福清平原地下水可采資源量及應(yīng)急開采量評價(jià)

彭 文,陳思佳,周世玲

(1. 廈門地質(zhì)工程勘察院,廈門 361000; 2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211100)

福清平原地下水可采資源量及應(yīng)急開采量評價(jià)

彭 文1,陳思佳2,周世玲1

(1. 廈門地質(zhì)工程勘察院,廈門 361000; 2. 河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211100)

根據(jù)福清平原地下水系統(tǒng)的水文地質(zhì)機(jī)制,在概化該區(qū)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上,首次建立福清平原地下水可采資源量評價(jià)三維數(shù)值模型。根據(jù)福清平原地下水含水層水位控制要求,預(yù)測該區(qū)地下水可采資源量,在相對富水區(qū)域圈定地下水應(yīng)急水源地,并評價(jià)水源地的應(yīng)急開采量。結(jié)果表明,福清平原地下水可采資源量為1 189.35×104m3/a,并圈定出洋梓村謝厝山山前水源地和龍山街道塘頭村北側(cè)水源地2處地下水應(yīng)急水源地,2處應(yīng)急水源地應(yīng)急可開采資源量為246.375×104m3/a,為福清平原地下水應(yīng)急水源地建設(shè)提供參考。

三維數(shù)值模擬;可采資源量;應(yīng)急開采量;地下水;福清平原

城市地下水應(yīng)急水源是在水源水質(zhì)發(fā)生大面積污染、連續(xù)干旱等情況下保障社會(huì)穩(wěn)定、提高城市供水安全的地下水水源[1-3]。長期以來,福清市完全依賴地表水供給,而地表供水系統(tǒng)一旦遭遇突發(fā)性水污染、特大干旱等事件,極易癱瘓,安全供水將難以保障。作為區(qū)域水資源的重要組成部分,地下水具有水質(zhì)良好、不易污染和空間分布廣等優(yōu)點(diǎn)[2]。開展地下水應(yīng)急水源地調(diào)查,建立地下水應(yīng)急供水機(jī)制,可發(fā)揮地下水優(yōu)勢,從區(qū)域水資源自給自足入手[3],保障城鎮(zhèn)居民的飲用水安全。

本文在概化福清平原地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型的基礎(chǔ)上,首次建立了福清平原地下水資源評價(jià)三維數(shù)值模型,利用識別驗(yàn)證后的模型對福清平原地下水可采資源量進(jìn)行評價(jià)。在研究區(qū)內(nèi)相對富水區(qū)圈定2處地下水應(yīng)急水源地并評價(jià)其可采資源量,為該區(qū)地下水應(yīng)急水源地建設(shè)提供依據(jù)。

1 水文地質(zhì)概況

1.1 地下水類型

研究區(qū)地下水主要有松散巖類孔隙水、風(fēng)化網(wǎng)狀孔隙裂隙水和基巖裂隙水。

松散巖類孔隙水賦存于第四系沖積層、沖洪積層、風(fēng)積層及海積層的淤泥質(zhì)砂、粉砂、泥質(zhì)砂礫卵石層中,含水層厚度為3～6 m,水量貧乏,局部地段水量中等,單孔涌水量一般<100 m3/d。

風(fēng)化網(wǎng)狀孔隙裂隙水主要賦存于花崗巖及火山巖的強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化及微風(fēng)化帶的孔隙裂隙中,含水層最大厚度>30 m,水量貧乏,單孔涌水量一般<10 m3/d。

基巖裂隙水主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙中,水量貧乏且極不均一,泉流量為0.01～0.23 L/s。

1.2 地下水補(bǔ)、徑、排條件

研究區(qū)多屬低山丘陵地貌,不同地區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件不同。

基巖區(qū)大氣降水是地下水唯一補(bǔ)給源,但巖石致密堅(jiān)硬、透水率極低,雨水大多從坡面流失,具有就地補(bǔ)給、就地排泄的特點(diǎn)。

半島和島嶼區(qū)大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源,但匯水條件較山區(qū)差,雨后大部分降水直泄入海,小部分降水向下滲流,賦存于基巖風(fēng)化帶和斷裂破碎帶中。

沖洪積平原主要分布在山前盆地,同時(shí)接受大氣降水和基巖裂隙水補(bǔ)給,地下水流線從盆地兩側(cè)指向地表溪流,最后排泄入海。在海積平原區(qū),地下水大多賦存于淤泥質(zhì)土或粘性土之下,其在山前地帶接受大氣降水或少量基巖裂隙水補(bǔ)給,進(jìn)入相對較深的承壓含水層。含水層粘粒含量高,徑流速度慢,排泄方式以人工開采為主,部分排向地表河流或直接排向大海。

圖1 福清平原地下水模擬計(jì)算范圍示意圖Fig. 1 Schematic map showing simulation calculation range of groundwater in the Fuqing Plain

2 地下水流數(shù)值模型

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)平面面積約930 km2,模擬計(jì)算范圍見圖1。研究區(qū)共分3層,由上向下將研究區(qū)潛水含水層至承壓含水層作為統(tǒng)一的水文地質(zhì)系統(tǒng)。計(jì)算的目的層為潛水含水層及承壓含水層,含水層之間的弱透水層按獨(dú)立的層位參與計(jì)算[4],各層均概化為非均質(zhì)各向異性。系統(tǒng)四周概化為流量邊界,頂部一方面接受大氣降雨補(bǔ)給,是補(bǔ)給邊界,另一方面地下水又通過其蒸發(fā),是排泄邊界;底部為基巖,是隔水邊界,各含水層之間的垂向水力聯(lián)系極復(fù)雜,地下水位受地下水開采影響,地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定流[5]。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型,建立與之相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[6-7]。

(1)

H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0),(x,y,z)∈Ω

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=z(x,y,z)∈Γ3

(4)

(5)

式中Ss為貯水率，1/m;kxx、kyy、kzz為含水層各向同性主方向的滲透系數(shù),m/d;H為點(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的水頭值,m;W為源匯項(xiàng),d-1;t為時(shí)間,d;Ω為計(jì)算區(qū);H0(x,y,z,t0)為點(diǎn)(x,y,z)處的初始水位，m;q(x,y,z,t)為第二類邊界單位面積補(bǔ)給量,m/d;cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z)為流量邊界外法線方向與坐標(biāo)軸方向夾角的余弦;μ為飽和差(自由面上升)或給水度(自由面下降),表示在自由面改變單位高度,含水層單位截面積吸收或排除的水量;qw為自由面單位面積上綜合入滲補(bǔ)給量(即大氣降水入滲補(bǔ)給量與地下水蒸發(fā)量之和),m/d;Γ2、Γ3為第二類邊界和自由面邊界。

2.3 模型的識別與驗(yàn)證

圖2 研究區(qū)平面剖分網(wǎng)格圖(a)、橫向剖面第118行剖分網(wǎng)格圖(b)和縱向剖面第62列剖分網(wǎng)格圖(c)Fig. 2 Plane gridded map of the study area (a), partial gridded diagrams of the 118th transverse section (b) and the 62th longitude section (c)

上述模型采用有限差分法對地下水流進(jìn)行數(shù)值模擬,含水層采用不等距正交的長方體剖分網(wǎng)格,并采用強(qiáng)隱式法聯(lián)立迭代求解代數(shù)方程組,將研究區(qū)在平面上剖分為200×400的矩形網(wǎng)格單元,垂向上由上向下分為3層,每層有效計(jì)算單元為46 130個(gè),共計(jì)138 390個(gè)有效計(jì)算單元,其平面和垂向剖分網(wǎng)格見圖2。選取2013年12月30日至2014年6月30日作為模型識別時(shí)段,2014年6月30日至2014年12月30日作為模型驗(yàn)證時(shí)段,以1個(gè)月作為1個(gè)應(yīng)力期,將整個(gè)時(shí)間離散成12個(gè)應(yīng)力期,每個(gè)應(yīng)力期分為10個(gè)計(jì)算時(shí)間步長。含水層均有一定數(shù)量的觀測井用于水位擬合,其中潛水含水層共有6個(gè)觀測井,承壓含水層共有8個(gè)觀測井,基本控制研究區(qū)地下水流場。以2013年12月30日作為模型計(jì)算初始時(shí)刻,各含水層初始流場均由實(shí)測獲得,粘性土弱含水層的初始流場由上下含水層插值獲得[8],承壓含水層初始流場見圖3。按現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合前人資料給出各含水層參數(shù)分區(qū)的參數(shù)初值。

圖3 承壓含水層地下水實(shí)際流場圖(2013年12月30日)Fig. 3 Groundwater flow field map of confined aquifer (Dec 30, 2013)

以2014年5月30日為例,各觀測井水位擬合誤差均控制在1 m以下,各觀測井水位計(jì)算值和實(shí)測值(表1)所確定的點(diǎn)基本落在由水位計(jì)算值和實(shí)測值確定的直角坐標(biāo)系45°角線上(圖4)。

經(jīng)識別、驗(yàn)證,潛水含水層共分17個(gè)參數(shù)分區(qū),水平滲透系數(shù)為0.01～1.45 m/d,垂向滲透系數(shù)為0.001～0.145 m/d,給水度為0.000 18～0.005。承壓含水層共分19個(gè)參數(shù)分區(qū),水平滲透系數(shù)為0.003～1.92 m/d,垂向滲透系數(shù)為0.002～0.192 m/d,貯水率為0.000 006～0.000 5。各含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)見圖5和圖6,各分區(qū)參數(shù)值見表2和表3。

表1 地下水水位觀測值與實(shí)測值對比

圖4 地下水水位計(jì)算值與實(shí)測值對比圖Fig. 4 Comparison of the observed and measured values of groundwater levels

圖5 潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)Fig. 5 Hydrogeological parameter zoning of phreatic aquifer

圖6 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)Fig. 6 Hydrogeological parameter zoning of confined aquifer

3 地下水可采資源量預(yù)測

以2013年12月底作為本次模擬計(jì)算的初始時(shí)刻,以連續(xù)開采10年后地下水潛水位不低于潛水含水層厚度的一半、承壓含水層的水位不低于其頂板標(biāo)高作為水位約束條件,利用上述識別、驗(yàn)證后的數(shù)值模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬計(jì)算,評價(jià)福清平原地下水可采資源量。

通過模型模擬計(jì)算,該區(qū)地下水可采資源量為1 189.35×104m3/a,各鎮(zhèn)地下水可采資源量見表4,10年后承壓含水層地下水流場見圖7。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果及識別驗(yàn)證后的參數(shù)可知,福清平原相對富水區(qū)域主要集中在山前沖洪積平原中含水層較厚、滲透系數(shù)較大的地段。

表2 潛水含水層水文地質(zhì)參數(shù)

4 地下水應(yīng)急水源地可采資源量

在評價(jià)出該區(qū)地下水可采量的基礎(chǔ)上,結(jié)合水質(zhì)、賦水條件以及是否造成地面沉降等環(huán)境因素[9-10],在福清平原相對富水區(qū)域圈定出洋梓村謝厝山山前水源地和龍山街道塘頭村北側(cè)水源地2處地下水應(yīng)急水源地,其基本特征見表5,應(yīng)急水源地位置如圖8所示。

表3 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)

表4 研究區(qū)各鎮(zhèn)地下水可開采資源量統(tǒng)計(jì)(×104m3/a)

Table 1 Statistics of exploitable groundwater resources of different towns in the study area (×104 m3/a)

鄉(xiāng)鎮(zhèn)鏡洋福清市區(qū)海口龍?zhí)锝R上逕漁溪港頭城頭新厝可采量108952938293071478222082949065701095031022372總計(jì)118935

圖7 10年后承壓含水層地下水流場圖Fig. 7 Groundwater flow field map of confined aquifer after 10 years

圖8 相對富水區(qū)地下水應(yīng)急水源地位置Fig. 8 Locations of groundwater emergency source fields in relative water-rich areas

利用福清平原地下水流數(shù)值模型,以2013年12月底作為模擬計(jì)算初始時(shí)刻,以應(yīng)急開采180天后承壓含水層水位不低于其頂板標(biāo)高作為水位約束條件,以每個(gè)應(yīng)急水源地布置10口開采井為應(yīng)急開采方案,評價(jià)圈定出2處地下水應(yīng)急水源地可采資源量。結(jié)果表明2處地下水應(yīng)急水源地可采資源量為246.375×104m3/a。洋梓村謝厝山山前水源地地下水可采資源量為144.175×104m3/a,水源地水位最大降深為16.28 m,地下水可開采模數(shù)為173.7×104m3/a·km2,可建一小型水源地,按照應(yīng)急供水居民人均用水定額(90 L/d),該水源地可滿足附近4.39萬居民生活供水。龍山街道塘頭村北側(cè)水源地地下水可采資源量102.2×104m3/a,水源地水位最大降深為13.1 m,地下水可開采模數(shù)340.6×104m3/a·km2,可建一小型水源地,按照應(yīng)急供水居民人均用水定額(90 L/d),該水源地可滿足附近3.11萬居民的生活供水。180天后應(yīng)急水源地附近承壓含水層地下水流場如圖9所示。

表5 相對富水區(qū)地下水應(yīng)急水源地基本特征

Table 5 Basic characteristics of groundwater emergency source fields in relative water-rich areas

應(yīng)急水源地名稱位置面積/km2地下水類型選取因素水質(zhì)賦水條件開發(fā)利用現(xiàn)狀生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境及時(shí)性洋梓村謝厝山水源地福清市石竹街道謝厝山083龍山街道塘頭村水源地福清市龍山街道塘頭村03基巖裂隙水滿足《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)含水層厚，充足的補(bǔ)給源未開采附近無污染源，不易引起地質(zhì)災(zāi)害靠近城鎮(zhèn)，取水條件較好，可滿足短時(shí)間大量供水

圖9 180天后應(yīng)急水源地附近承壓含水層地下水流場Fig. 9 Groundwater flow field map of confined aquifer near the emergency water source fields 180 days later

5 結(jié) 論

(1)在以連續(xù)開采10年后地下水潛水位不低于潛水含水層厚度的一半、承壓含水層的水位不低于其頂板標(biāo)高為約束條件下,福清平原年地下水總可采資源量達(dá)1 189.35×104m3/a。福清平原相對富水區(qū)域主要集中在山前沖洪積平原含水層較厚、滲透系數(shù)較大的地段。

(2)在福清平原相對富水區(qū)域,分別圈定出洋梓村謝厝山山前水源地和龍山街道塘頭村北側(cè)水源

地2處地下水應(yīng)急水源地,規(guī)模均為小型。以應(yīng)急開采180天后承壓含水層水位不低于其頂板標(biāo)高為水位約束的條件下,以每個(gè)應(yīng)急水源地布置10口開采井為開采方案,該2處地下水應(yīng)急水源地總可采資源量為246.375×104m3/a,可供周圍7.5萬居民應(yīng)急用水。

[1] 李康,高涵.曲靖市地下水特征及應(yīng)急水源地優(yōu)選[J].勘察科學(xué)技術(shù),2008(5):50-54.

[2] 王貴玲,陳德華,藺文靜,等.中國北方地區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用與保護(hù)[J].中國沙漠,2007,27(4): 684-689.

[3] 藺文靜,王文中,陳德華,等.北方城市地下水應(yīng)急供水水源地評價(jià)指標(biāo)體系研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(3):83-87.

[4] 駱祖江,武永霞.鹽城市地下水資源規(guī)劃評價(jià)數(shù)值模型[J].水資源保護(hù),2005,21(5):37-41.

[5] 馬青山, 駱祖江. 滄州市地下水允許開采量研究[J]. 工程勘察, 2015, 43(4):49-55.

[6] Mcdonald M G, Harbaugh A W. A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model [M].Washington: United States Government Printing Office, 1988.

[7] 陳崇希,唐仲華.地下水流動(dòng)問題數(shù)值方法[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1990.

[8] 駱祖江,張英英,施春華.南通市第四紀(jì)松散沉積層地下水資源評價(jià)規(guī)劃三維數(shù)值模型[J].水資源保護(hù),2009,25(5):19-23.

[9] 黎偉,陳遠(yuǎn)法,沈慧珍,等.浙江溫黃平原地下水控采后地面沉降效應(yīng)分析[J].資源調(diào)查與環(huán)境,2015,36(4):306-310.

[10] 薛禹群,張?jiān)?長江三角洲南部地面沉降與地裂縫[J].華東地質(zhì),2016,37(1):1-9.

RecoverableresourcesandemergencyrecoveryevaluationsofgroundwaterintheFuqingPlain,FujianProvince

PENG Wen1, CHEN Si-jia2, ZHOU Shi-ling1

(1.XiamenInstituteofGeologicalInvestigation,Xiamen361000,China; 2.SchoolofEarthSciencesandEngineering,HehaiUniversity,Nanjing211100,China)

Based on the hydrogeological mechanisms and conceptual model of groundwater system in the Fuqing Plain, a three-dimensional numerical model for recoverable resource evaluation of groundwater source was established for the first time. According to the requirements of water level control for groundwater aquifer, this study presents prediction for the recoverable resources of groundwater in this area. Source areas of emergency groundwater have also been defined in relatively water-enriched areas and the amount of emergency recoverable water was estimated. The results show that the recoverable resources of underground water in the Fuqing plain are 1 189.35×104m3/a. Two emergency underground resources, which were also defined at Xieyanshan in Yangzi and Tangtoucun in Longshan, have a total recoverable resource of groundwater of 246.375×104m3/a, providing some references for construction of groundwater emergency water sources in the Fuqing Plain.

three-dimensional numerical simulation; recoverable resources; emergency recovery; groundwater; Fuqing Plain

10.16788/j.hddz.32-1865/P.2017.04.010

2016-12-16

2017-04-17責(zé)任編輯譚桂麗

部省合作項(xiàng)目“海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)地下水資源潛力評價(jià)及應(yīng)急水源地調(diào)查(編號:1212011220011)”資助。

彭文,1967年生,男,高級工程師,主要從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)研究。

陳思佳,1992年生,女,碩士研究生,主要從事水文地質(zhì)研究。

P641

A

2096-1871(2017)04-314-07