數(shù)值模擬法在南寨水庫漏斗區(qū)治理中的應(yīng)用

孫 晨，陸海玉，刁經(jīng)緯

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250014）

昌樂縣隸屬山東省濰坊市，位于山東半島中部，為增加城區(qū)供水規(guī)模，進(jìn)行南寨水庫擴(kuò)建工程。南寨水庫擴(kuò)建后，作為城區(qū)供水水源，替代開采的地下水供水規(guī)模為1.77萬m3/d。

本項目調(diào)查評價范圍為包含地下水漏斗區(qū)在內(nèi)的水文地質(zhì)單元，昌樂縣地下水漏斗區(qū)主要位于朱劉鎮(zhèn)工礦區(qū)附近。綜上，確定本次地下水環(huán)境影響評價調(diào)查與評價范圍為西至大丹河，北至G20國道，南至李家老莊村、姜家洼子村、團(tuán)埠坡村、臥虎山、田家泉子村、下莊村、山塘村、孤山、大山、北樂埠村一帶山體分水嶺，調(diào)查評價面積約174 km2。

根據(jù)昌樂縣水文地質(zhì)勘查報告，昌樂縣水文地質(zhì)條件復(fù)雜。結(jié)合地形地貌宜分為4個水文地質(zhì)區(qū)：北部山前平原區(qū)、山前平原隱伏區(qū)、低山（高丘）區(qū)、東部丘陵河谷平原區(qū)。根據(jù)評價區(qū)多年地下水監(jiān)測資料，選取了30座觀測井進(jìn)行了地下水位觀測統(tǒng)計。評價區(qū)范圍內(nèi)，現(xiàn)狀地下水埋深1～88.5 m，地下水位-37.28～157.128 m，地下水總體由南向北流。朱劉店煤礦附近由于朱劉鎮(zhèn)超量開采地下水，有個較明顯的漏斗區(qū)。

1 模型的建立

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，合理地概化水文地質(zhì)概念模型，并選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型刻畫實際的地下水流系統(tǒng)，借助基于有限差分方法的Visual MODFLOW軟件求解數(shù)學(xué)模型，利用模型預(yù)測工程運(yùn)行后地下水流場的變化。

根據(jù)模擬區(qū)含水層結(jié)構(gòu)特征及研究目的，本次模擬研究上部的潛水含水層及微承壓含水層，因為淺層地下水和深層地下水水力聯(lián)系密切，之間的玄武巖也有一定的富水性，所以統(tǒng)一概化為一層含水層。

根據(jù)模擬區(qū)水文地質(zhì)條件，將水文地質(zhì)概念模型概化為空間非均質(zhì)、各向同性的潛水二維非穩(wěn)定流，其數(shù)學(xué)模型描述如下：

式中：D為滲流區(qū)域；為含水層滲透系數(shù)，m/d；B為潛水含水層底板標(biāo)高，m；W為單位體積流進(jìn)或流出的水量，m/d；μ為含水介質(zhì)的給水度，無量綱；t為時間，d；Γ1為一類水頭邊界；Γ2為二類流量邊界；H0為含水層的初始水位分布，m；H（x，y）、q（x，y，t）為已知函數(shù)。

本次數(shù)值模擬采用Visual MODFLOW軟件，運(yùn)用有限差分法迭代求解。在平面上研究區(qū)被剖分成119行、122列，共計14 518個網(wǎng)格，在漏斗區(qū)進(jìn)行加密處理。

模擬區(qū)北部邊界大致沿著G20國道，將其概化為GHB流量邊界；東北部沒有明顯的邊界，也概化為GHB流量邊界。西側(cè)以大丹河及南郝水庫為界。研究區(qū)東側(cè)、西側(cè)及西南側(cè)沿線廣泛分布山丘，概化為隔水邊界。

2 模型的驗正

研究區(qū)內(nèi)共有4眼長期水位觀測井的地下水位動態(tài)資料，具體坐標(biāo)見表1。

表1 地下水水位觀測井坐標(biāo)

考慮計算區(qū)水文地質(zhì)條件、地形地貌以及水位埋深等情況，將計算區(qū)分為10個參數(shù)分區(qū)，并根據(jù)所掌握的抽水試驗資料及經(jīng)驗值給定參數(shù)的初值。

模型計算值與觀測值擬合如圖1、圖2所示。由圖1和圖2可知，地下水位計算曲線與實際觀測值曲線的變化趨勢一致。

圖1 觀測井63地下水位擬合結(jié)果

圖2 觀測井64地下水位擬合結(jié)果

綜上所述，根據(jù)地下水流數(shù)值模擬模型的擬合結(jié)果，可知含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件的概化和水文地質(zhì)參數(shù)的選取基本合理，所建立的地下水流數(shù)值模擬模型能夠較為真實的刻畫地下水系統(tǒng)特征，可以用于地下水水位的預(yù)測。

3 地下水影響預(yù)測

3.1 工程對漏斗區(qū)地下水位影響

根據(jù)第一次全國水利普查數(shù)據(jù)，朱劉街道地下水取水井226眼，2011年地下水取水量203.8萬m3，約0.56萬m3/d。2011年漏斗區(qū)水位下降比較平緩，整體下降3.6 m。而在模型校正期水位下降劇烈，1年就下降16 m，假設(shè)在校正期漏斗區(qū)開采量為4萬m3/d，模型可以得到較好擬合。到近年來由于最嚴(yán)格水資源管理制度要求，地下水超采區(qū)嚴(yán)禁新增開采地下水，南寨水庫擴(kuò)建后，作為城區(qū)供水水源，替代開采的地下水，所以預(yù)測時將開采量減少到0進(jìn)行預(yù)測。

模型運(yùn)行10年觀測井64的水位變化過程如圖3所示?？梢钥吹剑涸谀险畮旖ǔ珊?，通過減少漏斗區(qū)的地下水開采，使得漏斗中心的水位逐漸回升，10年內(nèi)由-35 m回升至-7 m，漏斗的治理效果比較明顯。

圖3 觀測井64預(yù)測10年水位變化圖

3.2 工程對水庫上下游地下水位影響

南寨水庫擴(kuò)容后，地下水補(bǔ)給條件變化，使用前述數(shù)值模型分析正常工況和事故工況兩種情景對水庫周圍地下水水位的影響。

擴(kuò)容后的南寨水庫在正常工況下年滲漏量為興利庫容的0.5%，南寨水庫興利庫容為820萬m3，水庫在興利庫容下的水面面積為0.958 km2折算為面狀補(bǔ)給為43 mm/a；事故工況下年滲漏量為65萬m3，折算為面狀補(bǔ)給為678 mm/a。預(yù)測時間為10年。從大壩下游壩腳算起，沿水流方向50 m、100 m、500 m、1 000 m、2 000 m分別設(shè)水位觀測井觀測水位變化。

從大壩下游壩腳算起，沿水流方向預(yù)測結(jié)果見表2。

表2 南寨水庫運(yùn)行10年地下水位變幅預(yù)測一覽表m

由表2可知，正常工況下，地下水位變幅較小，最大增加0.54 m。事故工況下地下水位最大上漲1.7 m，大壩下游現(xiàn)狀地下水位埋深8.5～13.9 m，不會產(chǎn)生壩后浸沒和土壤鹽漬化問題。

4 結(jié)語

通過對模擬區(qū)內(nèi)地下水流場模擬預(yù)測，可得到如下結(jié)論：

1）工程運(yùn)行后，評價區(qū)地下水水位在漏斗區(qū)上升較為明顯，說明南寨水庫擴(kuò)容工程有利于漏斗區(qū)地下水水位的恢復(fù)。

2）工程運(yùn)行主要對漏斗區(qū)地下水水位影響明顯，其他位置影響較小，本項目區(qū)未發(fā)現(xiàn)有因地下水水位雍高產(chǎn)生浸沒等水文地質(zhì)問題。

綜上所述，本建設(shè)項目的實施對當(dāng)?shù)芈┒穮^(qū)地下水水位的恢復(fù)效果明顯。