基于區(qū)域模型的黃土丘陵溝壑區(qū)非完整巖溶水系統(tǒng)地下水資源評(píng)價(jià)

1建立橋橋巖溶地下水流場(chǎng)及動(dòng)態(tài)模型京昌巖是陜北能源化工基地最重要的水源之一。20世紀(jì)80年代以來(lái),地質(zhì)、煤炭、水電等部門在該地區(qū)進(jìn)行了大量的地質(zhì)、水文地質(zhì)工作,提交了相應(yīng)的勘查研究成果,由于工作目的不同,其研究精度和范圍各異。隨著陜北能源化工基地的建設(shè)和發(fā)展對(duì)水資源需求的增加,以往的勘查和研究成果已經(jīng)不能回答以下的關(guān)鍵問(wèn)題。(1)區(qū)域天橋巖溶水系統(tǒng)由天橋、龍口和老牛灣3個(gè)巖溶泉域構(gòu)成,為泉排型巖溶地下水系統(tǒng)。那么在天然條件下有多少巖溶水通過(guò)天橋泉域排泄?在陜北能源化工基地開采巖溶水能否襲奪龍口和老牛灣泉域的補(bǔ)給?(2)萬(wàn)家寨水庫(kù)的建成和蓄水改變了天橋泉域局部巖溶水循環(huán)的條件,可增加多少巖溶水補(bǔ)給量和可采資源量,陜北能源化工基地巖溶水可采資源能增加多少?(3)在黃河西岸為陜北能源化工基地相繼勘探的天橋、浪灣、清水川等巖溶水源地的可開采量是多少?各水源地長(zhǎng)期開采,地下水流場(chǎng)和動(dòng)態(tài)的變化趨勢(shì)如何?什么樣的開發(fā)利用方案更科學(xué)合理,保障程度如何?(4)在大尺度區(qū)域地下水模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)小尺度區(qū)域(各水源地)如何重點(diǎn)刻畫,在大尺度的低維模型中嵌套重點(diǎn)區(qū)域的高維模型如何實(shí)現(xiàn)?為了系統(tǒng)地回答上述問(wèn)題,必須系統(tǒng)地收集和深入研究水文地質(zhì)條件,建立2個(gè)尺度的地下水流模型。目前嵌套數(shù)值模擬主要有2種方法,一是在低維模型中嵌套高維模型,二是在粗網(wǎng)格中嵌套細(xì)網(wǎng)格,且多應(yīng)用于河口水流模擬,國(guó)內(nèi)應(yīng)用于地下水模擬的尚不多見。黨學(xué)亞等詳細(xì)論述了天橋巖溶系統(tǒng)地下水的賦存規(guī)律。本文試圖利用嵌套技術(shù),采用MODFLOW建立天橋巖溶系統(tǒng)區(qū)域模型和黃河西岸水源地耦合模型,區(qū)域模型主要用于模擬大區(qū)均衡和提供水源地模型的邊界條件,回答上述問(wèn)題(1)(2);水源地模型主要用來(lái)精細(xì)地刻畫水源地地段的流場(chǎng)和動(dòng)態(tài),回答問(wèn)題(3);同時(shí)通過(guò)模型的耦合,探討地下水模擬技術(shù)在類似地區(qū)條件下的應(yīng)用,回答問(wèn)題(4)。2區(qū)域地質(zhì)模型整個(gè)天橋巖溶水系統(tǒng)包括老牛灣泉域、龍口泉域、天橋泉域3個(gè)子系統(tǒng),建立區(qū)域巖溶水系統(tǒng)模擬模型的主要目的是系統(tǒng)地分析區(qū)域巖溶水的補(bǔ)徑排關(guān)系和子系統(tǒng)間的相互關(guān)系。區(qū)域巖溶水系統(tǒng)模型模擬的范圍包括整個(gè)巖溶系統(tǒng),模型分為3層,分別為寒武系碳酸鹽巖含水層、下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖含水層和中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖含水層。本次建模將所有的側(cè)向邊界確定為二類邊界(包括流入量、流出量和隔水邊界);模型的下邊界以寒武系中統(tǒng)徐莊組下部頁(yè)巖作為隔水邊界;在潛水區(qū),地下水系統(tǒng)的上邊界為潛水面,通過(guò)該邊界,地下水得到降水入滲、灌溉入滲、河渠入滲、水庫(kù)入滲等補(bǔ)給,通過(guò)蒸發(fā)、基流、泉等形式排泄地下水,在承壓區(qū)則為奧陶系中統(tǒng)上覆石炭系不透水巖層作為隔水頂板,將黃河和萬(wàn)家寨水庫(kù)處理為混合邊界條件。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件和模型結(jié)構(gòu),將地下水流概化成非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定、三維地下水流系統(tǒng)。區(qū)域模型水平剖分網(wǎng)格單元大小為1km×1km,水源地地區(qū)局部加密為250m×250m,模型范圍見圖1。模擬校正期為2002年8月至2003年8月,采用區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合校正。模擬預(yù)測(cè)時(shí)間為2007年9月到2017年9月共10年。3地下水流概化模型水源地巖溶水嵌套模擬模型包括黃河西岸清水川、浪灣、天橋3個(gè)巖溶水源地和黃河?xùn)|岸鐵匠鋪水源地,建立模型的目的在于精細(xì)刻畫黃河沿岸巖溶地下水流場(chǎng)、評(píng)價(jià)水源地可采資源量。由于各含水層的巖性、分布位置不同和水源地內(nèi)斷裂構(gòu)造、灰?guī)r節(jié)理裂隙等的發(fā)育,含水層的富水性和透水性有較大差異,在模型中表現(xiàn)為各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的不同,同一含水層在不同的位置水文地質(zhì)參數(shù)也不相同,即含水層為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于巖溶發(fā)育受到構(gòu)造和地下水流動(dòng)的控制,含水層具有各向異性的特征。水源地的地下水動(dòng)態(tài)隨大氣降水、黃河水位、人工開采等因素而變化,而這些因素是隨時(shí)間變化的,故為非穩(wěn)定的地下水流。其中,側(cè)向邊界均定義為水位(頭)邊界,由區(qū)域模型提供;黃河定義為混合邊界,在模型中采取河流模塊,上邊界由于模擬范圍內(nèi)僅東部局部地區(qū)有碳酸鹽巖出露,定義為流量邊界,大部分地區(qū)為零流量邊界。從空間上看,地下水流整體上以水平運(yùn)動(dòng)為主、垂向運(yùn)動(dòng)為輔,各含水層之間有垂向水量交換。根據(jù)水源地的水文地質(zhì)條件和模型結(jié)構(gòu),將地下水流概化成非均質(zhì)、各向異性、非穩(wěn)定、三維地下水流系統(tǒng)。嵌套模型采用大網(wǎng)格嵌套小網(wǎng)格的方法,其剖分精度為區(qū)域模型的10倍,水源地模型水平剖分網(wǎng)格為100m×100m,水源地加密為25m×25m。垂向上與區(qū)域模型的劃分一致,但模型頂?shù)装甯叱虜?shù)據(jù)更加豐富,概化精度更高;模擬校正期、模擬預(yù)測(cè)期與區(qū)域模型一樣。對(duì)斷層、地塹進(jìn)行描述概化,同時(shí)利用本次水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù),使模型參數(shù)分區(qū)概化更加細(xì)致。由于水源地模型為非完整地下水系統(tǒng),因此確定水源地模型的邊界條件是模型嵌套的關(guān)鍵。本次嵌套模型利用區(qū)域模型計(jì)算結(jié)果作為水頭邊界,在這一過(guò)程中需要掌握VisualModflow各種邊界的存儲(chǔ)形式,具體的方法為:(1)調(diào)整區(qū)域模型輸出文件控制選項(xiàng),使模型在每個(gè)應(yīng)力期末均在list文件中輸出各網(wǎng)格水頭(水位);(2)計(jì)算嵌套模型邊界單元在區(qū)域模型中所處的網(wǎng)格位置(i,j,k);(3)編程讀取邊界網(wǎng)格在區(qū)域模型中的各時(shí)間段(應(yīng)力期末)水頭(水位),存入嵌套模型邊界文件(后綴為*.vmb)。4區(qū)域及地下水流場(chǎng)、補(bǔ)徑排條件的演變利用區(qū)域模型與水源地模型,分析不同開采方案下區(qū)域和水源地地下水流場(chǎng)、補(bǔ)徑排條件的演變,以期回答存在的問(wèn)題,重點(diǎn)評(píng)價(jià)黃河西岸巖溶水可采資源量。4.1不同草地開采量本次針對(duì)黃河西岸水源地,共設(shè)計(jì)了6種開采方案(表1)。其中方案一為清水川水源地、浪灣水源地、天橋水源地合計(jì)開采31.6×104m3/d,其他水源地維持現(xiàn)狀開采,總計(jì)開采量為44.47×104m3/d;方案二為天橋水源地開采42.60×104m3/d,清水川水源地、浪灣水源地以B級(jí)儲(chǔ)量開采,黃河西岸合計(jì)開采60×104m3/d,其他水源地維持現(xiàn)狀開采量,合計(jì)開采量為68.87×104m3/d,較現(xiàn)狀開采量多59.46×104m3/d;方案三、方案五在方案二的基礎(chǔ)上保持黃河西岸開采量不變,其他水源地分別以B級(jí)儲(chǔ)量、B+C級(jí)儲(chǔ)量開采,合計(jì)開采量分別為87.01×104m3/d、124.18×104m3/d;方案四、方案六為進(jìn)一步加大天橋水源地開采量至50×104m3/d,黃河西岸開采量為67.4×104m3/d,其他水源地分別以B級(jí)儲(chǔ)量、B+C級(jí)儲(chǔ)量開采,合計(jì)開采量為94.41×104m3/d、131.58×104m3/d。4.2地下水流場(chǎng)變化區(qū)域模型模擬6種開采方案的等水頭線圖如圖2。從圖2中可以看出,不同的開采方案,隨著開采量的增大,地下水流場(chǎng)整體趨勢(shì)沒(méi)有明顯改變,只是在水源地附近的排泄地段水位漏斗有所擴(kuò)大。統(tǒng)計(jì)以832m等水頭線圈閉的區(qū)域漏斗面積(表2),隨著開采量的增加,漏斗面積有所擴(kuò)大,方案三、方案五,黃河西岸水源地合計(jì)開采60×104m3/d,漏斗面積為33.48km2、48.72km2。水位降深最大處位于天橋水源地附近,隨著開采量的增加,天橋水源地附近水位降深由4m逐漸增大至8m,但地下水位依然高于黃河水位。水源地嵌套模型模擬顯示,水源地在開采量增大的情況下,水位漏斗有所擴(kuò)展,但地下水流場(chǎng)基本形狀保持不變(圖3)。在黃河西岸總開采量為60×104m3/d,對(duì)黃河?xùn)|岸鐵匠鋪水源地和舊縣水源地影響很小,地下水位在天橋大壩附近最低,但水頭仍然高于黃河水位,從水源地附近水位降深歷時(shí)曲線(圖4)分析,地下水位下降主要集中在開采初期,后期水位趨于周期性起伏,地下水系統(tǒng)向新的平衡狀態(tài)逼近。綜上所述,在保證區(qū)域其他水源地可采資源的基礎(chǔ)上,黃河西岸巖溶地下水可采資源量超過(guò)60×104m3/d。4.3黃河的補(bǔ)給和排泄量在多年平均降雨補(bǔ)給的條件下,以現(xiàn)狀開采量為基礎(chǔ),為最大限度地反映萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)水位的變化對(duì)地下水的影響程度,設(shè)定萬(wàn)家寨水庫(kù)庫(kù)水位全年保持在970m和980m兩種水平,分別計(jì)算10年中(2007年9月1日至2017年8月31日)萬(wàn)家寨水庫(kù)現(xiàn)狀水位下和上述2種設(shè)定水位下的黃河與巖溶水的交換量。同時(shí)對(duì)不同泉域補(bǔ)排關(guān)系進(jìn)行分析,在模型中,分別將黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)以上段、萬(wàn)家寨水庫(kù)以下段和黃河天橋段劃分為3個(gè)均衡區(qū),統(tǒng)計(jì)各個(gè)均衡區(qū)中的黃河滲漏補(bǔ)給量和巖溶水向黃河的排泄量(表3)。在萬(wàn)家寨以上地段,當(dāng)庫(kù)水位全年保持在970m時(shí),黃河補(bǔ)給巖溶水的量由現(xiàn)狀的1.288×108m3/a增加到了1.358×108m3/a,而通過(guò)黃河排泄的巖溶水由現(xiàn)狀的0.459×108m3/a減少到0.366×108m3/a;當(dāng)庫(kù)水位全年保持在980m時(shí),黃河補(bǔ)給巖溶水的量則增加到1.783×108m3/a,通過(guò)黃河排泄的巖溶水減少到0.296×108m3/a。隨著水庫(kù)水位的升高,黃河對(duì)巖溶地下水的補(bǔ)給量逐漸增加,排泄量逐漸減少。由此可見,萬(wàn)家寨水庫(kù)水位的變化對(duì)于龍口泉域子系統(tǒng)黃河與巖溶地下水的交換量的影響是非常顯著的,當(dāng)蓄水980m時(shí),黃河在萬(wàn)家寨水庫(kù)一帶補(bǔ)排增量為0.614×108m3/a,但對(duì)天橋泉域子系統(tǒng)地下水的排泄影響不大,其排泄增加量?jī)H0.013×108m3/a,可見萬(wàn)家寨水庫(kù)蓄水后主要對(duì)龍口泉域系統(tǒng)影響較大,其補(bǔ)排增量主要在龍口泉進(jìn)行排泄,進(jìn)入天橋泉域子系統(tǒng)的水量較小。4.4不同開采方案下地下水開采量對(duì)黃河的影響對(duì)不同的開采方案,隨著開采量的增大,泉域地下水向黃河的排泄量逐步減少,但減少量主要集中在開采初期,開采1~2年后則趨于平穩(wěn),反映出地下水系統(tǒng)在增加開采量的情況下很快就達(dá)到新的平衡狀態(tài)(圖5)。圖6反映了在不同開采方案的條件下,巖溶水向黃河的排泄減少量和激發(fā)黃河對(duì)地下水補(bǔ)給量的增加量。開采量主要來(lái)自于襲奪地下水向黃河的排泄量和部分儲(chǔ)存量,開采激發(fā)黃河對(duì)地下水的補(bǔ)給量相對(duì)較小,且主要來(lái)自于萬(wàn)家寨黃河段對(duì)地下水的補(bǔ)給。5區(qū)域巖溶水模型的應(yīng)用(1)利用嵌套技術(shù)建立了天橋巖溶水系統(tǒng)區(qū)域模型和黃河西岸水源地巖溶水嵌套模型,并采取編程手段在VisualModflow中實(shí)現(xiàn)了區(qū)域模型與水源地模型的自動(dòng)快速耦合。(2)利用區(qū)域巖溶水模型對(duì)萬(wàn)家寨水庫(kù)蓄水的影響進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,萬(wàn)家寨水庫(kù)蓄水對(duì)地下水有較大的補(bǔ)給作用,在庫(kù)水位為98