姜堰區(qū)淺層地下水資源開發(fā)利用管理

趙敏　陳婧　周華　衣鵬

摘要：由于姜堰區(qū)淺層地下水開發(fā)利用缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃，并且隨著開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，可能會出現(xiàn)局部采補失衡的情況，研究姜堰區(qū)淺層地下水開發(fā)利用管理十分有必要。基于姜堰區(qū)水文地質(zhì)條件和抽水試驗所得參數(shù)，利用Visual MODFLOW軟件建立姜堰區(qū)水文地質(zhì)數(shù)學模型，并通過不斷調(diào)試參數(shù)使模擬水位和實測水位擬合情況較好，證明建立模型合理有效，能真實地反映當?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，可用于姜堰區(qū)淺層地下水水位預測。以水位為控制目標，預測未來2030年姜堰區(qū)淺層地下水可開采量。結(jié)果表明，現(xiàn)狀開采條件不變情況下，2030年姜堰區(qū)淺層地下水可開采量為467.04萬m3/年;并與現(xiàn)狀實際開采情況進行對比，分析研究區(qū)淺層地下水開發(fā)利用潛力為76.41，遠遠大于1.2。表明現(xiàn)狀開采條件情況下，研究區(qū)淺層地下水仍具有一定的開采空間。因此，應嚴格按照淺層地下水剩余資源量分區(qū)圖對研究區(qū)淺層地下水開發(fā)利用進行指導，針對有開采潛力區(qū)進行科學合理布井。

關鍵詞：Visual MODFLOW;淺層地下水;可開采量;開發(fā)利用潛力;剩余資源量;姜堰區(qū)

中圖分類號：P641.8 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）05-0044-05

Abstract： Since the lack of unified planning， continuous expanding development and utilization of shallow groundwater might resulted partial imbalance in Jiangyan district. Based on the hydrogeological conditions and the parameters from pumping tests， a mathematical model of hydrogeologic in Jiangyan district was established by using Visual MODFLOW software. After continous adjustion of the parameters， the model was proved to be reasonable and effective for its good fitness on water level simulating. It can truly reflect the local hydrogeological conditions， and could be used to predict the shallow the groundwater level in Jiangyan district， and further predict the exploitable amount in future 10 years with the water level as control index. The results showed that the exploitable amount of shallow groundwater in Jiangyan district is 4.670 4 million m3/a till 2030 if current exploitation conditions unchanged. Compared with the actual exploitation situation， the exploitation and utilization potential of shallow groundwater in the study area is 76.41， which was far greater than 1.2. It indicated that under the current mining conditions， the shallow groundwater in the study area still has a certain mining space. Therefore， it is necessary to guide the development and utilization on the shallow groundwater in the study area in strict accordance with the distribution map of the remained shallow groundwater， and arrange the wells scientifically and reasonably at the potential areas.

Key words： Visual MODFLOW; shallow groundwater; exploible ammount; development and utilization potential; surplus resources; Jiangyan district

淺層地下水資源是維持生態(tài)環(huán)境的重要因子，在經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展中起著至關重要的作用[1]。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局在全國范圍內(nèi)的調(diào)查結(jié)果顯示，由于不合理的地下水開采和城市化進程的加快，地下水開采地段有不同程度的污染趨勢[2]，城市也不同程度出現(xiàn)地面沉降和地裂縫災害等地質(zhì)危害情況。因此，加強地下水資源管理和保護已經(jīng)成為中國經(jīng)濟社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題[3]。

地下水可開采量是地下水資源開發(fā)利用管理的重要內(nèi)容之一[4]，目前地下水可開采量評價主要是通過建立地下水數(shù)值模型來實現(xiàn)，其中運用較為廣泛的為Visual MODFLOW，比如，Lautz等[5]利用三維模型MODFLOW和MT3D模擬了地表水和地下水的匯流過程。Narula等[6]將SWAT、MODFLOW和MT3DMS軟件集成研究喜馬拉雅流域的地下水演變規(guī)律和硝酸鹽運輸。束龍倉等[7]采用Visual MODFLOW對河北省承德市水源地內(nèi)的開采井進行水均衡預測分析，設計出最佳開采方案。高慧琴等[8]將MODFLOW與FEFLOW的應用領域和原理進行對比分析，提出未來發(fā)展趨勢。

目前針對姜堰區(qū)地下水資源的研究多集中于承壓水[9]，潛水含水層地下水研究甚少，本研究在采用Visual MODFLOW對姜堰區(qū)承壓含水層可開采量進行評價的基礎上，運用系數(shù)法計算潛水含水層可開采量，從而掌握姜堰區(qū)淺層地下水可開采量，為姜堰區(qū)淺層地下水資源合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

1 ?研究區(qū)概況

姜堰區(qū)位于江蘇省泰州市東部，東鄰海安縣，西靠海陵區(qū)，南接泰興市，北依興化市。本次模擬區(qū)域為姜堰區(qū)全區(qū)，研究區(qū)面積為927.52 km2。姜堰區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，年平均降雨量為1 043.84 mm，年平均蒸發(fā)量為848.53 mm。姜堰區(qū)內(nèi)主要骨干河道有新、老通揚運河，中干河，姜溱河，東、西姜黃河等;湖泊集中分布于區(qū)內(nèi)西北，面積較大的有溱湖。

按形態(tài)特征、沉積環(huán)境的不同，研究區(qū)可劃分兩大地貌單元，大致以新通揚運河為界，北部為里下河低洼湖沼平原，區(qū)內(nèi)地勢由東往西傾斜，洪林以東地面標高一般在3.0～5.0 m，以西標高一般在1.4～2.5 m，地表巖性以亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土為主;南部為長江三角洲沖積平原，地面標高一般為4.5～6.0 m，最高9 m，地表巖性以亞黏土、粉土為主。

姜堰區(qū)分布最廣泛、水量最豐富的地下水類型為松散巖類孔隙水，根據(jù)含水砂層的形成時代、沉積環(huán)境、埋藏條件、水力特征等，松散巖類孔隙水可劃分為潛水含水層、第Ⅰ～Ⅳ承壓含水層[10]。根據(jù)淺層地下水定義，本研究對象主要為潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層。潛水含水層主要補給方式為大氣降水;排泄方式以蒸發(fā)排泄為主。

2 ?淺層地下水資源開發(fā)利用管理

2.1 ?淺層地下水可開采量評價

2.1.2 ?基于Visual MODFLOW的第Ⅰ承壓含水層可開采量評價

1）水文地質(zhì)條件概化。為更準確地模擬研究區(qū)地下水流情況，將研究區(qū)第Ⅰ、Ⅱ承壓含水層作為一個統(tǒng)一的水文地質(zhì)系統(tǒng)，平面面積約1 033.7 km2，計算時將含水層間弱含水層也作為獨立的層位，各含水層均概化為非均質(zhì)各向異性，地下水流概化為三維非穩(wěn)定流，各含水層及含水層間的黏性土弱含水層的側(cè)向邊界均按常水頭邊界處理，系統(tǒng)的頂、底部均為隔水邊界[11]。

2）數(shù)學模型的建立。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應的數(shù)學模型[12]：

式中，kxx、kyy、kzz分別為滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量，假定滲透系數(shù)的主軸方向與坐標軸的方向一致，量綱為m/d;μs為儲水率（1/m）;h為點（x，y，z）在t時刻的水頭值（m）;W為源匯項（1/d）;h0為計算域初始水頭值（m）;h1為第一類邊界的水頭值（m）;t為時間（d）;q（x，y，z，t）為第二類邊界上單位面積的側(cè)向補給量;？贅為計算域;？祝1、？祝2分別為第一類邊界、第二類邊界。

采用Visual MODFLOW4.6對模型進行求解，將研究區(qū)在平面上剖分成50×44的矩形網(wǎng)格單元，在垂向上將其剖分成潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ兩個承壓含水層和兩個黏性土弱含水層共五層，每層的有效計算單元為1 076個?；究刂迫珔^(qū)觀測井共7個（圖1），其中第Ⅰ承壓含水層觀測井3個（1-1，1-2，1-3），第Ⅱ承壓含水層觀測井4個（2-1，2-2，2-3，2-4）。

3）模型的識別與驗證。采用試估-校正法對建立的數(shù)學模型進行識別，選取2016年1月1日至2016年6月30日作為模型識別的時段，2016年7月1日至2016年12月31日作為模型的驗證時段，各含水層的初始水位是由高程與實測水位埋深數(shù)據(jù)之差得出，第Ⅰ弱承壓和第Ⅱ弱承壓含水層初始流場是根據(jù)上下含水層插值得出[13]。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各含水層地下水的開采量由實際調(diào)查獲得，各含水層通用邊界上的水頭值由實測值經(jīng)過插值給出，邊界上的水力傳導系數(shù)及各含水層參數(shù)分區(qū)的參數(shù)初值均按前人資料結(jié)合現(xiàn)場試驗和室內(nèi)實驗給出。

在研究區(qū)選取4個觀測井（圖1中1-1，1-3，2-1，2-3），觀測井識別和驗證階段含水層觀測井擬合結(jié)果分別見圖2和圖3。觀測井模擬水位和實測水位擬合情況較好，說明建立的數(shù)學模型、邊界條件的概化以及水文地質(zhì)參數(shù)的選取是合理可靠的，所建立的模型能真實地反映當?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件，可用于研究區(qū)淺層地下水模擬預測。

圖4為研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖，表1是經(jīng)過識別后的潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果。

4）模型的應用。根據(jù)1980—2016年降雨資料，保持2017年的開采布局及開采量不變，以2018年1月1日作為預測的初始時刻，提出至2030年第Ⅰ承壓含水層水位埋深控制在20 m，第Ⅱ承壓含水層水位埋深控制在30 m。預測結(jié)果見表2，研究區(qū)第Ⅰ承壓含水層可開采量為467.04萬m3/年，最大可開采量位于張甸鎮(zhèn)，主要是由于區(qū)域淺層地下水保護狀況較好。

2.1.3 ?評價結(jié)果 ?根據(jù)淺層地下水定義，研究區(qū)淺層地下水開采量為潛水含水層可開采量和第Ⅰ承壓含水層可開采量之和，計算結(jié)果見表2。結(jié)果表明，研究區(qū)淺層地下水可開采量為11 779.26萬m3/年，潛水含水層可開采量占主要比例，第Ⅰ承壓含水層可開采量較小。其中梁徐鎮(zhèn)淺層地下水可開采量最大，為1 209.40萬m3/年;羅塘街道淺層地下水可開采量最小，為315.61萬m3/年。

2.2 ?淺層地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀評價

據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)企事業(yè)單位淺層地下水開采量為5.77萬m3/年，農(nóng)村居民零星淺層地下水開采量為148.3萬m3/年。經(jīng)計算，研究區(qū)淺層地下水現(xiàn)狀開采量為154.15萬m3/年。從表3可以看出，研究區(qū)企事業(yè)單位淺層地下水開采量較小，且多集中在興泰鎮(zhèn)和俞垛鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn);農(nóng)村居民零星用水為研究區(qū)主要淺層地下水開采方式，主要集中在羅塘街道、三水街道及張甸鎮(zhèn)等區(qū)域，與用水人口集中有關。

2.3 ?淺層地下水開發(fā)利用潛力分析

淺層地下水開發(fā)利用潛力主要根據(jù)淺層地下水剩余水資源量和開發(fā)利用潛力指數(shù)判定[14]，淺層地下水剩余資源量是指淺層地下水可開采量與現(xiàn)狀開采量之差;開發(fā)利用潛力指數(shù)P是指可開采量與現(xiàn)狀開采量之比[15]。當P>1.2時，區(qū)域淺層地下水具有開采潛力;當0.8≤P≤1.2時，區(qū)域淺層地下水采補基本平衡，需控制開采。

研究區(qū)淺層地下水開發(fā)利用潛力計算結(jié)果見表4。由表4可以看出，研究區(qū)各行政區(qū)劃淺層地下水開發(fā)利用潛力均大于1.2，具有較大的開發(fā)利用潛力，說明具有一定的開采空間。

2.4 ?淺層地下水開發(fā)利用管理

根據(jù)開發(fā)利用潛力計算結(jié)果，研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道淺層地下水均具有一定的開采空間，應根據(jù)實際水文地質(zhì)條件、水質(zhì)、供水總體規(guī)劃和經(jīng)濟社會發(fā)展對淺層地下水資源的需求，主要針對有開采潛力區(qū)進行科學合理布井。為更清晰地看出各行政分區(qū)的淺層地下水剩余資源量情況，將其在圖上呈梯度分布示意（圖5）。

3 ?結(jié)論

1）采用系數(shù)法和數(shù)值法分別計算了姜堰區(qū)潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層可開采量，彌補了對姜堰區(qū)淺層地下水資源研究缺失的不足，為水行政主管部門的正確決策提供可靠的科學依據(jù)。

2）通過對居民零星用水調(diào)查評價，克服了以往只考慮企事業(yè)單位用水不能準確反映區(qū)域淺層地下水開采量的不足，提高了淺層地下水資源調(diào)查評價的精度。

3）評價結(jié)果表明，姜堰區(qū)淺層地下水剩余資源量為11 625.11萬m3/年，開發(fā)利用潛力超過限值1.2，具有較大的開發(fā)利用潛力，區(qū)域淺層地下水具有一定的開采空間。

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