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试议吴堡县陕西省吴堡县岔上水源地地下水允许开采量评价

收藏本文 2023-12-23 点赞:23036 浏览:98300 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:根据陕西省吴堡县岔上水源地水文地质条件,确定了研究范围和边界条件,建立了研究区水文地质概念模型和地下水二维非稳定流数学模型,利用基于有限差分法的Visual MODFLOW进行地下水

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流数值模拟计算。经过模型的识别和验证,获取可靠的水文地质参数,然后对水源地地下水资源进行定量评价。通过对比设计了9种开采方案,选取了最为合理的开采方案,最终得到岔上水源地平枯期允许开采量均为6 880 m3/d。根据模型预报结果,水源地目前的设计开采量是可行的。研究结果为研究区地下水资源的合理开发利用提供了依据。
关键词:岔上水源地;数值法;有限差分法;Visual MODFLOW;数值模拟;地下水允许开采量
16721683(2013)05002204
在我国,水资源短缺问题及其相关的水环境问题日益成为制约地区经济和社会发展的瓶颈。在干旱半干旱地区,地下水作为主要供水水源,对其合理开发利用,是改善水环境,保证水资源可持续开发利用的重要途径。
陕西省榆林地区矿产资源储量大,品质优,组合配置条件好,开发利用前景优越,是中国新兴的能源化工基地和21世纪重要的能源接续地。但是与此同时,该地区水资源日趋枯竭,水危机形势严峻,在本地区开展水资源可持续开发利用研究具有极其重大的理论意义和实用价值。为了促进矿产资源开发和社会经济发展,在陕北能源化工基地探寻新的供水水源,陕西省地矿局九〇八水文地质工程地质大队组织开展了陕北能源化工基地黄河谷地地下水勘查项目,吴堡县岔上水源地地下水允许开采量评价是该项目的组成部分。
常用的地下水允许开采量评价方法是数值模拟法[23],目前求解地下水运动偏微分方程最常用的两种数值方法是有限差分法和有限单元法。本文采用基于有限差分法的Visual MODFLOW软件对岔上水源地地下水允许开采量进行评价。
1研究区水文地质概况
岔上水源地研究区地处黄河河谷陕西省一侧、陕北黄土高原东北部边缘地带,属于吴堡县岔上乡川口村至岔上村之间的黄河谷地,南距吴堡县县城35 km,地理坐标为东经109°41′50″-109°44′15″,北纬37°41′00″-37°42′15″,面积252 km2。研究区受极地大陆冷气团影响较大,受海洋热带暖气团影响较小,为典型的半干旱大陆性气候。作为水源地东北边界的黄河是一条融雪-降雨型河流,近年来其流量总体呈减少趋势,最大年径流量为30680万m3,最小年径流量为9505万m3。
区内地貌可分为黄河河谷区和黄河岸边低山丘陵区,有较长的、连续分布的漫滩阶地。依据赋存条件、水力特征和含水介质,可以将研究区地下水分为第四系冲洪积层孔隙潜水和三叠系碎屑岩类裂隙水两类。黄河岸边低山丘陵区地势高,地形破碎,地表黄土状土厚度较薄,为透水不含水岩层。三叠系碎屑岩类由于其岩性、风化裂隙发育程度和所处地貌分区的不同,地下水的赋存具有较大差异。黄河河谷区地势平坦,冲洪积层结构松散,孔隙率大,透水性较强,地下水主要赋存于泥质砂砾卵石层和含砾砂层的孔隙内,补给源稳定,形成第四系冲洪积层含水层。黄河河谷中第四系冲洪积层厚度一般10 m左右,河漫滩冲洪积含水层岩性主要为泥质砂砾卵石层,部分地段夹含砾粗中砂透镜体,颗粒粗,孔隙率较大,地下水赋存条件较好,水位埋藏浅,一般170~315 m,含水层厚度950~1080 m(见图1)。除接受大气降水入渗补给和一级阶地冲洪积含水层的侧向径流补给外,开采状态下还可得到黄河地表水渗漏补给。
2地下水允许开采量评价

2.1水文地质概念模型

研究区内含水介质主要为第四系全新统冲洪积砂砾卵石含水层和三叠系碎屑岩类裂隙含水层。区内具有开发利用前景的地下水富水地段主要为黄河漫滩阶地区,其含水介质为第四系全新统冲洪积砂砾卵石层及三叠系基岩风化带,二者均为非均质轴对称各向异性介质。
如图2所示,研究区东北边界为黄河,在天然条件下,地下水在接受大气降水入渗补给后向黄河排泄,因此可将黄河概化为第三类河流边界。西南沿线为低山丘陵区,其下伏基岩透水性差,加之地形破碎,可将其概化为隔水边界。取水工程正常工作时不会影响到黄河上、下游边界(即研究区的西北、东南边界),故将其概化为一类定水头边界。研究区的顶面为潜水面,在该面上发生着降水入渗、潜水蒸发等垂向水交换作用,可概化为潜水面边界。研究区底面为三叠系完整基岩,基岩结构致密,裂隙不发育,构成区域隔水底板。

2.3数学模型的求解

2.3.1模型初始化

本文采用基于有限差分法的MODFLOW软件进行地下水流数值模拟计算。
首先进行计算单元剖分。将模拟区逆时针旋转30°后,采用分别平行于X、Y轴的正交网格对计算域进行平面上的剖分。利用10 m×10 m的等间距网格,将岔上水源地在平面上沿南北向剖分为95行,沿东西向剖分为357列,共剖分22 037个活动单元,实际代表平面面积2 203 700 m2。
其次,确定水文地质参数初值。计算水源地补给量时,参数选择至关重要[5]。本次计算涉及的水文地质参数主要是渗透系数和给水度。确定水文地质参数初值的具体步骤如下:利用已有抽水试验资料计算渗透系数和给水度,结合不同岩性的经验值,确定不同岩性的水平、垂直渗透系数和给水度;根据岩性的空间分布规律,利用渗流等效原理和克里格插值方法确定各单元渗透系数和给水度[6];根据抽水试验值和经验值给各参数赋予初值。根据区内稳定流抽水试验,将研究区划分为3个参数区(见图3):岔上水源地西北部的黄河上游岔上村地区为Ⅰ区,渗透系数采用3722 m/d;岔上水源地东南部的下游川口村地区为Ⅲ区,渗透系数采用13259 m/d;其余中游地区为Ⅱ区,渗透系数采用2371 m/d(见表1)。各地区相应的垂向渗透系数也可通过双环渗水试验得到(见表2)。根据本地区含水层岩性及颗粒组成,参照本区的前人研究成果和《水文地质手册》中的经验值,整个岔上水源地给水度取015。 虽然岔上水源地存在大气降水入渗补给和潜水蒸发蒸腾排泄,但由于岔上河谷区面积较小,并且蒸发排泄量与开采条件下激发的河流渗漏补给量相比很小,故模型建立时可以忽略降水入渗量以及设计开采量之外的源汇项。研究区东部的黄河为三类边界,边界水位取平水期黄河水位,河床淤积层(泥皮)厚1 cm,渗透系数根据邻区资料并结合经验取值为001 m/d。计算区黄河上下游一类边界水位取黄河水位。

2.3.2模型识别与检验

模型的识别在数学运算过程中称为解逆问题。模型识别主要对含水层的渗透系数(K)和给水度(μ)进行率定。此次模型的识别利用的是抽水试验前20 d的实测水位资料。将初始的渗透系数和给水度带入到模型中,计算出前20 d各节点的水位,与实测的水位进行比较。拟合点的水位计算值与其水位实测值的误差绝对值越小,说明模型的仿真性越强,选取的参数越合理。否则,需要对参数进行调整,直到误差达到允许的范围。调参结束后,再利用20~80 d的地下水动态资料对模型进行了检验,得到地下水动态观测值和计算值拟合图[7],可看出计算水位降深与实测水位降深等值线的整体拟合程度良好(见图4),各节点水位拟合达到精度要求,说明含水层结构、边界条件的概化、水文地质参数的选取是合理的

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。模型计算的地下水流场基本上反映了区域地下水流动的规律[8]。因此,建立的数值模型可以用于地下水允许开采量的评价和水位的预报。
在每年枯水期的6月、7月份,黄河流经水源地的河段会出现水位下降、水边线后退的现象,从而对傍河管井开采量产生一定的影响。为此建立岔上水源地傍河管井开采的枯水期非稳定流数值模型,将推荐采用的第二方案在枯水期进行历时60 d的非稳定流模拟。模拟过程中,初始流场采用推荐方案平水期的稳定流场,黄河水边线按枯水期水边线确定,黄河水位下降1 m。由计算结果可得,在黄河水位下降、水边线后退条件下,抽水降深会在平水期降深的基础上有所增加(见图

7、图8),但该方案仍能维持60 d的正常开采。

3结语
在掌握吴堡县岔上水源地水文地质条件的基础上建立了二维地下水非稳定流数值模型,采用基于有限差分法的Visual MODFLOW软件对研究区地下水允许开采量进行了评价。经过模型识别和验证,确定了符合区内水文地质条件的模型参数和边界条件。通过对研究区设计的9种不同开采方案模拟计算,最终推荐采用第二开采方案,能够保证平、枯水期开采量均可达到6 880 m3/d。模拟工作对今后此类黄河河谷区傍河取水水源地数值模拟计算具有重要指导意义。
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