定边平原水源地开采条件下地下劣质水体运移及水源地保护

刘泽军，方亚宏，尚文星，梁浩天，王 玮

（1.长安大学水利与环境学院，西安 710054；2.长安大学旱区地下水与生态效应教育部重点实验室，西安 710054）

0 引 言

定边地区位于内蒙古鄂尔多斯荒漠与陕西黄土高原之间的过渡地带，区内分布有沙漠，滩地，黄土斜坡等多重地貌，地表水资源稀缺，地下水成为主要的供水来源［1］。近年来，为满足当地的生产生活需要，该地区集中建设了马莲滩和衣食梁等地下水饮用水源地，在有效利用地下水的同时，也影响到当地地下水的水位及水质的变化［2，3］。一些区域地下水位下降，给当地的生态环境带来了不良的影响［4］，此外，受当地岩性特征的影响，白垩系承压含水层水质较差，成为劣质水体。当地地下水水质恶化，已经影响甚至威胁到了当地用水安全［5］，严重阻碍了该地区地下水资源的长期开发利用［6］。目前，地下水水质恶化问题已成为当今社会用水安全的严重威胁［7-9］。为此，迫切需要了解定边地区地下水水质情况，并了解开采条件下定边地区地下水化学组分的迁移特征，以评估其对当地地下水饮用水源地的影响程度，并提出相应应对措施及解决办法。

水力帷幕也称淡水帷幕，是一种有效的保护地下水水质的方法，主要是通过注入大量的淡水［10］，抬高地下水位，形成局部高水头，促使地下水向低水头地段径流，从而起到隔绝劣质水体的作用。其广泛应用在防治海水入侵、石油泄漏等领域［11，12］。近年来，伴随着计算机信息技术的快速发展，水文地质领域的数值模拟技术已相对成熟，成为研究和评价地下水资源的重要手段［13，14］。水力帷幕的数值模拟技术也得到了应用与实践［15］。

本文通过实地调查与数值模型计算的方法，分析了定边地区地下水劣质水体现状，不同开采条件下水源地污染情况，并设计了相应的应对措施，可为解决定边地区劣质水体对水源地的入侵问题提供参考。同时，此项工作对推动干旱半干旱地区的地下水污染防治工作也具有一定的理论和实际意义。

1 研究区概况

1.1 交通位置

研究区位于陕西省西北部，榆林市最西端，陕甘宁蒙四省（区）交界地带。研究区所在的定边县，研究区总面积1 204 km2，区内有青银高速、吴定高速及一条铁路线路，如图1所示。

图1 研究区交通位置图与水文地质图Fig.1 Traffic location map and hydrogeological map of the study area

1.2 水文气象条件

研究区属于陕北定边一带黄土斜坡区前缘地区，位于定边县城以东，日照充足，气候干旱，昼夜温差大，气候类型为半干旱大陆性气候［16］。定边站多年平均降水量374.9 mm，冬季少雨，夏季多雨，多年平均蒸发量达到2 346.4 mm 以上，多年平均气温9.0 ℃左右。

1.3 水文地质条件

根据多年的钻孔和勘察资料，绘制研究区水文地质图（图1），区内存在第四系萨拉乌苏组孔隙潜水含水层及白垩系环河组孔隙裂隙承压含水层。区内不同地区富水性由于地形地貌和地层岩性的不同而有所差别，第四系冲积、冲洪积、冲湖积地区富水性较好，风积黄土区及下白垩系碎屑岩类地区富水性较差。溶解性总固体，也称总矿化度，指水中溶解组分的总量，包括溶解于水中的各种离子、分子、化合物的总量。垂向空间结构上，区内第四系潜水含水层水质相对较好，TDS 相对较低，白垩系承压含水层水质相对较差，TDS 相对较高。总体表现为上淡下咸的类型。在饮用水源地周围形成包围式的劣质水体。

由前人统计的定边地区的气象和水文地质条件可知：天然条件下，地下水主要接受大气降雨入渗补给，通过蒸发排泄，此外，开采条件下，地下水还通过抽水井进行排泄。研究区内属于典型内流区，地下水径流方向主要为从南向北径流，故南边界为地下水流侧向补给边界，东西及北边界大致为地下水流侧向排泄边界。剩余的少部分径流沿沟谷汇入咸水湖泊。如何确定研究区内水源井的抽水量，可以在满足当地生产生活用水的前提下，尽可能保证供水含水层的水质良好，不受劣质水体入侵，是研究区内合理开采地下水的关键所在。

2 研究方法

水文地球化学是建立在地球科学、水文地质学与水化学分析基础之上的学科，其分析方法已比较成熟［17］。Piper三线图以其简洁明了，直观易懂的表达方式成为水文地球化学研究所采用的主要方法之一［18，19］。Piper 三线图由两个三角形区域和一个菱形区域组成，在两个三角形区域里，阳离子和阴离子的毫克当量百分数分别可以一个点的形式表示出来，通过这两个点平行三角形外边作射线，于菱形区域内交于一点，这一点通常用来说明地下水的化学组分类型。2020年10月，通过实地调查取样，获得研究区内第四系水样171 个，白垩系水样74 个，从而了解区域地下水化学类型特征。同时，通过控制性数值试验，建立三维有限差分数值模型，研究开采时间内地下水流场及化学组分的动态变化规律，同时对研究区不同单井开采量条件下区域地下水化学组分浓度场及浓度升高区域进行比较，从而得出定边地区不同水源地开采强度对区域地下水化学场的影响。

3 结果与分析

3.1 地下水水化学类型

将调查取样获得的区域第四系，白垩系地层中地下水化学组分浓度数据，统计如表1所示，并绘制piper 三线图与Durov图［20］，如图2所示，以初步了解区域地下水化学组分特征。

表1 定边平原地下水水化学参数统计Tab.1 Statistics of groundwater chemical parameters in Dingbian Plain

图2 定边地区地下水Piper三线图与Durov图Fig.2 Piper and Durov map of groundwater in the study area

由表1可知，区内pH 总体呈中性和弱碱性，第四系潜水含水层pH 范围在6.98～11.74 之间，平均值为7.89，白垩系承压含水层pH 在7.60～9.03 之间，平均值为8.05。研究区内区内整体地下水的TDS 较高，第四系潜水含水层TDS 浓度范围在0.2～19.0 g/L 之间，平均浓度为1.5 g/L，白垩系承压含水层TDS 浓度范围在0.26～15.6 g/L之间，平均浓度为2.9 g/L，可见第四系潜水矿化度较低，白垩系承压水矿化度较高。区域地下水中Cl离子含量较其他阴离子显著偏高，这与区内存在大量盐岩有关，盐岩在地下水径流影响下发生溶解反应，使区域内Cl离子浓度升高。SO4和HCO3离子含量不一，且含量较低，这也与高矿化度地区多为Cl 型水，低矿化度地区多为HCO3或SO4盐型水相符。区内第四系粉砂，白垩系砂岩受地下水溶滤作用，其中的白云石，方解石等溶解出Ca、Mg离子，使区域中形成含量较高的Ca、Mg 离子浓度。Na 离子浓度显著高于Ca、Mg 离子浓度，与区内盐岩的大量溶解有关。

由图2可知，研究区第四系萨拉乌苏组潜水主要为SO4·Cl-Ca·Mg型水。白垩系环河组潜水、微承压水均为SO4·Cl-Ca·Mg型水。这主要是由于地下水径流过程中，盐岩、白云石、方解石发生溶解反应，SO4离子、Cl、离子、Ca 离子等进入地下水中，使区内地下水形成此种类型。区内整体地下水的TDS 较高，约有40%的水样属于淡水，矿化度小于1 g/L；约有21%的水样矿化度在1～2 g/L之间；约有39%的水样属于咸水，矿化度大于2 g/L。

3.2 水文地质概念模型及其数学描述

研究区总面积1 204 km2，自然条件下，潜水与承压水的总径流方向基本一致，总体由南向北径流，根据评价区的初始流场，评价区的南边界西段为补给边界，西边界和东边界南段为排泄边界，南边界东段、东边界北段为地下水流线边界；计算时将含水层的南边界东段、东边界北段设为零流量边界，北边界设为第三类边界。研究区含水层主要包括第四系孔隙潜水含水层和白垩系孔隙裂隙承压含水层。

区内潜水含水层接受大气降水入渗补给、凝结水补给、农灌回归补给，潜水通过蒸发蒸腾排泄，潜水和承压水通过水井开采利用，且多为分散式水井开采地下水，用于农业灌溉，并有马莲滩与衣食梁两个水源地集中开采地下水。

依据上述对研究区内边界条件的概化，能够建立描述区内地下水实际流动的数学模型：

式中：H为地下水位标高，m；K为渗透系数，m/d；Ss为弹性释水率，1/m；μ为给水度；M为含水层厚度，m；x，y，z为坐标变量；t为时间变量，d；h0为地下水初始水位标高，m；W为潜水面垂向交换量（入为正、出为负），m3/(d·m2)；q0为定（零）流量边界的流量，m3/(d·m2)；Qi为第i眼开采井开采量，m3/d；θ为辅助柱坐标变量；n为边界外法线方向；Γ2为第二类边界；Γ3为第三类边界；wi为第i眼开采井的井点位置；K＇为第三类边界处的渗透系数，m/d；L为第三类边界与边界外已知水头位置之间的距离，m；H＇为第三类边界外的已知水头，m；Ω为计算区范围。

3.3 数值模型的建立

采用100 m×100 m 的等间距正交网格对平面区域进行剖分，模拟区范围内均为活动单元，活动单元格数459 200 个，垂向上分为4 层，第1 层、第2 层为第四系孔隙潜水含水层；第3层、第4 层为白垩系环河组孔隙裂隙含水层。模型中用到的参数主要包括：含水层渗透系数、降水入渗补给、模型各层高程及弥散度等。其中渗透系数主要是根据钻孔资料和抽水试验资料进行计算，总体上第四系潜水含水层的渗透系数为0.96 m/d左右，白垩系承压含水层的渗透系数为0.106 m/d，并根据区域内不同地区的富水性而略有差别具体参数分区即为当地水文地质分区。降水入渗补给系数：沙漠区0.4，滩地区0.33，冲洪积平原区0.3，低缓梁岗区0.28，黄土丘陵区0.08，黄土斜坡区0.09。降水入渗补给及蒸发强度按定边站观测的降水量和实测的蒸发强度计算，将上述各项参数代入模型，选取2020年10月份地下水流场作为模型识别验证期的初始流场，通过反复调试水文地质参数，计算与拟合地下水位，使计算区内6 个观测井0B08、OB09、OB10、OB11、OB12、OB14 的计算水位与实际观测水位达到拟合标准，如图3、表2所示。同时将2021年4月份地下水流场作为识别验证期的末刻流场，与模型计算的流场进行比较，最终达到拟合标准。获取的地下水流数值模型水文地质参数作为模型预测的依据。模型运算时，主要用到的模拟包有：降水入渗补给（Recharge）、蒸发蒸腾排泄（Evapotranspira‐tion）、抽水井（Well）、通用水头边界（GHB）、及满足模型运行的基础模拟包。识别验证模型识别期6 个月，预测模型预测时长30年。地下水溶质运移数值模型采用地下水流数值模拟的剖分网格，对地下水溶质运移因子在含水层中的运移路径、运移范围及浓度变化进行模拟预测与分析。利用MODFLOW 内的MT3DMS 模块，采用初始浓度将实测的水质预测因子的离子浓度场加入模型，预测水源地开采30年后评价区内水质预测因子的浓度变化，以评价对水源地地下水水质的影响程度。预测结果表明，随着地下水开采的进行，水源地开采目标含水层即第四系潜水含水层水位下降，形成局部降落漏斗，深层承压水中劣质水体易通过越流补给第四系潜水含水层，造成劣质水体的入侵。根据预测结果流场，绘制水源地承压含水层与潜水含水层水位差等值线图如图4所示。其中无色区域表示承压含水层水位低于潜水含水层，不难看出水源地范围内白垩系承压含水层水位由于水源地开采已普遍高于第四系潜水含水层水位。

图3 模型校正与检验动态曲线图Fig.3 Dynamic graphs of model calibration and validation

图4 水源地承压含水层与潜水含水层水位差等值线图Fig.4 Contour map of water level difference between confined aquifer and unconfined aquifer in water source

表2 观测井实测与计算水位对比表Tab.2 Comparison table of observed and calculated groundwater level of observation well

3.4 地下水溶质运移结果与分析

根据调查取样获得的数据，马莲滩水源地的供水含水层为第四系潜水含水层，绘制当前情况下第四系潜水含水层及白垩系承压含水层Cl 离子浓度等值线图如图5、6 所示，根据定边县自来水公司统计的马莲滩水源地和衣食梁水源地水源井抽水量数据，当前情况下，马莲滩水源地25 口水源井日平均开采量300 m3/d，开采含水层为第四系潜水含水层；衣食梁水源地现用开采井3 口，日平均开采量40 m3/d，开采含水层为白垩系承压含水层。据此进行数值模型的计算。选取区域地下水中浓度最高的Cl离子为例进行溶质运移计算，研究其对马莲滩水源地开采目标含水层水质的影响。马莲滩水源地开采的目标含水层为第四系潜水含水层，开采30年间，马莲滩水源地一带第四系含水层中Cl离子计算浓度变化情况如图9（a）所示。

图5 当前情况下研究区第四系水位等值线图、Cl离子浓度等值线图与采样点位图Fig.5 The quaternary groundwater level isoline map，Cl ion concentration isoline map and sampling point location map of the study area in current situation

图6 当前情况下研究区白垩系水位等值线图、Cl离子浓度等值线图与采样点位图Fig.6 The cretaceous groundwater level isoline map，Cl ion concentration isoline map and sampling point location map in the study area in current conditions

图9 设置帷幕前后马莲滩水源地Cl离子浓度变化图Fig.9 Change diagram of Cl ion concentration in Maliantan groundwater source before and after setting the curtain

模型计算结果表明随着水源地开采的进行，第四系潜水含水层Cl 离子浓度不断升高。这是由于计算区白垩系地层地下水中Cl 离子浓度较高，属于劣质水体，由第四系和白垩系地下水位等值线图可以看出，第四系地下水水位偏低，白垩系地下水水位偏高，且由于开采导致第四系潜水位进一步下降，第四系潜水含水层受到白垩系承压含水层的越流补给。白垩系的劣质水体进入第四系潜水含水层中，使第四系潜水含水层中的Cl离子浓度升高。

同时，通过控制性数值试验，改变马莲滩水源地水源井的单井抽水量来设计不同方案，分别为300 m3/d（目前抽水量），400 m3/d（增加1/3），500 m3/d（增加2/3），200 m3/d（减小1/3），研究开采强度对开采目标含水层，即第四系潜水含水层水质的影响。开采30年末，马莲滩水源地地区四种方案的Cl 离子浓度等值线图分别如图7所示。

图7 不同开采方案马莲滩水源地Cl离子浓度等值线图Fig.7 Isoline map of Cl ion concentration in Maliantan groundwater source area under different exploitation scenarios

统计当前情况及开采30年末，不同方案计算区离子浓度超过某一值的面积，各值的取值分别对应地下水质量标准的V、IV、III、II、I型水的界限值，统计结果如表3所示。

表3 不同开采方案下Cl离子浓度大于某一值的范围及最大浓度统计Tab.3 The range and maximum concentration statistics of Cl ion concentration greater than a certain value under different exploitation scenarios

从表3可以看出，随着开采强度的增大与减小，开采目标含水层中Cl离子浓度也升高或降低，浓度大于各界限值的范围随之增大与减小，需要注意的是，2020年10月份所测研究区水样为开采进行中的水样结果，开采量一直维持在单井300 m3/d 左右，与初始时刻相比，开采30年末，随着单井开采量的升高，Cl离子浓度大于350、250、150、50 mg/L 的面积分别增大0.016、0.303、0.661；0.109、0.566、0.983；0.323、0.586、0.624 km2；对于开采量为单井200 m3/d的情况，由于比当前开采强度低，对区域地下水径流的扰动影响程度降低，所以大于各浓度值的面积总体除50 mg/L 之外，均有所降低，甚至已经不会对水源地造成污染，Cl 离子浓度大于350、250、150 mg/L 的面积分别降低0、0.199、0.068 km2，大于50 mg/L 的面积增大0.57 km2，但不会对水源地造成污染。可见随着开采强度的增大，马莲滩水源地区域地下水中氯化物的含量也随之升高，并且随着开采强度的增大，与当前情况相比浓度大于各值的面积的增大值也有增大的趋势。同时，对于单井开采量200 m3/d 的情况，水源地内Cl 离子最大浓度已达243.2 mg/L，稍微增大开采量，则会使水源地内Cl离子最大浓度超过250 mg/L，对水源地造成污染。

因此，在满足周边地区生产生活用水的前提下，应对水源地抽水井的开采量进行严格控制，目前马莲滩水源地单井抽水量大约为300 m3/d，抽水量大于该值后水源地内超标氯化物面积增大。同时不难看出，即使按照当前的开采强度，开采30年末，氯化物超标的范围已占马莲滩水源地的大部分区域，危及到源地水质安全。所以可以在当前开采量的基础上，适当降低马莲滩水源地开采井的单井开采量，并采取合理措施，加强地下水水质长期观测，为水资源保护及长期可持续开发利用打好基础。

3.5 水源地氯化物超标地段污染防治措施

随着定边县地区的经济社会发展，对居民的生产生活用水提出了更高的要求，在可以预见的未来，如果没有新建的水源地或水源井，马莲滩水源地的单井开采量将会只增不减，假设预测开采30年内，马莲滩水源地的单井开采量依然为300 m3/d，由上文可知，30年末，马莲滩水源地将有部分区域地下水中Cl 离子超标，所以需要采取一定的防治措施，如在水源地周边进行灌浆帷幕，设置水力帷幕等，并采取一定的辅助措施与后续处理。分别在模型中以防渗墙（wall）及注水井（well）的形式在第四系潜水含水层设置灌浆帷幕和水力帷幕，由预测过程中溶质运移的方向来看，马莲滩水源地集中开采区西侧南段是劣质水体入侵水源地的地段，所以在此设置灌浆帷幕与水力帷幕，经过反复调试与比选方案，最终确定下两种帷幕的布设方式，并将两种方式对水源地的保护程度进行比较。灌浆帷幕沿集中开采区西侧界限布设，灌浆深度为第四系含水层厚度，平均90 m 左右，帷幕长度1 500 m；水力帷幕距水源地最西侧开采井距离100～200 m，间隔150 m 左右，共设置注水井6口，单井注水量250 m3/d，注水层位为第四系潜水含水层，注水水质采用纯净水，即水中各离子含量可忽略。开采30年末，两种方式作用下马莲滩水源地Cl 离子等值线图如图7所示。两种灌浆方式与灌浆前Cl离子浓度变化曲线对比如图8所示。

图8 设置帷幕后马莲滩水源地Cl离子浓度等值线图Fig.8 Isoline map of Cl ion concentration in Maliantan groundwater source area after setting the curtain

由图中可以看出，在马莲滩水源地周围添加灌浆帷幕后，开采过程中，水源地观测井中Cl 离子浓度不断升高，开采30年末，水源地中仍有部分区域Cl 离子浓度超标，与不加灌浆帷幕的情况相比，超标范围、Cl离子浓度变化情况基本相同，说明灌浆帷幕并没有起到明显的隔离劣质水体的作用，这也进一步说明了Cl离子的运移方式主要是开采条件下，第四系潜水含水层水位降低，白垩系的劣质水体依靠越流补给第四系潜水，使第四系潜水含水层中Cl离子浓度升高。同时，通过设置注水井的方式在水源地劣质水体与非劣质水体之间添加水力帷幕，开采过程中，水源地观测井中Cl 离子浓度不断降低，开采30年末，水源地内已无Cl离子浓度超标范围，起到了很好的隔绝劣质水体的作用，所以，对于定边地区的水源地保护，可以采取利用水力帷幕的方式。这是由于水源地抽水时会在水源地范围内第四系潜水含水层形成局部降落漏斗，通过增加注水井的方式，可减小降落漏斗的降深，并起到抑制劣质水体越流补给的作用，这同时验证了前文的结果，对于水源地的保护，可以通过控制开采强度的方式，使马莲滩水源地第四系潜水含水层水位升高，从而达到保护水源地的效果。此外，还应该加强对水源地水质的长期观测，也可以附加采用采用化学法、电化学方法或沉淀法等对抽出的超标地下水进行处理，保证居民生产生活用水安全。

4 结 论

（1）根据实地调查取样，并绘制Piper 三线图及Durov 图，可知定边地区第四系萨拉乌苏组潜水主要为SO4·Cl-Ca·Mg 型水，矿化度较低。白垩系环河组潜水、微承压水均为SO4·Cl-Ca·Mg型水，矿化度较高。

（2）开采条件下，第四系萨拉乌苏组潜水水位降低，白垩系环河组地层中的劣质水体通过越流补给第四系潜水，使第四系潜水含水层中地下水水质不断恶化，预测开采30年末，马莲滩水源地的水质安全已经受到危及。随着开采强度的增大，马莲滩水源地劣质水体的面积也随之增大。建议在保证地区生产生活用水的前提下，适当降低当前水源地抽水井的抽水量，以减轻对水源地水质恶化的影响。

（3）通过对灌浆帷幕与水力帷幕两种水源地保护措施进行对比，发现水力帷幕可以更好地起到隔绝劣质水体，保护水源地水质的作用，所以，对于定边地区的水源地保护，可以采取利用水力帷幕的方式。同时应采取其他合理措施，如控制水源地开采强度等，还需要加强地下水水质长期观测，以监测水源地保护效果，为水资源保护及长期可持续开发利用打好基础。