雨入渗和蒸发采用近50年的多年平均资料;灌溉入渗及河渠入渗量采用平水年资料;农业开采采用枯水年资料,工业及居民生活用水量均按现状条件下用水量给出。

5.3 水位预测

为了满足扩建后热电机组生产用水的需要,在原辛店水源地的基础上需要增加18眼开采井,增加开采量25000m3/d。为对供水水源地进行合理开采,将新老水源地作为一个整体进行研究,这样总开采井为27眼,其中4眼备用,共有23眼进行开采。总开采量为45000 m3/d。利用数值模拟模型对该水源地开采后的地下水渗流场的变化和开采井所处单元地下水位动态进行预报分析。

水源地扩大开采后,东西南边界性质基本不变,故开采期间边界补给量不变;北部边界视黄河水位变化而发生流量变化,预报时取黄河现状年的实测水位,其它源汇项不变。利用数值模型对该水源地开采后的地下水渗流场的变化和开采井所处单元地下水位动态进行预报分析(图4)。可以看出,尽管各开采井所处单元的水位呈持续下降趋势,但是由于靠近黄河,扩大开采激发黄河测向补给,水位下降趋势越来越小,开采第10年时的水位下降速率在0.04~0.39m/a之间,平均下降速率为0.16m/a,水位基本达到了稳定。

6 结语

(1)目前,数值模拟方法是对地下水资源评价的主要手段,进行数值模拟时可以通过调整多个参数或某些边界条件达到拟合[7]。本文根据研究区含水系统特征确定初始及边界条件,建立二维非稳定流数学模型进行数值模拟计算,对观测井水位进行拟合,取得了满意的拟合效果。

(2)利用该数值模型和识别取得的参数值对该水源地开采后的地下水渗流场的变化和开采井所处单元地下水位动态进行的预报分析表明,尽管各开采井所处单元的水位呈持续下降趋势,但是由于靠近黄河,水位下降趋势越来越小,开采第10年时的水位下降速率在0.04~0.39m/a之间,平均下降速率为0.16m/a,水位基本达到了稳定。

(3)对该傍河型水源地的评价及预测表明,傍河水源地在黄河侧向补给的保障下,对电厂的供水开采量是有保证的。通过对该项目的跟踪回访,水源地开采量能够满足设计用水要求。在今后的实际开采过程中应加强地下水动态观测,并进行地下水三维非稳定流数值模拟和预测计算[8,9,10,11],指导水源地的开采。

摘要：本文通过对三门峡辛店水源地地质、水文、气象条件的正确分析和对水文地质概念模型的正确认识及边界条件的合理概化,建立地下水流二维非稳定流数学模型进行数值计算,对开采性抽水试验地下水位变化进行模拟。结果表明,该模型适用于刻画傍河型水源地地下水流场的变化,用来对水源地开采动态进行预测也取得了良好的效果。对同类地下水源地的数值模拟具有一定借鉴意义。