福建漳州颜厝应急地下水源地三维数值模型

郑 杰

(福建省厦门地质工程勘察院，厦门，210098)

随着经济社会的发展，供水问题已经成为影响城市发展的关键性问题[1-3]。漳州市是闽南地区经济发展迅速的城市，城市应急地下水源地的圈定及其资源量的评价已经成为了城市建设的重要内容。颜厝应急地下水源地位于漳州龙海市颜厝镇巧山村，面积约12 km2。圈定应急地下水源地，采用国际通用的地下水运移数值模拟软件Visual MODFLOW，建立应急地下水源地地下水系统三维数值模型，评价了该应急地下水源地在应急开采方案下的应急供水能力，为今后该应急地下水源地的建设提供了科学合理的建议。

1 研究区水文地质条件

区范围内地下水为第四系松散岩类孔隙水，以承压水为主，主要含水岩组为第四系冲洪积砂砾石层，据水文地质钻孔数据，水源地含水岩组渗透系数一般为0.33～29.70 m/d。地下水主要接受大气降水补给，同时也接受基岩裂隙水和风化带空隙裂隙水的侧向补给，地下水总体径流方向由南向北，最终向九龙江西溪排泄。

2 水文地质概念模型和数学模型

根据钻孔资料，将研究区地下水系统划分为3层，第1层为黏性土弱含水层，第2层为砂砾石层是区内主要含水层，第3层为残积黏性土弱含水层。其中砂砾石层为计算目的层。模型顶部接受大气降雨入渗补给，为补给边界，同时地下水通过其蒸发排泄，为排泄边界；底部视为隔水边界；模型四周接受基岩山区侧向补给，为流量边界，此次计算概化为通用水头边界。各个含水层概化为均质各向异性，地下水运动为三维非稳定流。

根据研究区的水文地质概念模型，建立了以下与其相适应的数学模型[4-9]：

H(x,y,z,t)∣=0=H0(x,y,z,t0) (x,y,z)∈Ω

H(x,y,z)=z(x,y,z)∈Γ3

(x,y,z)∈Γ3

式中：Ss为贮水率(L/m)；kxx，kyy，kzz为含水层各向异性主方向的渗透系数(m/d)；H为点(x,y,z)在t时刻的水头值(m)；W为源汇项(L/d)；t为时间(d)；Ω为计算区；H0(x,y,z,t0)为点(x,y,z)处的初始水位(m)；q(x,y,z,t)为第二类边界上单位面积补给量(m/d)；cos(n,x)、cos(n,y)、cos(n,z) 为流量边界外法线方向与坐标轴方向夹角的余弦；μ为饱和差或给水度，表示在自由面改变单位高度，含水层单位截面积吸收或排除的水量；qw为自由面单位面积上综合入渗补给量(m/d)； Γ2、 Γ3为第二类边界和自由面边界。

3 模型的识别验证

在上述数学模型的基础上，运用Visual Modflow建立颜厝应急地下水源地的地下水系统三维数值模型。计算将研究区在平面上剖分成100×200的矩形网格单元，网格单元尺寸为45 m×50 m，垂向上根据钻孔资料，从上往下分为3层，每层的有效计算单元为8 735个，共计26 205个，其垂向和平面剖分网格(图1～3)。

图1 研究区横向剖面第91行剖分图Fig.1 Partition qraph of transverse section in the study area(row 91)

图2 研究区纵向剖面第41列剖分图Fig.2 Partition graph of longitudinal section in the study area (column 41)

以抽水试验进行的时间结合不同时段抽水流量的变化进行划分制度期，根据研究区抽水试验资料对模型进行识别和验证，通过反演计算求得出各层的水文地质参数。通过研究区初始水位由实测数据，借助surfer软件以线性插值的方式求出研究区初始流场(图4)。经识别、验证的含水层各参数分区的参数值(表1)，研究区内部分抽水试验孔的水位拟合情况(图5,6)。

图3 研究区平面剖分图 Fig.3 Planar subdivision graph in the study area

图4 研究区初始流场图 Fig.4 the initial head of the study area

图5 SWK6地下水位拟合图 Fig.5 Fitting figure of groundwater level(swk6)

图6 SWK12地下水位拟合图 Fig.6 Fitting figure of groundwater level(swk12)

表1 模型各参数分区参数值

4 模型可靠性分析

验证模型是否可以预测研究区地下水系统的动态特征，主要是由2个方面的因素决定的。①要确保研究区地下水系统的结构以及功能特征在模型识别的时候都真实的反应了进去，就是说模型识别是符合这些特征的。②所建立的模型是收敛的、稳定的[10,11]。在详细分析研究了应急水源地的地下水系统的功能及结构特征和充分了解研究区地下水系统的宏观变化规律的前提下，进行了地下水系统数值模拟。在模型识别的过程中，涉及到的物理量都是通过实际调查所获得的资料确定的从模型识别得到的结果可以看出，研究区所建立的模型地下水系统各层的分区参数的取值数量级大小都符合要求。在模型边界上水量交换的强弱程度与研究区实际地下水系统基本一致，能够反映出研究区实际地下水系统的结构与功能特征。除此之外，识别所得到的各个观测井的水位计算值均与其水位实测值较好的拟合。模拟计算得出各个含水层地下水流场变化与研究区地下水流场的宏观变化规律相同。研究区所建立的模型识别计算阶段所得到的水均衡(图7)。建立的模型各个含水层的地下水流入量基本上与流出量达到了平衡，这说明了所建立的模型具有较好的收敛性及稳定性，通过模型计算所得出的结果是正确、可信的，因此，建立的模型可以用来模拟预测研究区地下水系统的动态变化情况。

5 应急地下水源地地下水资源量评价

根据颜厝应急地下水源地的实际情况，模拟计算在应急水源地内布置了30口开采井，模型计算了应急开采时间10 d和180 d的地下水最大供水量。利用上述识别验证后的三维数值模型分别计算了该水源地在连续开采180 d方案下的允许开采量和最大供水量。所谓允许开采量，就是确保在连续开采180 d后，水源地内地下水水位不低于承压含水层的顶板标高；而最大供水量就是连续开采180 d后将承压含水层疏干的水量。允许开采量可作为日常开采的参考开采值，而最大供水量仅在应急情况下方能体现。

(1)模型计算了连续开采10 d的最大供水量。经识别验证后的模型计算，最大供水量为18 475 m3/d，按照应急供水水量的要求30 L/日·人，各开采量分别可满足61.58万的用水。各开采井的最大开采量(表2)。

(2)连续开采180 d方案下应急水源地地下水允许开采量和最大供水量计算允许开采量是指布置30口抽水井同时抽水，180 d以后确保承压含水层水位不低于其顶板标高的水量。经过上述识别验证后的模型计算，应急水源地的允许开采量为7 365 m3/d，按照应急供水水量的要求30 L/日·人，可满足24.55万人的用水。各开采井的允许开采量(表3)，开采180 d后应急水源地的流场变化(图8)。

表2 连续开采10 d各开采井最大开采量(m3/d)

表3 连续开采180 d各开采井允许开采量(m3/d)

(3)计算所得的最大供水量是指180 d后将承压含水层疏干所得到的水量。经过上述识别验证后的模型计算，应急水源地的最大供水量为14 750 m3/d，按照应急供水水量的要求30 L/日·人，该开采量可满足49.16万人的用水。各开采井最大的开采量(表4)，开采180 d后应急水源地的流场变化(图9，10)。

表4 连续开采180 d各开采井最大开采量(m3/d)

图8 按允许开采量开采180 d后计算流场图Fig.8 Calculated flow field after mining by allowable amount 180 days

图9 按最大供水量开采180 d后计算流场图Fig.9 Calculated flow field after mining by maximum amount 180 days

图10 按最大开采量开采180 d后横向剖面计算流场图(第32行)Fig.10 The transverse section of calculated flow field after mining by maximum amount 180 days(row32)

6 结论

(1)应急地下水源地对于城市建设有着十分重要的意义，颜厝应急地下水源地在30口开采井同时开采的情况下，连续开采10 d的最大供水量为18 475 m3/d，按照应急供水水量的要求30 L/日·人，各开采量可满足61.58万的应急供水。连续开采180 d的情况下，允许开采量为7 365 m3/d，应急水源地的最大供水量为14 750 m3/d，按照应急供水水量的要求30 L/日·人，可满足49.16万人的应急供水。

(2)在考虑应急地下水源地的水资源量的同时，应当对该水源地的地下水水质进行综合的分析评价，对该水源地的水质情况有一个更加清楚的认识，为以后水源地的建设提供有力的依据。

(3)颜厝应急地下水源地处在人类活动较为强烈的区域，地下水埋深较浅，较易受到人类活动的影响，建议加强保护措施，确保水源地的地下水水质得到有效的保护。