李晓媛,王文中,张春艳
(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061;2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室,石家庄 050061;3.华北水利水电大学,郑州 450045)
地下水资源作为干旱半干旱地区的主要水源,在保障饮用水安全、支持社会经济发展、维系生态环境平衡等方面具有重要作用。傍河取水井是指位于河流冲积层中的水源井,几十年来作为地表水和地下水的联合开发形式在世界范围内得到广泛应用[1,2]。傍河水源地通过袭夺河水增补地下水资源量,具有以下优势:激发河水入渗补给地下水,二者共同组成可开采资源,提高水资源开发利用率[3];含水介质充分发挥过滤作用净化水质[4];含水层“以丰补歉”,保障供水的稳定性[5,6];同时,傍河水源地地下水水位埋深浅,适宜集中建立井群,易于开采和管理[7],在我国北方城市的供水尤其是饮用水供水方面发挥着不可替代的作用[8]。然而,由于地表水-地下水相互作用过程复杂[9]和受不同开采方案的影响[10],迄今为止,生产过程中水位、水量及其对开采方案的响应一直是学术研究的重点[11,12]。如何科学评价傍河水源地可开采资源量,确定合理的开采方案[13],如井群沿河布设排数、井河距离、井间距离、单井抽水量等重要因素[14,15],对区域地下水的合理开采、避免环境地质问题的发生具有重要意义。
承德市处于国家生态文明建设“五位一体”重大战略布局、京津冀协同发展和脱贫攻坚三大战略的交汇节点,经济发展和生态保护矛盾突出。双滦区城区供水水源地大龙庙供水井群已不宜作为大型集中供水水源地,且水源地相应保护措施制约当地经济发展。承德市人民政府决定在滦河河谷地带,调整、新建地下水水源地,以保障城市可持续发展。本文以承德市双滦区四道河傍河水源地为研究区,运用经典地下水动力学理论,采用数值法和解析法对地下水允许开采量进行评价,针对研究区水文地质条件分析优化了合理的开采井布局、井数、井间距离、井河距离和单井开采量,同时对水源地取水保证程度进行分析,实现区域地下水可持续利用和管理[16]。
勘查区位于承德市双滦区四道河村,介于北纬40°57′~41°00′,东经117°40′~117°44′之间。位于承德市西郊,距离承德市区约25 km,距离双滦区约10 km。勘查区交通发达便利,G112国道、S354省道和地方铁路张双线从勘查区南部穿过,072乡道南北贯穿勘查区。
图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area
研究区为半干旱半湿润大陆性季风型燕山山地气候,气候特征是冬长夏短,四季分明;春季气温回升快,干旱少雨;夏季温和,雨热同季,无炎热期,多雷阵雨;秋季天高气爽,昼夜温差大,气温下降迅速;冬季寒冷少雪。滦平县气象监测站1973-2018年近50年监测数据显示,研究区多年平均气温7.8 ℃,各月平均气温变化较大,最高月均气温23.1 ℃,最低月均气温-10.5 ℃;多年平均降水量543.7 mm,降水多集中在6-8月份,占年降雨量的60%~80%;研究区内蒸发量较大,多年平均蒸发量为1 591.3 mm,日照时数2 675 h,无霜期151 d,全年多西南风,平均风速2.03 m/s。研究区内各气象要素图如图2所示。
图2 滦平气象站多年年平均气象要素Fig.2 Annual average meteorological elements of Luanping meteorological station
滦河双滦区段为研究区内主要河流,滦河在滦平县西沟乡入境,东沟门至荒地、山后至山前、偏道子至四道河均为蛇曲段,河谷较窄,坡降较陡。进入研究区边界孟台子村后,河流流经14个自然村,河道长度约12 km,面积约5 km2,河谷较狭窄,宽200~300 m,水流平缓。
研究区位于燕北山地中滦河中游近北端的山间谷地,滦河呈近南北东穿过。周围山地海拔多在400~700 m间,最高点海拔905.4 m,相对高差200~260 m,属中低山地区。山区地形切割强烈,多见“V”型沟谷。山体主要由新太古代的小瓦沟片麻岩(Xwgn)、中营片麻岩(Zgn)和早元古界水泉沟里斑状二长花岗岩构成(SPt1);滦河谷地,区内延长约12 km,谷宽一般200~300 m,最宽处521 m;最窄处约172 m。谷底海拔高度在368~400 m,地势较开阔平坦。在内外营力作用下,形成了多级滦河阶地的地貌景观。
研究区为单一结构潜水含水层,沿滦河河谷呈条带状展布,见图3。含水层岩性为砂卵砾石,一般粒径2~8 cm,中粗砂充填,布局有1~1.6 m厚度粉细砂夹层,含水层厚度5~9 m。2019年9月水位统测数据显示,研究区地下水位埋深较浅,河漫滩及一级阶地水位埋深2~3.7 m,二级阶地及近山前水位埋深4.5~7.5 m。研究区绝大部分区域矿化度小于1 g/L,属于淡水。
图3 研究区水文地质剖面Fig.3 Hydrogeological profile of the study area
研究区地下水的补给除主要接受大气降水和河流渗漏补给外,还有灌溉入渗补给。对于勘查区两侧的山区侧向补给,山区基岩岩性为太古界单塔子群白庙组黑云(或角闪)变粒岩、浅粒岩,夹黑云石榴二长片麻岩及黑云长片麻岩,基岩山区富水性极弱,两侧山区侧向和基底的补给能力很差。研究区地下水径流具有明显的潜水径流特征,完全受地形地势控制,同地表水流向基本一致。研究区地下水排泄主要为径流排泄,另有分散式人工开采和微弱潜水蒸发。区内地表水和地下水水力联系密切,属于典型的傍河地下水水源地。
水平边界:根据研究区内流场特征和对含水层结构的分析,研究区接受上游地下水的侧向径流补给,如图4所示的AB边界,为侧向流入边界。同时,本区地下水还向下游径流排泄,即图4中的CD边界,为侧向流出边界。其余边界,即图4中所示的黑色边界,为研究区与山区的自然分界线,基岩山区富水性极弱,为隔水边界。
图4 研究区边界条件及参数分区Fig.4 Boundary conditions and parameter partition of study area
垂向边界:潜水含水层自由水面为系统的上边界,通过该边界,潜水和系统外发生垂向水量交换,如降雨入渗补给、灌溉入渗补给、蒸发排泄等,为第二类即流量边界条件。模型的底边界为第四系含水层与下伏基岩的交接面,即含水层底板,处理为隔水边界。据钻孔揭露资料,研究区含水层底板埋深在5.5~12.5 m。
在建立的水文地质概念模型基础上,运用地下水模拟软件MODFLOW建立地下水流数值模型。
2.2.1 数学模型
依据研究区水文地质情况,将工作区地下水流概化成非均质、非稳定的地下水流系统,结合边界条件,建立如下数学模型:
(1)
式中:h为潜水含水层的水位标高,m;zb为潜水含水层隔水底板标高;(h-zb)为潜水含水层的厚度;K为潜水含水层的渗透系数,m/d;μ为潜水含水层的重力给水度;w为含水层的源汇项,m/d;n为边界的外法线方向;q定义为二类边界的单位宽度的流量,m3/(d·m),流入为正,流出为负。
2.2.2 模型的离散化及参数分区
在本模型中,将研究区剖分为25 m×25 m的矩形网格,活动单元格8 056 个,不活动单元格15 360 个。水流模型考虑渗透系数(K)和给水度(μ),渗透系数根据野外钻探过程中进行的抽水试验计算获取,结合地层岩性和流场,将研究区渗透系数划分为10个分区(见图3),区内滦河谷地潜水含水系统的给水度为0.18。
2.2.3 源汇项处理
现状条件下,研究区地下水主要接受降雨入渗、地表水入渗、灌溉回归入渗和侧向径流补给,主要排泄方式为地下水向河流的泄流、蒸发、开采和侧向流出,依据水均衡计算各源汇项的水量,如表1所示。
表1 各源汇项水量计算Tab.1 Water volume calculation of each source and sink phase
降雨入渗量和农业灌溉回归量均为面状补给,采用入渗系数法进行分区计算,根据地表岩性和地下水位埋深,确定降雨入渗系数为0.16~0.26,灌溉回归系数为0.14~0.18,降水量采用研究区多年平均降水量,农业灌溉引用的地表水量采用灌溉定额法结合野外实测的作物种植面积计算得到。潜水蒸发量为面状排泄项,通过水面蒸发折算系数和多年平均水面蒸发量确定蒸发强度,结合各分区潜水蒸发系数0.07~0.15进行计算。
研究区上下边界的侧向径流补给量和流出量均采用断面法计算,断面宽度由野外实测,断面水力梯度依据水位统测结果计算,断面含水层厚度和断面渗透系数根据野外钻孔和抽水试验实测。
河流与地下水的交互关系为丰水期(6-9月)河水位高于地下水位补给地下水,枯水期及平水期(10-12月至翌年1-5月)地下水向河流排泄,依据达西定律,结合野外实测的渗透系数、含水层厚度、河道长度和水力梯度进行分区计算。
在MODFLOW中降水、灌溉回归水入渗采用Recharge程序包模拟;地表水入渗与地下水向河流的排泄采用River子程序包模拟;边界上的侧向入渗补给,采用Well程序包(注水井)模拟;蒸发采用ET程序包模拟;地下水开采概化为12个集中居民区的点状排泄,用Well程序包(抽水井)模拟;侧向流出则调用GHB程序包模拟。
2.2.4 模型的识别与验证
采用试估-校正法识别水文地质参数、边界值和其他均衡项,使建立的模型更加符合模拟区的水文地质条件,以便更精确地预测设计开采方案下的水量和水位。流场拟合和地下水位野外监测值与模拟值结果对比如图5、图6所示。模拟结果表明,研究区计算得出的流场符合本区地下水的流动规律,观测值和计算值匹配度高,该模型能够反映双滦区四道河河谷地区地下水水流情况,可以用来预测。
图5 研究区2018年4月流场水位拟合(单位:m)Fig.5 Fitting of the flow field water level in the study area in April 2018
图6 研究区2018年4月监测点水位拟合Fig.6 Fitting of the monitoring point water level in the study area in April 2018
为了更好的激发河流对地下水的补给,选择含水层厚度较厚且水质较好的区段,设计开采井沿滦河呈直线型单排排列。较大井径有利于开采井获得较好的出水效果和潜水泵下放,参考当地开采井规格,设计选用井半径为0.25 m的完整井。
开采井距离河流越近,可获得越大的单井涌水量。然而,距离河流太近开采井易于被洪水淹没,且洪水挟带的悬浮颗粒会造成开采井淤堵[16],同时,入渗河水中的污染物质浓度随入渗距离的减小而增大[17,18],因此,在满足开采量需求的情况下应选择井河距离较大的设计方案。
利用直线补给边界附近的潜水稳定井流公式:
(2)
式中:a为开采井中心至边界的垂直距离,即井河距离,m;Q为开采井流量,m3/d;H0为潜水含水层的初始厚度,m;sw为开采井中水位降深,m;rw为开采井半径,m。
地下水允许开采量以降深作为约束条件[19,20],为确保水源地开采的可持续性,避免发生区域地下水位持续下降和生态环境破坏,以降深不大于含水层厚度的1/3作为开采量约束条件,结合研究区渗透性、含水层厚度和开采井单井出水量,本次拟设计3种井河距离:25、50和100 m。
增大开采井间距可有效降低开采井抽水的相互干扰,获得较大的开采量,但同时会提高铺设集水管线和输电设备的成本,因此,采用解析法井流公式确定适宜的开采井间距。根据干扰系数α与井间距r的相关关系,选取干扰系数为25%时的开采井间距作为傍河水源地的布井间距[21]。井间距离计算方法如下[22]:
在仿泰斯公式的基础上,依据映射和叠加原理,首先计算第i口开采井以定流量Q单独抽水时,t时刻在其井壁rw处的降深s(rwi,t)。
(3)
s′(r,t)为修正降深,且有:
(4)
再利用式(5)计算井排n口井同时以不同Qi定流量开采,t时刻井壁处降深均为s(rwi,t)时对应的井间距rj。
(5)
依据井间干扰系数计算公式(5),代入式(3)和式(5)中所取的流量,即可计算出与井间距离对应的干扰系数。
(6)
利用上述方法对井河距离为25、50和100 m,井间距离分别为50、100、150、200和250 m时的干扰系数进行计算,确定井间距离与干扰系数关系曲线,结果见图7,进而确定当干扰系数为25%时,3种设计开采方案中各井河距离对应的井间距离,即井河距离为25、50和100 m时的开采井间距分别为150、175和210 m。
图7 开采井间距离与干扰系数的关系Fig.7 Relationship between the well distance and the interference coefficient of the central well
依据研究区水文地质条件和沟谷场地建设情况,设计在研究区内4个区段布设开采井,由于建井资金限制,设计布设29眼开采井。因此,共设计3种不同井河距离和井间距离开采方案,具体方案见表2,以含水层厚度的1/3为最大允许降深,利用模型计算开采总量,综合以上因素确定最佳开采方案。
利用模型计算3种设计开采方案的开采总量,结果见表2。井河距离增大,总开采量减小,这是由于井河距离增加,开采井激发的河流补给减少,导致开采总量降低。由于研究区补给条件较好,应选取开采量较大的为最优开采方案。由此选定井河距离25 m,井间距离150 m,总开采量4.53 万m3/d的方案为最优开采方案。最优开采方案布井位置见图4。
表2 开采方案及开采总量Tab.2 Mining plan and total mining amount
根据最优开采方案,共布设29眼开采井,井河距离25 m,井间距离150 m,单井开采量1 200~1 920 m3/d,单井降深均不大于含水层厚度的1/3,可避免水位持续下降和对生态环境的破坏。因此,研究区水源地地下水可开采资源量为4.53 万m3/d。通过模型预测水源地运行10年后的地下水流场,研究区水源地地下水流场见图8所示,在布设开采井处形成局部的水位下降,而对距离开采井较远的周边区域影响较小,符合傍河取水特征[23]。
图8 研究区水源地运行10年后地下水流场及开采井分布Fig.8 Prediction of groundwater flow field after 10 years of operationa and distribution of production wells
傍河开采地下水会增大水力梯度,使河水与地下水间的水力联系增强,河水将成为水源地地下水的主要补给项[24]。因此,需结合袭夺河流量在河流多年平均径流量和枯水年份径流量中的占比,来分析研究区河流是否可以稳定补给地下水,确定地下水允许开采量的保证程度。
根据四道河水文站长期观测资料(1956-2018年),研究区域内滦河多年平均径流量为5.39 亿m3/a,特枯水年径流量为2.19 亿m3/a,见表3。通过模型预测开采状态下,丰水期,河流激增补给量为10 020.91 万m3/(10 a);枯水期,地下水泄流减少1 709.39 万m3/(10 a),因此,地下水袭夺河流的水量1 173.03 万m3/a,仅占滦河多年平均径流量的2.18%,特枯水年径流量的5.36%。因此,水源地开采后滦河对地下水的补给充足而稳定,供水保证率较高,不会对下游河道径流量产生明显影响。
表3 近60年(1956-2018年)分析范围上游来水量特征值Tab.3 Characteristic values of upstream inflow in recent 60 years (1956-2018)
本文运用潜水完整井流的仿泰斯公式设计了以井河距离,井间距离为变量的开采方案。以含水层厚度的1/3为降深约束条件,通过数值法对设计的3种开采方案计算发现,井河距离越小,开采量越大。由于研究区补给条件较好,取开采量较大的为最优方案。因此,在研究区4个区段内29眼开采井沿河流单排布设,井河距离25 m,井间距离为150 m的方案为最优开采方案,水源地地下水可开采量为4.53 万m3/d。滦河对地下水的补给充足而稳定,取水保证程度较高,对区域水环境影响较小。
水源地规划开采条件下,河流与地下水联系密切,滦河的水质对水源地地下水质量的影响至关重要。研究区上游15 km处为滦平县张百湾工业园区和滦平县污水处理厂,建议加强拟建水源地上游水污染风险管控,注重对上游滦河水质的保护与监测。本项研究成果可以为当地的地下水取水需求提供必要的科学依据与技术支持。
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