吴江地区浅层地下水可开采资源量评价

陆 玮，骆祖江，杜菁菁，宁 迪

(河海大学地球科学与工程学院 南京市 211100)

0 引言

在20世纪80年代初，吴江地区充分利用了紧邻国际大都市上海的区位优势条件，深层地下水的开发利用程度加快，开采井和开采量迅速增加，地下水位持续下降，在该地区内形成水位降深漏斗，由此引发了地面沉降，随后吴江地区执行了禁采令，虽保护了环境却加剧了供水需求。而如今吴江地区的浅层地下水资源丰富，却一直未有有效的开发和管理，造成了地下水资源的极大浪费，且由于浅层地下水位埋深浅，不利于雨水入渗，同时在长期强烈的太阳光的照射下，浅层地下水容易蒸发，随之，原存于地下水中的盐分被带到表层的土壤中，形成土壤盐渍化等问题[1]。

因此，在吴江地区开采浅层地下水显得尤其重要，开采后浅层地下水水位下降可以促进水循环，从而改变水质。本次工作填补了吴江地区未对浅层地下水可开采资源量进行评价的空白。

地下水可开采资源量常用的计算方法有水量均衡法[2]，解析法[3]和数值法等。水均衡法对于地下水资源、可开采资源量的时间、空间等方面的变化以及其对未来的预测等“动态”信息不能够及时且有效的体现出来[4]；解析法假设条件过多，不适用于复杂水文地质条件下的水量计算；而数值法在对水文地质条件复杂及存在地下水开采情况的地区，计算结果更加能刻画实际情况[5]，因此根据区内浅层地下水的水文地质条件及地下水流场特征，本文采用数值法计算评价浅层地下水的可开采资源量，在概化出吴江地区地下水系统水文地质概念模型的基础上，建立浅层地下水系统三维非稳定流数值模型[6]。该模型可以对吴江地区浅层地下水的资源量作出比较合理的评价，且精度较高，为区内浅层地下水的合理开发利用提供了依据。

1 地质及水文地质条件

吴江地区位于江苏省的东南部，地处江浙两省和上海市的交界处,处在太湖—钱塘的褶皱带，是扬子古陆的一部分，区内原有构造几乎全部沉陷，均为第四系覆盖。依据钻探资料，下伏基岩主要有震旦系、侏罗系、白垩系、古近系及新近系等。

吴江地区沉积了较厚的第四纪松散层，一般的厚度为150～200m，最大的厚度为220.8m。由于受地形地貌和基底构造的影响，具有东北厚西南薄的特点。下更新统(Q1)：岩性主要为灰黄、棕黄、褐黄色黏土、亚黏土，顶板埋深140～160m，厚30～60m。中更新统(Q2)：可分为上下两段，下段岩性主要为灰、灰绿、青灰色亚黏土、亚砂土及灰色、灰黄色细砂、粗砂，顶板埋深80～120m，厚10～30m；上段岩性主要为灰灰黄、黄绿色亚黏土、亚砂土、粉砂，顶板埋深80～120m，厚10～30m。上更新统(Q3)：可划分为下、中、上三段，下段岩性主要为灰、灰黄、青灰色亚黏土、亚砂土，顶板埋深40～50m，厚30～50m；中段岩性主要为棕黄和青灰色亚黏土，顶板埋深20～25m，厚30～40m；上段上层主要为灰、灰黄、灰绿色亚黏土、亚砂土，下层以粉砂、亚砂土为主，顶板埋深5～10m，厚15m。全新统(Q4)：岩性主要为灰、灰黑、灰绿色亚黏土、亚砂土、淤泥质亚黏土，厚度为5～10m。

吴江地区的地下水主要类型为松散岩类孔隙水，根据吴江地区第四纪地下水系统的水文地质特征，可将整个第四纪沉积层划分为四个含水层(组)，分别是浅层地下水含水层(组)、第Ⅰ承压含水层(组)、第Ⅱ承压含水层(组)以及第Ⅲ承压含水层(组)。根据吴江地区的水文地质条件，浅层地下水含水层(组)可确定为潜水和微承压水。而微承压含水层为整个吴江地区储存浅层地下水的最主要的含水层，该含水砂层多呈夹层状或透镜体状分布，岩性以灰、灰黄色粉砂和粉砂夹薄层粉质黏土、粉土为主，顶板埋深8～12m，底板埋深25～55m，含水层累计厚度5～30m，单井涌水量为50～300m3/d。该含水层主要接受潜水的垂向越流补给，其富水性与含水层的厚度、岩性、含水层的结构等存在较密切的关系。吴江地区微承压含水层的富水性分区图见图1。

图1 吴江市微承压含水层富水性分区Figure 1 Water yield property zoning of slightly confined aquifer in Wujiang City

吴江地区的地下水补给主要有大气降水，农田灌溉对潜水的补给以及地表水体的入渗、侧向补给。区内地势较为平坦，径流较为缓慢，潜水水力坡度极小，河湖对潜水的侧向补给作用往往局限于河湖附近地带。区内的微承压水含水层，水平方向的渗透性强于潜水含水层，其径流条件也明显要比潜水好，但在天然条件下，水力坡度非常小，径流也比较缓慢。潜水的排泄方式主要以下渗入微承压含水层为主，在水网化密度很高的地区以向地表水体排泄为主，同时也有蒸发消耗和人工开采等；随着区内微承压水井逐渐增多，人为开采已成微承压水的主要排泄方式。

2 水文地质概念模型

本次模拟计算将整个吴江地区的行政区域划分成一个统一的水文地质系统，总面积为1 176.6km2。侧面上根据实测资料分别概化为水位边界和流量边界，垂向上根据江苏省浅层地下水的行政规定，以埋深60m为界，从地表体下分布有潜水含水层和微承压含水层及两者之间的黏性土弱含水层，各含水层无论是平面上还是剖面上，岩性结构相差较大，为非均质各向异性。各含水层之间均存在水力联系，地下水位动态随地下水系统顶部大气降水及农业灌溉入渗补给和地下水的蒸发发生季节性的变化，为三维非稳定流。地下水系统的底部存在有较厚的黏性土层，为一隔水边界。

3 三维非稳定流数学模型

根据以上描述的吴江地区浅层地下水系统的水文地质概念模型，选取主渗透方向与坐标轴方向相一致，建立了下列与之相适应的吴江地区浅层地下水系统三维非稳定流数学模型[7～8]：

(1)

H(x,y,z,t)=|t=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z∈Ω)

(2)

(3)

H(x,y,z,t)=z(x,y,z∈Γ3)

(4)

上述数学模型采用有限差分方法进行求解，并采用了SIP法求解代数方程组。运用FORTRAN90语言[9-10]，据结构化程序设计要求，将整个计算过程编制成计算机程序，在PC机上进行计算，计算的流程图见图2。

图2 计算程序流程图Figure 2 Computational procedure flow chart

4 模型的识别、验证

依据以上吴江地区的水文地质条件，本次计算采用矩形剖分法，将模型计算域总的剖分成40 000个单元，在平面上将整个模型剖分成100×100的矩形形状的等距离网格单元，根据剖面的岩性特征，将模型在垂向上剖分为4层，分别是潜水含水层、第1粘性土弱含水层、微承压含水层及第2粘性土弱含水层。其中有效单元数为17 386个，无效的单元数为22 614个，详见图3。模型各含水层的水位均由实测值插分得到，各开采井的位数及开采量均由实测资料给出。为了说明具体情况，以计算区第38列剖面剖分图及第48行剖面剖分图，具体见图4和图5。研究区内的水文地质参数由实际抽水试验资料反演计算求得。

根据研究区浅层地下水的分布特征，对模型进行分区，整个模型的参数分区共分为16个，以潜水含水层和微承压含水层两层为例，其参数分区图如图6～图7所示，通过比较计算值与观测值，不断反演求参，最终得到各含水层不同分区的水文地质参数，见表1，地下水的计算水位与实测水位精度拟合图以0.50天及0.69天为例，如图8～图9所示，横坐标分别表示实测的水位值，纵坐标分别表示为通过模拟计算出的计算水位。从图中可以看出，水位的实测值与计算值的比值均分布在y=x的这条曲线附近，且不同时间下测定的变化幅度均小于0.5m，符合《专门水文地质学》中关于数值法计算精度的要求，且变化趋势一致。可以很好地说明模型的精度较高，可用于研究区的模拟计算。

表1 各含水层不同分区水文地质参数

图3 计算区平面网格剖分图Figure 3 Computational area plane mesh generation

图4 计算区第38列剖面剖分Figure 4 Computational area column No.38 section subdivision

图5 计算区第48行剖面剖分Figure 5 Computational area row No.48 section subdivision

图6 潜水含水层水文地质参数分区Figure 6 Phreatic aquifer hydrogeological parameters zoning

图7 微承压含水层水文地质参数分区Figure 7 Slightly confined aquifer hydrogeological parameters zoning

图8 0.50d时计算水位与实测水位拟合Figure 8 Fitting of computed and measured water levels after 0.50 day pumping

图9 0.69d时计算水位与实测水位拟合Figure 9 Fitting of computed and measured water levels after 0.69 day pumping

5 浅层地下水可开采资源量评价

本次浅层地下水可开采资源量的评价的目的层是微承压含水层，计算考虑到未来周边一些地区对浅层地下水会有开采，因此把四周均概化为了隔水边界。本次评价计算的起始时刻为2016年6月底，以10年后浅层地下水水位不低于微承压含水层顶板，且水位越来越稳定为约束条件，通过以上校正、识别后的数学模型在计算机上进行模拟计算，科学合理地评价出了吴江地区的浅层地下水的可开采资源量。

经模拟计算可得：全区共开挖了427个井位，满足居民日常生产生活的用水需求。且每年的浅层地下水可采资源量有1.204×107m3，根据《供水水文地质勘察规范》可知本次浅层地下水允许开采量属于B级。各乡镇规划开采的井位及可开采资源量的情况，及5年后和10年后各乡镇的最低地下水水位，详见表2。

表2 各乡镇规划开采井、可开采资源量及最低地下水水位一览表

6 结论

1)采用数值法评价本次吴江地区浅层地下水可采资源量，克服了以往采用水均衡法，解析法等方法不能准确刻画复杂水文地质条件的不足，提高了吴江地区浅层地下水可采资源量的精度。

2)通过对吴江地区浅层地下水允许开采量评价表明：吴江地区共可开挖427个供水井，年地下水可采资源量达1.204×107m3。为吴江地区合理规划开采浅层地下水资源提供了科学依据。