基于GMS的潮白河流域三河段地下水?dāng)?shù)值模擬

趙 飛,岳 慶,趙萌陽

(華北地質(zhì)勘查局 綜合普查大隊,河北 廊坊 065201)

三河市位于華北平原東北部,京津兩大城市之間。人均水資源占有量遠低于國際公認(rèn)的水資源極度緊缺標(biāo)準(zhǔn)(500 m3),為典型的資源性缺水地區(qū)。為確保區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,在地表水資源緊缺的情況下,靠大量、大范圍超采地下水,靠擠占農(nóng)業(yè)用水來發(fā)展工業(yè),造成了一系列的生態(tài)問題[1-2]。該地區(qū)經(jīng)過多年的地下水開采,已形成多處常年性的降落漏斗[3-4]。為了更好地對當(dāng)?shù)厮Y源進行合理的開發(fā)和利用,華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊于2016年收集了研究區(qū)內(nèi)15眼淺水井的水文地質(zhì)資料,采用Groundwater Modeling System軟件,建立了三河市潮白河流域三維地下水流場數(shù)值模擬模型[5-11],為了確保地下水資源的可持續(xù)利用,并且能夠最大程度地滿足三河市城市發(fā)展的需要,本研究進一步對水均衡進行分析,最終預(yù)測了2017年10月—2025年10月研究區(qū)地下水位動態(tài)變化情況。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于三河市以西,廊坊市“北三縣”西北角。東距三河市中心區(qū)25 km,西距天安門36.7 km,西北距首都機場25 km,西南距廊坊市中心區(qū)55 km,區(qū)內(nèi)交通便利。研究區(qū)位于燕山西段山麓丘陵與山前沖洪積平原的交接地帶[12]?？傮w地勢北高南低,平均海拔高程5.9~31.9 m(黃海標(biāo)準(zhǔn)),地面自然坡降1/1 500左右?？蓜澐謨蓚€地貌單元,分別為新構(gòu)造斷塊山地與丘陵和山前沖洪積平原。本區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬春受西北干冷氣流控制,多風(fēng)少雨雪,氣候干燥寒冷,夏季和初秋受東南暖溫氣流控制,炎熱多雨,形成降雨比較集中的季節(jié),一般集中在6月—9月,降雨量占85%以上。秋季涼爽短促,多年平均氣溫11.1 ℃,極端氣溫是-25~40.2 ℃。多年平均降水量617.4 mm,蒸發(fā)量1 681.9 mm,相對濕度平均為58%。區(qū)內(nèi)潮白河屬海河流域薊運河水系,貫穿北京市、天津市和河北省三省市。

1.2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于中朝準(zhǔn)地臺、華北斷拗、冀中臺陷的次級構(gòu)造單元大興斷凸[13]。研究區(qū)內(nèi)及周邊斷裂有通州南苑斷裂、禮賢斷裂、夏墊斷裂、大興斷裂[14]。通州南苑斷裂位于研究區(qū)以東,穿過香河縣雙營,整體走向北向東80°;禮賢斷裂位于中部,該斷裂北起高樓以北,往南經(jīng)燕郊、張家灣、李賢至固安附近,總體走向北東30°,李賢至固安一段走向變?yōu)?5°~40°,傾向南東,傾角50°,全長80多千米;夏墊斷裂位于研究區(qū)以東,該斷裂走向40°~50°,傾向SE,傾角為50°~70°,全長24 km,是大廠第四紀(jì)凹陷和通縣—大興凸起兩個新構(gòu)造單元的邊界斷裂[15-16];大興斷裂又稱固安斷裂,是大興凸起與廊坊—固安凹陷的分界線,全長80多千米,總體呈“S”形,南北段走向NNE,中間段走向NEE,傾向SE[17]。

1.3 含水層結(jié)構(gòu)

研究區(qū)內(nèi)地下主要含水層為第四系沖洪積砂層、砂卵礫石孔隙含水層;寒武奧陶系碳酸鹽巖地層巖溶含水層;中上元古界薊縣系、青白口系鈣鎂碳酸鹽巖地層巖溶裂隙含水層。全區(qū)除孤山地區(qū)為山地丘陵巖溶裂隙含水層,其余地區(qū)為大興凸起上覆沖洪積砂層及下伏基巖巖溶裂隙含水層。

區(qū)內(nèi)第四系地下含水層可細分為2層,100 m以內(nèi)的地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,100 m以下的地下水主要用于生活飲用及工業(yè)生產(chǎn)。本次工作將100 m以上的第四系地下水稱為淺層地下水,將100 m以下的第四系地下水稱為深層地下水。淺層地下水為潛水和淺層承壓水,其含水層以細砂為主,其次為中砂、粗砂,局部地區(qū)含礫石。含水層一般有5~8層,累計厚度30~50 m。深層地下水含水層主要由細砂、中砂和粉砂組成,中粗砂較少,含水層累計厚度在50 m左右,是區(qū)內(nèi)工業(yè)井和部分生活井的主要開采層[18]。

1.4 地下水的補、徑、排條件

研究區(qū)地下水補給方式主要有:(1)大氣降水入滲。作為區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源,大氣降水通過區(qū)內(nèi)松散沉積物的孔隙及山區(qū)巖石的裂隙、溶隙、溶洞等直接滲入地下。(2)地表水滲漏、農(nóng)田灌溉回歸水的滲入及山前地帶的山區(qū)基巖水側(cè)向徑流補給。其入滲條件和入滲量的大小與包氣帶巖性、地下水埋深、地形等因素關(guān)系密切,研究區(qū)包氣帶主要由粘性土及沿河道砂帶組成,水平徑流條件差,以垂直入滲為主。區(qū)內(nèi)大部地下水主要消耗于人工開采,僅南部地區(qū)存在測向徑流。

2 地下水?dāng)?shù)值模型建立

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件,并結(jié)合地下水觀測資料及地下水開采情況等,將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向同性的三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

本次計算的目的含水層包括淺層含水層、弱透水層和深層含水層。

淺層含水層,即潛水含水層,平均厚約60 m,由粘土、亞粘土、亞粘土夾砂土、細砂、中砂、粗砂等多種地層構(gòu)成,滲透性較弱(K=2~20 m/d);弱透水層,即越流層,平均厚約20 m,主要由粘土和亞粘土夾亞砂土構(gòu)成,滲透性差;深層含水層,即承壓含水層,平均厚約60 m,主要以中粗砂為主,含少量夾粘土、亞粘土層,滲透性較強(K=20~100 m/d)。

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 邊界條件

研究區(qū)周邊無自然地質(zhì)邊界,并非獨立的水文地質(zhì)單元,其地下水系統(tǒng)與周邊區(qū)域的地下水聯(lián)系密切。

淺層含水層頂部接受降雨入滲補給、灌溉入滲補給、河道滲漏補給和蒸發(fā)排泄,經(jīng)綜合分析后,上部邊界處理為入滲補給邊界。潮白河上游雖已斷流多年,但河道內(nèi)仍有少量積水及常年流水,部分點段與地下水水力聯(lián)系密切,概化為已知水頭的一類邊界。其余側(cè)向邊界多為流入或流出邊界,概化為已知流量的二類邊界或隔水邊界。淺層含水層底部為弱透水層,概化為越流邊界。區(qū)內(nèi)孤山有巖溶裂隙水,水位較高不斷補給第四系孔隙水,視為定流量邊界。

弱透水層上下為越流邊界,側(cè)向邊界概化為隔水邊界。

深層含水層頂部為弱透水層,即越流邊界,底部為隔水邊界,側(cè)向邊界概化為定流量邊界,邊界條件見圖1。

2.1.2 水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)

根據(jù)工作區(qū)的土地利用類型和灌溉區(qū)分布,將入滲補給劃分為4個區(qū),降雨入滲補給分區(qū)見圖2。

圖1 模型邊界條件

根據(jù)研究區(qū)抽水試驗成果、地層巖性和地形地貌等特征,將淺層含水層劃分為14分區(qū),弱透水層的滲透系數(shù)場分為6個分區(qū);由于深層含水層缺乏相關(guān)調(diào)查資料和觀測井?dāng)?shù)據(jù)等,為簡化模型突出對淺層含水層的工作,深層含水層的只劃分1個分區(qū),滲透系數(shù)分區(qū)見圖3。

2.2 地下水流數(shù)值模型

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

研究區(qū)根據(jù)所建立的水文地質(zhì)概念模型及地下水位動態(tài)情況等,將研究區(qū)概化為垂向運動較弱、水平方向占主導(dǎo)的三維非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.2.2 網(wǎng)格剖分

計算區(qū)面積105 km2,均勻剖分為3層100 m×100 m的有限差分網(wǎng)格,其中每層活動單元格10 618個,有效網(wǎng)格總數(shù)31 854個。調(diào)查區(qū)地下水系統(tǒng)有限差分網(wǎng)格剖分平面示意圖如圖4所示。

圖2 降雨入滲補給分區(qū)示意圖

圖3 滲透系數(shù)分區(qū)示意圖

圖4 調(diào)查區(qū)地下水系統(tǒng)有限差分網(wǎng)格剖分平面示意圖

2.2.3 模型識別與均衡計算

2.2.3.1 模型識別

本次模型采用2016年10月15個水位觀測井的水位觀測數(shù)據(jù),對模型進行識別。淺層含水層的識別主要采用GMS的PEST模塊進行,弱透水層和深層含水層的識別根據(jù)以往地質(zhì)、水文地質(zhì)資料及經(jīng)驗法進行。

研究區(qū)內(nèi)選取15個觀測孔進行識別,實測水位與計算值相當(dāng)且算數(shù)絕對值均小于1 m,觀測孔水位擬合見圖5,模型校正的精度符合工作要求。

2.2.3.2 均衡計算

將研究區(qū)作為一個均衡區(qū),地下水系統(tǒng)源匯項水量統(tǒng)計及均衡計算結(jié)果見表1。由表1可知,深層含水層的主要補給來源為越流補給,淺層含水層對深層含水層的越流補給量達56 867.30 m3/d,越流排泄也是淺層含水層的主要排泄途徑。

圖5 觀測孔水位擬合

表1 源匯項水量總表 m3/d

3 地下水水位發(fā)展趨勢預(yù)測

隨著研究區(qū)人口數(shù)量的繼續(xù)增長,其在生活用水和工農(nóng)業(yè)用水方面的需求也將持續(xù)增加。根據(jù)以往的生活用水及工農(nóng)業(yè)用水量資料,假設(shè)研究區(qū)未來每年地下水的需求量增加1%,降雨入滲量保持不變,以2016年10月地下水流數(shù)值模型為基準(zhǔn),構(gòu)建2016年10月—2025年10月的研究區(qū)非穩(wěn)定流模型。通過模擬預(yù)測可以得到2017年10月—2025年10月研究區(qū)內(nèi)地下水位降深情況,水位觀測點處水位降深模擬結(jié)果見圖6。研究區(qū)內(nèi)2017年10月、2019年10月、2021年10月、2023年10月、2025年10月地下水位動態(tài)變化情況見圖7。

圖6 水位降深模擬結(jié)果

圖7 研究區(qū)2017年10月—2025年10月水位動態(tài)變化預(yù)測示意圖

通過水位動態(tài)模擬結(jié)果可知,從2017年開始,隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水增加,地下水流場發(fā)生較明顯的變化,水位降深漏斗的位置也隨著地下水開采的變化而變化。深層地下水流場與淺層地下水流場的變化規(guī)律一致,在15個水位觀測點處年水位降深最小0.2 m,最大2.15 m,平均0.93 m。隨著每年增幅為1%的地下水開采情況下,地下水位普遍下降,并會新增或加劇原有的地下水降落漏斗。其中,淺層含水層中部地下水降落漏斗會逐步向四周擴大,漏斗中心水位降深將達到12.92 m,東南部水位降深最小值為2.13 m。深層含水層水位降深平均為11.86 m,在研究區(qū)中部同樣產(chǎn)生降落漏斗,中心水位降深將達到12.72 m。

研究區(qū)降落漏斗位于燕郊高新區(qū)中心城區(qū),若每年地下水開采量的增幅大于1%,則每年地下水水位下降的速度將會更快。地下水位持續(xù)下降將引起地面沉降、水質(zhì)惡化和水資源枯竭等多種問題。

4 結(jié)論

本研究運用GMS軟件建立了潮白河流域三河段地下水?dāng)?shù)值模型,經(jīng)過識別與驗證,模型的可信度較高,并計算出淺層含水層總補給量為68 928.82 m3/d,總排泄量為68 928.87 m3/d,均衡差為0.045 3 m3/d;深層含水層總補給量為65 469.64 m3/d,總排泄量為65 469.91 m3/d,均衡差為0.266 0 m3/d;最后通過模型預(yù)測出每年地下水開采量的增幅為1%時,2016年10月—2025年10月地下水位普遍下降,并會新增或加劇原有的地下水降落漏斗。淺層含水層降落漏斗會逐步向四周擴大,漏斗中心水位降深將達到12.92 m。深層將新增含水層產(chǎn)生降落漏斗,中心水位降深將達到12.72 m。

由于研究區(qū)面積較大,本次模型的建立與預(yù)測過程中缺乏長期的水位觀測資料,建議合理開采地下水,嚴(yán)格控制地下水的開采量,并適當(dāng)增加地下水位監(jiān)測點。