南乐县睢庄中层地下水水源地混合开采数值模拟研究

谷 瑜

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州 450045）

南乐睢庄地下水水源地设计开采量为20 000 m3／d，采用浅层地下水与中层地下水混合开采，浅层微承压含水层与中层承压含水层各开采10 000 m3／d，两层分别有11口井，各有1口为备用井，设计每口井开采量为1 000 m3／d［1］。两含水层中间分布有一层粉质黏土、黏土，二者水力联系较差。中层含水层与下部深层含水层之间存在10～20 m厚的稳定连续黏土层，与下部深层含水层基本无水力联系。混合开采对两者含水层的影响均较小，同时对深层含水层的影响亦较小。

本文选用GMS软件中集成的MODFLOW程序对南乐睢庄地下水水源地混合开采的可行性以及水源地开采后地下水位的变化趋势进行了评价，为地下水资源评价及开采预案提供可靠依据，同时亦可对今后类似水源地的开采评价方式提供参考［2－3］。

1 水文地质条件

南乐睢庄水源地处于黄河冲积扇的前缘，地下水均赋存于松散层的孔隙中。依据地下水埋藏条件和开发利用程度，将松散岩类孔隙水分为3个含水层组，即浅层含水层组，中层含水层组，深层含水层组。中层含水层与下部深层含水层之间存在10～20 m厚的稳定连续黏土层，中层含水层与下部深层含水层基本无水力联系。

浅层含水层组指地表以下130 m以浅的含水层，上部岩性主要为全新统中细砂、中砂组成，厚度40～55 m，下部由上更新统黄河冲积细砂、中砂组成，具微承压性。可见6～8层砂层，单层厚度2～14 m，总厚度43～65 m，富水性为1 223～1 492 m3／d；中层含水层组顶板埋深130 m左右，底板埋深一般280 m左右，水源地附近中层承压含水层岩性主要为中更新统粉细砂、中细砂和细砂组成，共有11～12层，单层厚度在2.2～19.8 m，总厚度在82.2～96.1 m，水源地勘探孔15 m降深单井出水量为2 410.1～2 988.3 m3／d，属强富水区。

2 地下水数值模拟

2.1 模型概化

根据含水层的埋藏条件、成因类型、水力性质、开发利用情况等，模型将勘察区在空间上大致划分为浅层微承压含水层组、中层承压含水层组两个含水层组。第一含水层岩性为全新统和上更新统黄河冲积细砂、中砂，中间夹厚度不等的粉质黏土弱透水层。浅层含水层组与下伏中层承压含水层组之间分布有一层粉质黏土或黏土，二者水力联系较差，但存在越流。第二含水层组为中层承压水含水层。含水层岩性为中更新统粉细砂、中细砂和细砂。中层承压含水层与下伏深层含水层之间分布一层比较稳定的黏土隔水层。

模拟区范围包括南乐县城区及西部地区，西至前十固，东至李家屯，北至寺庄，南到清丰县大流乡，东西长14 km，南北长15 km，模拟区总面积210 km2。根据区内流场特征和对含水层结构的分析，本次模拟将浅层、中层含水层各边界均定义为通用水头边界［4］。模型的上边界与系统外发生垂向水量交换，接受降雨入渗补给、灌溉回渗补给及河流渗漏补给等，并通过蒸发排泄地下水。模型的底边界根据中更新统底界来确定，工作区中更新统与下更新统之间有一层比较稳定的黏土层，因此模型以中更新统底板为模拟范围，处理为隔水边界。

2.2 水文地质参数

浅层潜水含水层的水平渗透系数为10.20～19.56 m／d，中层承压水含水层的水平渗透系数为5.44 m／d。从水平方向看，黄河古河道水平渗透性能优于周边其他区域；垂向上工作区浅层含水层水平渗透性能优于中层承压含水层，这主要与其沉积环境有关。

降水入渗系数取值为0.2～0.3，灌溉入渗系数取值为0.18～0.25。潜水水位埋深普遍大于5 m，大于极限埋深，故本次模拟不考虑地下水蒸发。

2.3 模拟验证期

模拟期：根据本项目资料收集及地下水统测情况，模拟期为2014年5月1日到2015年11月30日，共计19个自然月。将模拟期划分为19个应力期，每个应力期长为一个月。

验证期：根据本次工作抽水试验的资料及情况，将验证期确定为2018年11月。将整个验证期划分为10个应力期，每个应力期对应3 d，分为3个计算时间步长。

2.4 模型验证

为了进一步验证模拟模型的可行性，采用2018年11月1日至12月1日的群孔抽水试验数据进行，验证期30 d。采用识别后的模型进行验证。本次抽水试验模拟模型划分为30个应力期，步长1 d。选择抽水试验前浅层与中层地下水的统测水位作为模拟的初始流场。

本次模拟验证选取群孔抽水试验的5个观测孔的水位动态数据进行动态拟合。并以群孔抽水试验结束前统测水位线与相应时段模拟等水位线进行拟合。地下水等水位线拟合图见图1。浅层观测孔水位动态拟合见图2，中层观测孔水位动态拟合见图3。

图1 地下水等水位线拟合图

图2 浅层观测孔TC5动态拟合曲线

图3 中层观测孔ZK11动态拟合曲线

根据验证期末等水位线拟合图，验证后模拟水位流场与实测水位流程基本一致。根据各观测孔动态拟合曲线，可以看出观测孔实测水位与模拟数值变化趋势基本保持一致。从整体看来，水位拟合情况较好，模拟模型基本达到模型精度要求，符合本次勘察区水文地质条件，可以较好反映地下水系统水力特征，可以利用模型进行预测。

3 地下水资源量评价

3.1 定解条件

初始条件：采用本次勘察区2014年5月统测数据中的浅层、中层地下水水位，依据克里金（Kriging）插值法获得两层水位流场，为模型的初始流场。

边界条件：通过初始流场和模拟期末的流场，可以综合给出各通用水头边界的参数。水位和河道参数综合控制着马颊河及卫河的补给量，使用总补给量以及流场等来校正参数［5］。

源汇项的处理：将范围内浅层含水层的补给，包括大气降水入渗、农田灌溉入渗、河流入渗、地下水侧向补给进行模拟。其中，排泄项包括农业用水开采量、生活用水开采量、侧向流出量等；工业开采是中层含水层在天然状况下主要的排泄方式，中层含水层主要接受浅层水越流补给、地下水侧向补给。

3.2 开采方案模拟预测

3.2.1预测情景及模型设置

根据水源地需求的开采量，运用建立和识别好的地下水流数值模型进行开采模拟预测，以评估设计开采量的可行性以及水源地开采后地下水位的变化趋势。

预测期共30年360个月，模型中将每1个应力期设定为1个自然月，共计360个应力期，每个应力期分为2个时间步长，共计720个时间步长；预测模型模拟范围与模拟模型及模型结构完全相同；采用了模拟模型识别好的水文地质参数；大气降水等气象数据采用了历史观测数据，以5年为一个周期进行重复，丰平枯均有体现，即假定未来30年气候特征与现状相同，不发生明显变化；来自南侧的侧向补给量采用了模拟期识别好的边界补给量；地下水灌溉渗漏量以及河流渗流补给量均重复历史数据；侧向排泄量由模型根据模拟的水位埋深变化自动计算；以模拟的2015年12月水位作为预测模型的初始流场。

设计开采量为20 000 m3／d，浅层含水层与中层承压含水层各开采10 000 m3／d，两层分别有11口井，浅层、中层各有1口为备用井，每口井设计开采量为1 000 m3／d。

3.2.2 水位预测及降深变化

浅层水源地开采后，浅层地下水流场在水源地附近发生明显变化，由于模拟区北侧水位较低，所以在TC3水源井附近逐渐形成了最低水位，且随时间推移水位漏斗逐渐扩大，水位标高由开采前的25.0 m下降至22.0 m，降深3 m，浅层水源地地下水降深最大处位于TC10附近，主要由于中层承压含水层袭夺的影响，导致降深漏斗南移。水源地开采20 a后至2035年，浅层含水层水源井中心点TC10最大降深5.0 m，30 a后至2045年，最大降深5.3 m，水源地开采10 a后水位趋于稳定。

由中层水源地开采预测结果可知，中层水源地开采后，中层承压水流场整体变化较为明显，在水源地几何中心ZK18处开始出现漏斗，形态接近正圆，中心点降深及水位均为区域最低值。随着水源地的持续开采，漏斗半径随时间逐渐扩大，形态3 km外逐渐趋于不明显，水位降深由水源地几何中心向周围逐渐减小。开采20 a后中层含水层中心井水位降深11.5 m，开采30 a后为12.5 m，水源地开采10 a后水位趋于稳定。

3.2.3 水源地开采前后地下水水均衡

未开采条件下地下水总补给量为6 000.48×104m3／a，排泄量为6 022.9×104m3／a，补排差－22.42×104m3／a；实施开采方案30年后，地下水补给量为6 514.48×104m3／a，排泄量为6 678.4×104m3／a，补排差－163.92×104m3／a。地下水补排差明显增大，增大了141.5×104m3／a，与总开采量仍有一定差距，主要原因是实施开采方案后，由于实施开采方案后水位有一定程度下降，激发的侧向补给及河水补给有一定程度增加，故新增的开采量不仅消耗储存资源量，而且袭夺侧向补给量及河流渗漏量。随着流场的逐渐稳定，新增的开采量将逐渐由消耗储存资源量向袭夺侧向补给量及河流渗漏量转化。

3.3 允许开采量评价

根据水源地开采预测结果，在设计浅层井总开采量1×104m3／d条件下，浅层水源地开采30 a后，浅层微承压含水层水源井最大降深5.3 m，降深曲线逐渐趋于水平，并逐渐稳定，预测最低水位标高为22.0 m（TC3），高于该处含水层顶板标高10 m，且高于区域浅层微承压水顶板标高（0～18 m）。中层水源地开采30 a后，最大水位变幅为12.5 m（ZK18），降深曲线逐渐趋于水平，并逐渐稳定，预测最低水位标高为14.5 m（ZK18），远高于该处含水层顶板标高－50 m，且高于区域浅层微承压水顶板标高（－55～－100 m）。水源地的开采主要依靠激发地下水侧向流入量，袭夺地下水侧向流出量，满足地下水位处于含水层顶板之上，水源地设计浅层及中层各开采1×104m3／d，可以保证合计开采水源地地下水2×104m3／d。

4 结论

南乐县睢庄地下水水源地采用浅层地下水与中层地下水混合开采的方案。其中浅层开采1×104m3／d，中层开采1×104m3／d，共计开采水源地地下水2×104m3／d。利用GMS软件对南乐县睢庄地下水水源地开采情况进行模拟计算，并利用群抽试验进行验证，使用模型预测水源地满负荷开采30 a时，浅层地下水及中层地下水最低水位标高均高于该处含水层顶板标高，水源地开采量是有保证的。