丰县地下水超采区评价及压采可行性研究

(1.江苏省水文水资源勘测局徐州分局， 江苏 徐州 221006；2.江苏东方华星工程造价咨询有限公司， 江苏 苏州 215000；3.徐州市国土资源局， 江苏 徐州 221000)

丰县地下水超采区评价及压采可行性研究

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(1.江苏省水文水资源勘测局徐州分局， 江苏 徐州 221006；2.江苏东方华星工程造价咨询有限公司， 江苏 苏州 215000；3.徐州市国土资源局， 江苏 徐州 221000)

丰县是江苏省水资源严重缺乏的县市，地下水是主要的供水水源。本文在分析丰县地下水资源现状的基础上，采用地下水数值模拟技术对地下水超采区现状进行评价，指出了地下水超采导致的一系列环境地质问题。针对丰县地下水超采状况，结合地下水压采目标和方案，利用已建立的地下水评价模型对压采效果进行评价，评价结果显示：在地下水压采方案下，地下水降落漏斗将得以控制和恢复，地面沉降状况得到有效缓解。最后提出了实现地下水资源可持续利用的措施建议，为地下水资源的合理开发利用提供了依据。

地下水超采； 数值模拟； 压采； 开采方案； 丰县

图1 丰县2013年年末Ⅲ承压含水层地下水位埋深等值线

1 引 言

丰县水资源较为匮乏，当地地表水资源量偏少，加之河槽调蓄能力较低，又无过境水可以利用，长期以来，城乡居民生活及绝大部分工业生产用水均依靠地下水作为供水水源，农业用水主要依靠境外调水。由于地下水开发利用程度高，开采强度大，实际开采量大于可开采量，导致地下水水位大幅度下降，深层地下水形成以丰县城区为中心的水位降落漏斗。近几年，随着工农业生产的迅速发展和人口的不断增加，居民生活质量的不断改善，需水量亦相应增加，水资源供需矛盾日益突出，供水形势相当严峻[1-2]。

为了更合理开发利用地下水，预防环境地质问题的出现或恶化，对丰县地下水超采开采程度进行区域上的计算和分析具有重要意义[3]。同时，开辟替代水源并尽快建成投产，逐步压缩地下水开采量，对保障人民生活用水安全和企业生产用水所需，提高群众生活质量，改善生态环境，预防环境地质灾害，对区域水资源的开发利用，保障经济社会的可持续发展，都具有重要的现实作用和深远的意义。

2 丰县地下水超采现状

据近期统计资料，全县共有400眼深井，深层地下水开采总量为4528.02万m3/a。按开采层位统计，第Ⅱ承压含水层供水井47眼，开采量150.21万m3/a，占开采总量的3.32 %；第Ⅲ承压含水层供水井353 眼，开采量4377.81万m3/a，占开采总量的96.68%[2]。

根据《江苏省地下水超采区划分方案》，丰县为江苏省中型孔隙水超采区。超采区主要分布在凤城、王沟、孙楼、宋楼、大沙河、常店及师寨等乡镇，面积达420.1km2，主要超采层位为第Ⅱ、Ⅲ承压含水层，超采程度为一般，其中凤城镇为严重超采区，开采量占全县开采量的27.16%，占超采区开采量的36.86%，超采量达809.77万m3/a。实际开采量大于可开采量，造成地下水水位埋深持续下降，并形成以城区为中心的水位降落漏斗和超采区[1]。2013年末丰县深层地下水水位埋深等值线如图1所示，其中丰县城区复新河西岸长观孔2006—2013年第Ⅲ承压含水层水位埋深变化曲线如图2所示。

针对丰县地下水超采现状，对地下水超采区进行评价[5]，结合丰县区域供水规划提出地下水压采目标和方案，并评价压采方案下地下水资源恢复量，以指导区域地下水资源开发利用。

图2 丰县城区复新河西岸长观孔2006—2013年第Ⅲ承压含水层水位埋深变化曲线

3 地下水超采区评价数值模拟研究

3.1 丰县地质与水文地质概况

丰县位于江苏省西北部，行政区域上隶属徐州市，东邻本省沛县及铜山区，西、北分别与山东省单县、鱼台县接壤，南与安徽省萧县、砀山县交界。新生界上第三系(N)分布广泛，第四系(Q)几乎覆盖全区，并伏于不同时代的老地层之上。基底为第三系(E)以前的基岩。第四系发育有下更新统砂、砂砾与含砾泥质粉土或含砾粉质黏土，夹粉质黏土；中、上更新统含钙、铁、锰质结核粉质黏土，夹薄层状、透镜状泥质粉土以及中、细粉砂；全新统粉土、粉砂，夹粉质黏土薄层，局部地段夹薄层细砂或透镜体等。

区内第四系松散岩类孔隙含水层分布广，主要含水层可分为[4]：

a.全新统潜水含水层(微承压水)：全新统在全县广泛分布，成因以黄泛冲积为主，东北部兼有湖沼相沉积，单井涌水量小于10m3/d，富水性较弱，该含水层仅适宜小型的分散浅井开采。

b.中、上更新统孔隙含水层(Ⅰ承压水+Ⅱ承压水)：由于上更新统和中更新统两个孔隙含水层中的地下水化学特征大致一体，而且含氧量都大于1.0mg/L，不宜直接作为生活供水水源，故合并论述。该含水层组全县皆广布并为全新统所覆盖，含水层厚度亦自东、东北部向西、西南逐渐增厚。单井涌水量孙楼—宋楼—李寨在500～1000m3/d，其余地段多大于1000m3/d，属中等或富水性好的含水层。

c.下更新统孔隙含水层(Ⅲ承压水)：该孔隙含水层除在华山附近局部地段缺失外，其他地区皆有分布，并埋藏于中、上更新统之下，底板之下地层为下第三系。该含水层在东部欢口—华山—范楼等地厚150～200m，向西增厚至300m以上。单井涌水量除华山附近100～1000m3/d较小外，其他各镇均大于1000m3/d，按含水层富水性等级标准，属富水性中等或较好的含水层。

地层及含水层分布见图3。

图3 地层及含水层分布

3.2 区域水文地质条件概化

a.含水层的概化。根据以上水文地质条件分析计算，区域含水系统可分为第四系松散沉积物潜水含水层、上更新统第Ⅰ承压含水层、中更新统第Ⅱ承压含水层、下更新统和第三系第Ⅲ承压含水层，各含水层之间存在相对稳定的隔水层。本项目的开采层位为下更新统和第三系承压含水层，为此第Ⅲ承压含水层是本次建模研究的重点含水层。

b.边界条件的概化。地下水均由超采区四周流向超采区中心，超采区边界可处理为第二类流量边界。大气降雨入渗、地下水侧向径流补给是承压水的主要补给来源。同时认为开采、局部浅埋区的蒸发是地下水的主要排泄方式。由于该区域上、下均有较好的隔水层阻隔，暂不考虑越流补给因素。下部为第三系基岩地层，为隔水边界。

c.含水层的水力特征。计算区内部结构为非均质各向同性承压含水层。区内地下水逐年下降，水流为非稳定状态，水流运动符合达西定律，区内水流运动形式概化为平面二维流。

3.3 数学模型

基于区域水文地质条件的概化，构建非均质各向同性平面二维流数学模型。

H(x,y,0)=H0(x,y)

式中Kx、Ky——主坐标轴方向多孔介质的渗透系数，m/d；

H——水头，m；

H0——初始水位，m；

W——单位体积垂向流量，用以表示源汇项；

μS——多孔介质的弹性储水率或释水率，m-1；

t——时间，d；

Γ2——流量边界；

q——二类边界单宽流量，m3/(d·m)。

以上偏微分方程分别为承压含水层的数学模型、初始条件和二类边界条件，共同组成定解问题，在给定源汇项后即可进行计算。

3.4 数值建模

研究区地下水数值模型采用GMS7.1软件构建[6-9]。

a.网格剖分。建立地下水渗流的概念模型和数学模型之后，要对渗流区进行离散化(剖分)。将复杂的渗流问题处理成在剖分单元内简单的、规则的渗流问题。模型采用100m×100m的网格将模拟区平面剖分为822960个网格，共349752个有效单元。

b.初始参数赋值。结合《丰县地下水资源调查评价报告》，渗透系数的参考值为：中上更新统孔隙含水层为4.5～12.0m/d，下更新统及上第三系孔隙含水层为6.7～7.5m/d。结合模拟区域内复新河、白衣河、苗成河等河道水系形成的局部流域地块，对模拟区进行渗透系数分区，并利用GMS软件PEST模块反求各分区的渗透系数 。

垂向渗透系数、储水系数和降水入渗系数取用《丰县地下水资源调查评价报告》中的推荐值，即全新统与中上更新统之间相对隔水层为0.000055～0.00025m/d，中上更新统、下更新统及上第三系之间相对隔水层为0.00005～0.00009m/d；中上更新统孔隙含水层储水系数为0.00015～0.01， 下更新统及上第三系孔隙含水层储水系数为0.00125～0.0085；降水入渗系数为0.23～0.24。

c.模拟时间及离散。模拟时间分为模型识别时段、模型校验时段和模拟预测时段。根据地下水监测资料，选取2013年1月1日至12月31日为模型识别时段；选择2014年1月1日至12月31日为模型校验时段。

d.模型校正与检验。结合区域长观井2013年1月1日—12月31日地下水观测数据，半个月为一个时段，通过调整模型各分区水文地质参数值，识别地下水流模型。本模拟通过人工调参和PEST模块自动调参相结合的方式，比较各监测井输出结果与该井实测值，选出与各监测井地下水位动态观测数据最为符合的模拟结果，此时的水文地质参数就是反求的最理想的水文地质参数。各观测井水位数据拟合结果如图4所示，即为监测井2013年1月1日—12月31日的实测地下水位动态变化与建立的模型模拟的地下水位动态变化比较。从图中可以看出，观测井地下水位的模拟值与实测值的拟合误差应小于拟合计算期间水位变化值的10%，分析区域内观测值水位变化数据的结果可知，水位计算误差小于1m，可满足计算要求。

为进一步验证所建立的数学模型和模型参数的可靠性，结合长观井2014年1月1日—12月31日地下水观测数据，半个月为一个时段，对模型进行检验。模型检验结果如图5所示，即为监测井2014年1月1日—12月31日的实测地下水位动态变化与建立的模型模拟的地下水位动态变化比较。模型识别和检验结果表明，所建立的数学模型、边界条件、水文地质参数的确定比较符合实际，该模型可以用于下一步的模拟预测。

图4 模型校正期间水位实测值与模拟值对比

图5 模型检验期间水位实测值与模拟值对比

4 压采方案及评价

4.1 压采目标及方案

丰县区域供水规划(2011—2020年)中，综合考虑城市人口与用水量水平、工业发展水平与产业结构特点，最终确定2015年需水量为15万m3/d，2016年需水量为17万m3/d，2017年需水量为19万m3/d，2018年需水量为21万m3/d，2019年需水量为23万m3/d，2020年需水量为25万m3/d。根据丰县水资源的特点，结合南水北调的契机，规划重点开发地表水资源，控制和减少深层地下水开采量，适度开采浅层孔隙潜水，并积极利用再生水和雨水。

根据《丰县地下水压采方案》，至2020年压采地下水3392.15万m3。为保障地下水压采顺利进行，替代水源能否顺利建成供水是关键。为了实现压采目标，依据“三先三后”原则，即先超采区后非超采区、先管网到达区后非到达区、先城区后非城区，逐年开展地下水压采封井工作。具体方案是：

a. 2015—2016年，对位于地下水严重超采区凤城镇辖区范围内的，因水井损坏、水质污染或水质超标等原因不适宜继续使用的55眼供水井实施永久填埋，可压采地下水238.16万m3/a。

b. 2017年对丰县自来水公司供水井实施封存备用，可压采地下水610万m3/a。

c. 2018年对丰县地下水严重超采区凤城镇辖区范围内的工业自备水源井，机关、学校、医院等单位的自备水源井，乡镇供水公司井实施封存备用，可压采地下水1938.71万m3/a。

d. 2019—2020年，对王沟、孙楼、宋楼、大沙河、常店、师寨等镇位于地下水一般超采区的企事业单位自备水源井实施封存备用，可压采地下水605.28万m3/a。

4.2 压采效果评价

基于3.4节校正的非稳定流模型，以2014年末地下水流为初始状态，选择2015年1月1日—2020年12月31日为模拟预测时段，每个模拟时期均设置时间步长为半个月，依据压采方案逐年设置地下水开采条件，模拟预测至2020年末超采区地下水流态。

预测结果显示(见图6)，采用以上压采方案，丰县地下水降落漏斗得以控制和恢复，2015年初漏斗中心处地下水位为-13m，2015—2020各年年末漏斗中心处地下水位为-11.9m、-8.9m，-7.5m、-5.6m、-4.0m和-2.6m，地下水位中心处水位回升近10m，恢复地下水资源量达850万m3。

图6 地层及含水层分布

5 结 语

a.丰县地区地表水资源匮乏，社会经济建设特别是居民生活用水对地下水资源依赖严重。地下水的压采有利于水位、水量的恢复。根据地下水评价模型，在本区域实行地下水压采后，区域地下漏斗中心水位回升近10m，恢复地下水资源量达850万m3。

b.地下水的过度开采造成县城及周边地区122.5km2范围内出现地面沉降，累计沉降量200～300mm，其中县城年沉降速率大于10mm/a，近年来沉降速率达到了20mm/a。根据苏锡常地区地下水超采区治理经验，在地下水限采、禁采后地面沉降速率逐年减缓，由30～80mm/a降至5mm/a以下，成效非常显著[10]。本区域地下水压采实施后将有效减缓地面沉降速率。

c.加快丰县地区地表水厂建设，通过地下水压采工程的逐步实施，地下水超采、地下水水位大幅度下降的状况将得到有效遏制，地下水水位得到逐步回升。水行政主管部门应通过行政、法律、经济、科技及宣传教育等各种措施[11]，加强对地下水开采量、水位、水质及地面沉降跟踪监测，严格地下水开发利用管理，逐步减少地下水开采量，减轻地下水过度开采对地质环境的不利影响，对改善生态环境、预防发生环境地质灾害以及保护地下水环境将具有积极的意义。

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EvaluationongroundwateroverexploitationdistrictinFengxianCountyandresearchonpressureproductionfeasibility

CAO Jiuli1, LU Qinghua2, SHI Saisai3

(1.JiangsuHydrologyandWaterResourcesSurveyBureauXuzhouBranch,Xuzhou221006,China; 2.JiangsuDongfangHuaxingEngineeringCostConsultationCo.,Ltd.,Suzhou215000,China; 3.XuzhouMunicipalBureauofLandandResources,Xuzhou221000,China)

Fengxian County is a county with severe water deficiency in Jiangsu Province. Groundwater is the main source of water supply. In the paper, groundwater numerical simulation technology is adopted for evaluating the status of groundwater over exploitation area on the basis of analyzing water resources status in Fengxian County. A series of environmental geological problems caused by groundwater over exploitation are pointed out. Groundwater pressure production objectives and plans are combined, the established groundwater evaluation model is utilized for evaluating the pressure production effect in view of groundwater over exploitation condition in Fengxian County. The evaluation result shows that groundwater cone of depression will be controlled and restored under the groundwater pressure production plan. The ground settlement is effectively alleviated. Finally, measures and suggestions to realize sustainable utilization of groundwater resources are proposed, thereby providing basis for rational development and utilization of groundwater resources.

groundwater over exploitation; numerical simulation; pressure production; exploitation plan; Fengxian County

TV213

：A

：2096-0131(2017)09-0024-06

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.09.007