GMS软件在立岗水源地地下水资源评价中的应用研究

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(1.宁夏地质局，宁夏 银川 750021；2.宁夏水文地质环境地质勘察院，宁夏 银川 750021)

地下水资源评价是地下水集中供水水源地勘探的最终目的，其评价的地下水资源储量是保障地区供水需求与安全的重要依据。基于地下水数值模拟GMS软件的MODFLOW模块在地下水资源评价中得到广泛应用[1]。本文以银川立岗水源地地下水资源评价为例，在分析研究区水文地质条件的基础上，确定研究区模型概化条件，建立地下水数值模型，分析水源地在现状开采条件下和规划开采条件下的补给量与排泄量，从而判断水源地确定的允许开采资源量是否可以满足开采要求[2]。

1 立岗水源地水文地质概况

立岗水源地地处银川平原东部[3]，为黄河冲湖积平原二级阶地前缘及一级阶地后缘结合部位，沉积了大厚度的第四系冲湖积相松散堆积物，地下水赋存空间良好，地下水类型为松散岩类空隙水[4]。研究区含水层可划分为四个含水岩组，第一含水岩组：40～70 m 以上，具有微承压性，富水性弱，水质较差；第二含水岩组：位于40～70 m 以下，150～170 m 以上，属于承压水，富水性强，中东部水质较好，推断为黄河古河道；第三含水岩组：位于150～170 m 以下，230～270 m 以上，属于承压水，富水性较弱，水质较差；第四含水岩组：位于230～270 m 以下，330～350 m 以上，属于承压水，水质差。因此，把研究区中东部第二含水岩组的地下水水量、水质及其分布规律作为研究重点，并评价地下水水资源量，确立供水水源地范围。

2 地下水资源评价

2.1 地下水资源评价的原则

(1)基于区域水文地质条件，按照地下水系统进行评价。

(2)按照地下水动力学原理进行地下水资源评价。

(3)“以丰补歉”的原则，最大程度的利用地下水资源量，要评价水资源的存储量和调节能力。

(4)可持续发展的原则，从水资源的可持续开发利用、社会经济与环境协调发展的角度评价地下水资源量[5]。

2.2 地下水系统数学模型

根据前人工作成果和本次勘探工作，可将研究区概化为非均质各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统[6]，其地下水流连续性方程及其定解条件用下列方程来描述。

式中：Ω为渗流区域；h为地下水系统的水位标高(m)；Kx、Ky为含水介质的水平渗透系数(m/d)；Kz为含水介质垂向渗透系数(m/d)；ε为含水层的源汇项(1/d)；h0为系统的初始水位分布(m)；S为自由面以下含水层储水率(1/m)；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；p为潜水面的蒸发和降水入渗强度等(m/d)；Γ1为已知水位边界；h1为已知边界水位值(m)；Γ2为渗流区域的流量边界；Kn为边界面法线方向的渗透系数(m/d)；n为边界面的法线方向；q为Γ2边界的单位面积上的流量(m/d)，流入为正，流出为负，隔水边界为0；Γ3为三类边界；λ、f为已知水头函数。

值得注意的是，上式第三项为潜水面方程，是非线性方程。在数值计算中通常不直接求解该方程[7]，而是将潜水面变化引起的重力释水或储水近似处理为垂向补排量。

图1 立岗水源地模拟区范围

2.3 地下水流数值模型

本次研究工作中，按水源地抽水所造成的影响范围外扩一定距离作为立岗拟选水源地的模型范围(见图1)，模拟面积34.88 km2，从区域地下水数值模型中提取水源地源汇项、水位及降深等，进行水源地评价。并且所评价的地下水可开采资源量不宜超过地下水补给量，根据研究区勘探成果，第二含水岩组顶板埋深普遍在31～60 m，为防止因强化开采开引起的不良水文地质问题，预测各开采井水位降深值不得超过第二含水岩组最高隔水顶板31. 0 m。

2.3.1 模拟期确定

根据研究区收集的资料与第二含水岩组的动态监测资料，如BC03孔位一个水文年(2013年10月至2014年10月)的地下水动态观测资料情况(见图2)，确定模型模拟期为两个阶段：

(1)现状条件，2013年10月至2014年9月，一个月为一个应力期，共12个应力期；

(2)开采条件预测阶段：2014年9月至2034年9月，一个月为一个应力期，共240个应力期。

注：井号：BC03 井深253.5 m；地面高程：1106.039 m 地下水类型：承压水

2.3.2 定解条件

初始条件：以2013年10月地下水水位资料，采用内插法和外推法获得水源地现状条件的初始水位，利用动态长观资料及地下水等水位线对模型进行识别检验，获得的模拟末期的地下水位作为开采预测阶段的初始水位，进行水源地集中开采20 a的预测评价。

边界条件：立岗水源地位于多层含水层区，其边界条件是在区域模型边界条件的基础上，由模型自动计算得出，将计算出来的各边界流入流出量输入到模型之中，通过边界附近流场的拟合，适当调整个别边界流入流出量。

2.3.3 模型源汇项处理

研究区所涉及的源汇项可分为点、线、面三种要素。点状要素主要包括水源地井群、生产生活自备井的集中开采等；线状要素包括研究区的渠系渗漏补给、侧向径流补给(排泄)、排水沟排泄地下水等；面状要素由大气降水入渗、田间灌溉入渗、蒸发排泄等组成。

其中，大气降水入渗、田间灌溉入渗、井灌回渗量根据不同的入渗速率按面状补给量处理(Recharge模块)，边界侧向补给量(排泄量)、渠系渗漏量以及开采量采用Well模块处理，以点井方式布置在模型中。排水沟采用Drain模块处理，在黄灌时期排泄多余水量，排水沟程序包假定如果含水层的水头降至排水沟的固定水头以下，排水沟就不起作用，即地下水不再向排水沟排泄。模拟区潜水蒸发是地下水的主要排泄途径，本次利用蒸发包(ET模块)蒸发量由模型根据水位埋深自动计算。

2.4 现状开采条件下模拟期均衡分析

由区域数值模型[8-9]水位过程线和地下水位等值线拟合情况来看，所建立的区域地下水模拟模型基本达到精度要求，符合研究区实际的水文地质条件，也基本上能较好地反映地下水系统的动态特征，故可利用此模型进行地下水资源评价和地下水流场演化的趋势性预测。

根据区域数值模型计算出立岗水源地模拟区在模拟期内(2013年10月-2014年9月)地下水均衡情况(见表1)。由该表均衡分析可知，立岗水源地模拟区在模拟期内地下水系统总补给量为1 350.5×104m3/a，总排泄量为1 318.745×104m3/a，均衡差为31.755×104m3，为正均衡。其中潜水含水层总补给量为1 311.08×10 4 m3/a，总排泄量为1 277.5×104m3/a，均衡差为33.58×104m3/a，为正均衡。承压含水层总补给量为39.42×104m3/a，总排泄量为41.245×104m3/a，均衡差为-1.825×104m3/a，为负均衡。

其中，潜水含水层补给项中，田间灌溉入渗量和渠系渗漏量是模拟区潜水的主要补给来源，分别占总补给量的44.46%和48.58%；大气降水入渗补给量仅占总补给量的5.82%。排泄项中，蒸发是潜水含水层的主要排泄途径，占总排泄量的56.29%；其次是排水沟排泄，占排泄量的33.63%。

表1 模拟区模拟期地下水均衡表

2.5 规划开采条件下预测模型

2.5.1 开采预测模型条件

在现状开采模拟条件的基础上，根据立岗水源地规划方案布置开采井，进行满负荷开采20 a。

开采预测模型所需数据和资料：

(1)为了体现降雨年际变化特点，降雨入渗采用1991-2011年的降雨量来计算降雨入渗补给量，将其代入模型中；

(2)开采量在维持现状开采条件的同时，加入拟建水源地的设计开采量；

(3)侧向径流补给(排泄量)，根据不同月份降雨量作适当调整，预测模型以注水井的形式导入；

(4)渠系渗漏量按现状条件下渠系引水量计算，并分配到各个月份，以注水井的形式导入模型；

(5)田间灌溉回渗量以面状补给的形式导入模型，排水沟排泄地下水量利用Drain模块导入模型；

(6)蒸发量利用1991-2011年的蒸发数据，由模型自动计算。

2.5.2 模型预测水位变化分析

规划开采条件下，采用模型调试后的水文地质参数，将各源汇项数据代入已建立的地下水流模型中，运行20 a预测模型，得出水源地2034年9月地下水流场与动态变化趋势。图3为2034年9月潜水含水层地下水等水位线图，从图中可以看出，研究区地下水水流方向总体上和初始水位形态一致，只在开采区由于下层含水层的开采形成了局部漏斗区。图4为2034年9月地下水埋深等值线，可以看出，由于下层承压含水层的集中开采使得承压含水层水位下降很快，增大潜水含水层对承压含水层的越流补给，使得潜水含水层在集中开采区水位埋深相对较大，最大水位埋深达5 m。

图3 预测20 a后潜水流场

图5为预测末期(2034年9月)承压含水层地下水等水位线图，可以看出，地下水水流与初始水位相比发生较大变化。水源地开采井附近受集中开采的影响出现明显的降落漏斗。图6为2034年9月承压含水层地下水水位埋深图，水源地集中开采20 a后，承压水水头下降，开采中心区最大水位埋深为15.36 m，未超过允许降深31 m，即拟选水源地集中开采20 a后承压含水层水位降幅不大，满足拟选水源地的开采要求。

图4 预测20 a后潜水水位埋深

图5 预测20 a后承压水位流场

2.5.3 预测期均衡分析

设计开采井布置在承压含水层，不仅造成本层含水层的补给和排泄发生明显变化，潜水含水层的补给和排泄也会受到一定程度的影响。通过预测模型运算，最终得出模拟区设计开采条件下多年平均地下水补排量，将现状条件下和设计开采条件下的均衡进行对比分析，可以得出潜水含水层和承压含水层地下水各补排量的变化(见表2、表3)。

表2 设计开采条件下(20 a年均)与现状条件下潜水含水层水均衡对比 万m3/a

图6 预测20 a后承压水位埋深图

表3 设计开采条件下(20 a年均)与现状条件下承压水含水层水均衡对比 万m3/a

由表2、表3可知，立岗水源地在规划开采条件下，潜水和承压含水层的水量都发生了变化。设计开采条件下，潜水含水层蒸发量、排水沟排泄量明显减少，向承压含水层越流排泄量明显增加。作为开采层位，承压含水层由于地下水集中开采，激发边界侧向流入量和越流量，边界侧向流出量也有所降低，成为规划开采量的重要组成部分，并动用少量的储存量。

水源地开采量3万 m3/d的来源分析如表4，开采主要来源于越流补给量和边界侧向流入增加量，分别占开采量组成部分的84.43%和12.43%，其中越流补给量的增多主要来源于潜水含水层蒸发量和排水沟排泄量的减少，在此基础上，动用少量储存量，占开采量组成部分的2.81%。由此可见，水源地规划开采量3万 m3/d是有保证的。

表4 水源地承压含水层开采量来源分析

3 结语

立岗水源地的地下水允许开采量评价，在充分考虑开采约束条件：开采状态下承压水水位埋深以不超过该含水岩组顶板为宜即31 m的基础上，通过GMS软件进行数值摸拟验证，在现状开采条件下，开采目的层得到的补给量是39.42万 m3/a，排泄量是41.25万 m3/a，呈微弱的负均衡；设计开采条件下，补给量是1 100.05万 m3/a，排泄量为1 132.69万 m3/a，并动用少量的储存量。按照开采方案，通过模拟得到立岗水源地以3万 m3/d作为允许开采量是可以满足规划开采条件下的开采要求。