涉縣東風(fēng)湖泉域地下水開采數(shù)值模擬研究

涉縣東風(fēng)湖泉域地下水開采數(shù)值模擬研究

1地下水特征及開采行為涉縣東部的登湖泉面積位于山西省山西省臨縣西部，山西省黎城縣交界處。水域面積約92400hm2,其中,69.70%位于河北省涉縣境內(nèi),30.30%位于山西黎城縣境內(nèi)。涉縣交通發(fā)達(dá),北有邯(鄲)長(zhǎng)(治)鐵路穿越全境,南有G22青蘭高速及309國道和202省道跨過,是晉煤東運(yùn)的必經(jīng)之地?？h內(nèi)火車停靠站點(diǎn)9個(gè),公路里程222.79km(圖1)。巖溶裂隙地下水具有以下4個(gè)特征。(1)大氣降水補(bǔ)給量有不斷減少的趨勢(shì),區(qū)內(nèi)地下水天然資源量已從多年平均4.553m3·s-1(1956—2000年)減為4.522m3·s-1(1991—2000年)。(2)人工開采量有不斷增加的趨勢(shì)。區(qū)內(nèi)地下水資源的開采20世紀(jì)80年代更是急劇增加,地下水開采量已超過天然排泄量。原有的天然狀態(tài)已經(jīng)遭受破壞,機(jī)井開采占地下水排泄的比例越來越高,且機(jī)井多位于泉區(qū)附近。這種集中式開采并形成大降深降漏落斗的開采方式對(duì)環(huán)境及區(qū)域水文地質(zhì)條件具有一定的危害性。(3)區(qū)域地下水位總體呈下降趨勢(shì),泉區(qū)及其附近集中開采區(qū)降落漏斗范圍變化不大,而降深逐年增大。(4)東風(fēng)湖泉群流量呈逐年衰減趨勢(shì),由于天然補(bǔ)給量的減少,人工開采量的逐年增長(zhǎng),泉流量呈逐年衰減的趨勢(shì)。2三維滲透值的模擬2.1地質(zhì)背景及其概念模型2.1.1金融邊界兩種邊界東風(fēng)湖泉域的補(bǔ)給主要靠該區(qū)雨水入滲和清漳河水下滲補(bǔ)給。據(jù)該區(qū)水文地質(zhì)資料,本次數(shù)值模擬西邊界確定為峪里溝,北側(cè)由于下寒武突出,南部中寒武出露,兩側(cè)均有一定的側(cè)向流入,但流量很小,屬于二類流量邊界,故在本次模擬中定為單寬流量。西北側(cè)有震旦系和寒武系下統(tǒng)泥頁巖突出,為隔水層,也定為單寬流量。東北側(cè)也屬于二類流量的側(cè)向補(bǔ)給邊界,也以單寬流量形式給出。東側(cè)、南側(cè)邊界與泉域邊界重合,其中東界、南界的中東段為隔水邊界,以二類零流量邊界給出。南界西段為地下分水嶺邊界,也以二類零流量邊界給出。數(shù)值模擬區(qū)域計(jì)算面積52485hm2,其中灰?guī)r裸露區(qū)面積32610hm2,巖漿巖分布區(qū)4964hm2,第四系覆蓋區(qū)14911hm2。2.1.2統(tǒng)一計(jì)算目的層本次數(shù)值模擬計(jì)算,依據(jù)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料情況將寒武、奧陶含水層列為統(tǒng)一計(jì)算目的層,寒武系下統(tǒng)確定為統(tǒng)一隔水底板,基本上防止了區(qū)內(nèi)巖溶裂隙地下水的徑流量對(duì)計(jì)算的干擾。2.1.3水系隔水層的水力聯(lián)系在涉縣廣大盆地區(qū),模擬區(qū)內(nèi)目的層上部為第四系孔隙水。該含水層薄而不穩(wěn)定,含水性不太好,另外該含水層底部還有厚達(dá)近百米的粘土層,該層連續(xù)性好且非常穩(wěn)定,粘土本身隔水性能又很好,故目的層與第四系孔隙水含水層的水力聯(lián)系在計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)。在清漳河河谷區(qū),第四系孔隙水層富水性強(qiáng),河底與該含水層之間的隔水層薄而不穩(wěn)定,故該含水層可直接接受清漳河水的滲漏補(bǔ)給,另外,河水也可補(bǔ)給到巖溶裂隙層。根據(jù)河流斷面多年的水文資料顯示,該水力聯(lián)系在模型中計(jì)算時(shí)以源匯項(xiàng)的形式給出。其下伏的寒武系下統(tǒng)因其富水性極弱的特性,區(qū)域上屬于隔水層。構(gòu)成模擬區(qū)內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定的隔水底板。2.1.4徑流區(qū)劃分根據(jù)巖性結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力和水化學(xué)、地下水動(dòng)態(tài)四特征顯示。在模擬區(qū)內(nèi),評(píng)價(jià)目的層在平面上可劃分出兩個(gè)主要強(qiáng)徑流區(qū),其余均為弱—中等徑流區(qū)。而數(shù)值模型的分區(qū)便以徑流區(qū)的劃分為依據(jù)。2.1.5盆地中部徑流(1)復(fù)雜的地下水類型。模擬區(qū)內(nèi)西北部存在大面積碳酸鹽巖,該巖層透水性好,故該區(qū)域?qū)倜鏍钊霛B補(bǔ)給區(qū),地下水屬于潛水;涉縣盆地第四系覆蓋層邊緣徑流區(qū),也為潛水;只有盆地中部徑流區(qū)(靠近涉縣斷裂帶)為無壓至半承壓層間水的過度類型,為承壓水。(2)滲流形態(tài)。本區(qū)巖溶裂隙含水介質(zhì)因?yàn)閹r溶裂隙發(fā)育,具有很好的連通性,又因其非均質(zhì)各向異性特征,可以作為非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。雖然該介質(zhì)在垂向上具有一定的分帶性,但考慮到介質(zhì)內(nèi)各含水層組的構(gòu)造、節(jié)理裂隙、巖溶裂隙發(fā)育完全和水力聯(lián)系密切程度,同時(shí)也為了保持其宏觀性和客觀性,計(jì)算時(shí)算作統(tǒng)一含水體非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì)。可以按照符合達(dá)西定律的層流進(jìn)行滲流計(jì)算。2.2三維滲透數(shù)學(xué)模型與解決方案2.2.1水—三維滲流模型原理根據(jù)以上模擬區(qū)三維滲流概念模型,建立非均質(zhì)各向異性,具有二類邊界條件,潛水—承壓水三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型如下:式中:Kx,Ky,Kz為介質(zhì)滲透系數(shù)(m·d-1);h—地下水位(m);ho—初始水位;Г2—二類邊界;—立體計(jì)算域;s—儲(chǔ)水系數(shù);q—二類邊界流量(m3·d-1);t—時(shí)間;Q—源匯項(xiàng)。2.2.2利用差分方程組成方程的集合替換,以差分方程的形式代替采用有限差分法對(duì)該模型進(jìn)行求解,并將連續(xù)滲流區(qū)用有限個(gè)離散點(diǎn)(區(qū)內(nèi))的集合替換,在這些離散點(diǎn)上的導(dǎo)數(shù)也用差商代替,微分方程和方程定解條件也用差分方程(以未知函數(shù)在離散點(diǎn)上的近擬值為未知量)代替。采用預(yù)處理共軛梯度法求解,從而得到微分方程在離散點(diǎn)上的近似解值。2.2.3計(jì)算單元及參數(shù)劃分(1)滲流域的空間離散。將一個(gè)三維滲透體劃分為一個(gè)三維的網(wǎng)格系統(tǒng),即將整個(gè)域被剖分成數(shù)層(為保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性,模型的分層與實(shí)際含水層的水平分層應(yīng)盡量保持一致),每一層再按照行和列剖分,這樣滲流域就劃分成很多的小長(zhǎng)方體,即計(jì)算單元。每個(gè)計(jì)算單元的位置可用其所在的行號(hào)(i)、列號(hào)(j)和層號(hào)(K)來表示。一個(gè)模型的第一層(即K=1)為最頂層,行沿X軸(或其平行線)方向延伸,列沿Y軸(或其平行線)方向延伸。某列(行)j中的一個(gè)計(jì)算單元沿行(列)方向上的寬度表示為△rj(△cj);而層K中的計(jì)算單元的厚度則表示為△Vk。根據(jù)本區(qū)滲流結(jié)構(gòu)特征,以及提供的水文地質(zhì)資料情況,將計(jì)算域劃分為2個(gè)模型層。在計(jì)算區(qū)內(nèi)對(duì)2個(gè)模型層進(jìn)行平面剖分,共剖分成50行、43列,共有1321個(gè)計(jì)算單元。(2)模擬時(shí)段的選擇。本次計(jì)算,Tx、Ty、Tz、Kx、Ky、Kz、S、α等模型參數(shù)的識(shí)別時(shí)段確定為1998年1月至2002年6月。根據(jù)長(zhǎng)觀孔的動(dòng)態(tài)特征,確定其識(shí)別步長(zhǎng)為6個(gè)月,共計(jì)9段。擬合點(diǎn)確定為12個(gè)。(3)參數(shù)分區(qū)。據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)條件,特別是地下水補(bǔ)、徑、排條件,富水性,地下水類型(潛水、承壓水),地下水流場(chǎng)分布特點(diǎn)的不同,可劃分出27個(gè)滲透系統(tǒng)參數(shù)區(qū)和17個(gè)儲(chǔ)水系統(tǒng)參數(shù)區(qū)。(4)開采量及參數(shù)的給出。計(jì)算域內(nèi)各段時(shí)間的人工開采量均由調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)和實(shí)際測(cè)量值定出。在集中開采區(qū),以開采井的形式在井的分布位置給出,在分散開采區(qū),為便于計(jì)算,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為統(tǒng)計(jì)單位,仍以集中開采區(qū)的形式在主要開采點(diǎn)修正集中分時(shí)段給出。邊界導(dǎo)水系數(shù)、河流滲漏系數(shù)按已有水文地質(zhì)資料和鉆探試驗(yàn)資料以及地下水均衡成果給出,并在模型識(shí)別中加以修改。從對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的分析中可得出,在宏觀上,本次模型基本能演示出計(jì)算域內(nèi)巖溶裂隙地下水的成因和流場(chǎng)的規(guī)律,為下一步實(shí)施優(yōu)化調(diào)度提供了很好的模擬參考。3結(jié)論和討論3.1地表水資源量減少量可供性差根據(jù)地表水資源評(píng)價(jià)及供水潛力分析,本區(qū)地表水資源在現(xiàn)狀利用的基礎(chǔ)上總資源量雖剩余量較大,但除去三漳渠退水和東風(fēng)湖泉流量后,多為季節(jié)性洪水,可供性差。因此,龍山電廠水源地投產(chǎn)后,穩(wěn)定的地表水資源量將進(jìn)一步減少,減少量即為龍山電廠水源地開采量。這將對(duì)下游的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生一定的影響。3.2開采量增大影響地下水