基于數值模擬及可開采系數法的廣花盆地地下水可開采量研究

李 丹， 李志威， 張明珠， 龐 園

(廣州市水務科學研究所， 廣東 廣州 510220)

1 研究背景

廣花盆地是廣州市重要的地下水應急備用水源地[1-2]，同時也是珠江三角洲巖溶塌陷及地面沉降地質災害重點防治區[3]。盆地內自來水暫未全面供給，分散性開采巖溶水的工業及商業機井仍較多，由于不注意合理布局和科學開采，歷史上廣花盆地局部地區誘發了地面沉降、塌陷、地裂縫、房裂等地質問題[4-6]。如何讓這一重要的應急備用水源地在水量和水質上滿足人類社會和生態系統長期穩定發展的需要，且能有效避免地質-生態災害，則需要對地下水資源可持續開發利用問題進行探討。

國內學者對廣花盆地開展過地面塌陷成因、特征、形成機理、風險評估、監測設計與防治方面[3-8]以及水質評價及趨勢[1-2]的研究，然而尚未對廣花盆地地下水可開采量進行計算及預測，不利于實現地下水資源可持續開發利用。

地下水系統的狀態隨著水文氣象、開采強度、開采地段和開采層位等因素的變化而變化，因此確定地下水合理開采量，關鍵是要選擇能夠真實客觀地反映近期地下水資源狀況的開采量。國內諸多學者使用數值模擬的方法計算不同研究區的地下水可開采量，并通過模擬研究區按照設計開采量進行開采時地下水水位的變動規律、降落漏斗的發展，論證設計開采量的可行性[9-13]。本文使用數值模擬及開采系數法計算廣花盆地的可開采量，兩種方法相互驗證，論證設計開采量的合理性。本文可為實施地表水-地下水聯合開發提供基礎技術支持，對實現地下水高效利用與可持續發展、保障廣州市供水安全、改善環境地質問題具有重要意義。

2 研究區概況

廣花盆地的地理范圍為北緯23°00′～23°30′，東經 112°57′～113°26′，北高南低，面積約858 km2，以平原為主，臺地和丘陵次之。地下水可分為松散巖類孔隙水、巖溶水、基巖裂隙水3大類。

大氣降雨是研究區地下水補給的主要來源。平原區除主要接受大氣降雨的入滲補給外，還接受地表水入滲、灌溉入滲、潮水頂托反補給、基巖山區及丘陵臺地地下水的側向補給。基巖山區及丘陵臺地的地下水主要接受大氣降雨的入滲補給，山塘、水庫及渠道等對其入滲補給的規模較小。

總體上研究區地下水從北向南流動。外圍丘陵山區一般地勢較高，淺部基巖裂隙水獲得補給后經過短暫的徑流，便以泉或滲流形式排入附近的溪流；深層地下水則通過斷層和裂隙向廣花盆地匯流。

丘陵山區基巖裂隙水多以泉或滲流形式向溝谷排泄。江村-龍歸一線以北由于地下水位高于河水位，孔隙水和巖溶水主要向河流排泄。江村-龍歸一線以南地區地勢平坦，河涌較發育，豐水期由于地下水位埋深淺，地下水受潮水頂托影響，使地表水與地下水之間呈一定互補關系；枯水期地下水位埋深較深，地下水接受河涌水的入滲補給。此外，地下水的排泄方式還有開采和地表蒸發等。

21世紀60至80年代期間，廣花盆地城鎮供水地下水所占比例很高，農村用水及灌溉用水大量使用地下水，采石場抽取地下水特別突出，建立了江村、肖崗、石井、新市、新華、雅瑤等多個水源地。

3 概念模型

3.1 模型邊界

第四系含水層北部和東部邊界為平原和山區分界線，山前第四系的孔隙介質富水性好，容易接受山區降水潛流形式的側向補給，模型中將該邊界設為給定流量邊界；研究區西部邊界是蘆苞涌和白坭河，河流與潛水有較好的水力聯系，模型中將該邊界設為給定水頭邊界；地勢北高南低，通過地下水流場判斷南部為流量流出邊界，其他實測資料缺乏的邊界概化為通用水頭邊界。

巖溶含水層是模擬區主要的集中開采層，補給主要通過第一含水層越流補給，小塊巖溶出露地區接受降水補給，南部邊界為地下水流出邊界，不同時期地下水等水位線表明，巖溶層在不同年份和季節，存在著地下水的流出，由于廣花盆地三面被斷裂包圍，而且兩側多為基巖，或兩側大部分地層不銜接，設定為隔水邊界。模擬范圍及地下水水位觀測井分布情況見圖1。

潛水的自由水面為系統的頂部邊界，地下水主要以垂直運動為主，第四系和淺層巖溶地下水水力聯系比較密切。鉆孔揭露巖溶層底板以下巖溶水流動緩慢，幾乎沒有地下水的開采，因此將鉆孔打到的位置作為本次數值模型的底部邊界。

3.2 模型結構

依據研究區內水文地質勘察成果(主要為開采井及觀測井的鉆探成果)將整個含水系統自上而下分為3層，第1層是潛水含水層，主要的巖性為素填土及細砂等，其底板標高在-30～35 m之間；第2層為相對隔水層，主要巖性為粉質黏土，其底板標高在-50～25 m之間；第3層為巖溶含水層，主要巖性為碳酸鹽巖，其底板標高在-100～- 50 m之間。

圖1 模擬范圍及觀測井分布圖

3.3 水文地質參數

潛水層水文地質參數按照巖性的不同共劃分為8個參數區，在河流及其支流的兩側以及沖洪積扇中上部由于巖性主要是粗砂和礫石，故滲透系數K取值范圍為4～50 m/d，河道中下游逐漸過渡到細砂，中下部地區K取值較小，給水度取值范圍為0.02～0.2。第四系弱透水層水文地質參數按照巖性的不同共劃分為6個參數分區，滲透系數取值范圍為0.014～3 m/d，彈性釋水系數取值范圍為1×10-5～3×10-4。巖溶含水層水文地質參數根據抽水試驗的結果，用GIS建立泰森多邊形，其滲透系數取值范圍為0.03～123 m/d，彈性釋水系數取值范圍為1×10-5～3×10-4。

3.4 源匯項

研究區的補給項主要包括降水入滲補給、河流與水庫入滲補給和灌溉入滲補給。降水入滲補給是主要的補給來源，河流補給以及灌溉入滲補給較小。排泄項主要有泉、地下水開采、蒸發、側向排泄，其中地下水開采是主要的排泄方式，根據研究區內的工廠和農田布局情況，結合計算需要，做如下概化：工業區主要集中在盆地南部區域，主要開采巖溶承壓水，因此均勻布設部分承壓水開采井和一定數量的潛水開采量。

4 數學模型

4.1 數學模型的建立

巖溶發育的不連續性、非均勻性和各向異性，加之實際勘探資料的制約，使得巖溶地下水建模成為巖溶水研究的難點和熱點。廣花盆地的含水巖組主要是可溶性的碳酸鹽巖，水流運動理論上是不符合達西定律的，但是盆地的巖溶發育相對比較均勻，因此仍應用等效多孔介質數值模擬模型分析廣花盆地的地下水流運動。該方法基于達西流假設和典型單元體的概念，用等效水力參數表征含水介質滲透特性。大量的實例表明，以巖溶地下水系統水資源調查評價為目的，利用等效介質方法模擬巖溶裂隙含水介質是有效可行的。MODFLOW、FEFLOW、GMS等基于連續孔隙介質的模擬軟件，已有很多成功應用案例。

從空間上看，地下水流整體上以淺層垂向運動與深層水平運動相交替為特征流動，為了用模型分析不同開采條件下含水層之間的互動，在水文地質概念模型基礎上，建立潛水和承壓水水流數值模型。本研究采用地下水模擬系統GMS。對研究區進行水平剖分，研究區被剖分為160行、160列，共計有4 462個有效單元。模擬期為2011年4月至2013年3月。根據觀測井的水位資料，確定本次數值模擬的初始流場。由于第四系和下伏巖溶層有密切的水力聯系，監測資料也表明潛水水位和巖溶層的水位在前汛期的4月基本一致，故主要觀察巖溶地下水初始流場(圖2)。

圖2 巖溶含水層初始流場圖

4.2 模型的校正與驗證

采用等效多孔介質單一連續方法的關鍵是確定等效的水力參數。本文使用手工校準(正向校準)進行水流模型的校準，即手工調節各參數，直到模擬結果(地下水流場、地下水水位的變化趨勢、邊界條件、水文地質參數和含水層結構)與實地觀測值基本一致[14-16]。反復調參后得到比較理想的模型校正結果。模擬時間總共730 d，分別計算第60、180、540和730 d的標準化殘差均方根，分別為4.996%、4.043%、6.517%、6.787%。將第60、180、540和730 d的不同觀測井的地下水水位計算值與觀測值進行對比(圖3)，計算值與觀測值總體分布在y=x線兩側，表明觀測井的觀測值與計算值相差較小，地下水位的擬合程度較高。圖4為地下水水位等值線擬合圖，從圖4可以看出，所建立模型總體反映了模擬區的實際情況，模型經校準得到的地下水流場與實際流場基本上一致，地下水水位模擬值與實測值的動態變化過程基本吻合。研究區地下水流場分布與地形趨勢一致，自東北向西南，地下水位呈遞減趨勢。3口代表性觀測孔(A1-12、A1-47和A1-23)的水位擬合過程線分別見圖5～7，觀測值總體分布在計算值附近，擬合效果較好。因此，所建立模型總體反映了研究區的實際情況，可用于地下水資源計算與預測。

圖3地下水水位計算值與觀測值對比圖4地下水水位等值線擬合圖(單位：m)

圖5 A1-12觀測井擬合曲線圖6 A1- 47觀測井擬合曲線圖7 A1-23觀測井擬合曲線

5 可開采量計算結果

5.1 數值模型法

盆地內巖溶含水層大部分為埋藏型，上覆厚度約5～25 m的第四系松散沉積物，屬于巖溶塌陷易發區。地下水的運動會使覆蓋層土體的力學性質發生改變，一般認為抽取地下水引起塌陷的水位約束值與抽水井所在地區的土層厚度相對，即水位降深以不超過巖溶含水層頂板為宜。廣花盆地地下水水位至少高于第一含水層底板5 m，因此取降深5 m作為巖溶含水層抽取水量的約束條件。《廣東省地下水保護與利用規劃》表明，在巖溶覆蓋區由于大幅度抽取地下水易引起地面塌陷，而控制開采水位降深則是避免大面積、大幅度塌陷的主要措施，開采水位降深宜控制在5～8 m 以內。因此本文確定巖溶開采水位降深最大值為5 m。

可開采量是在不大于該開采強度條件下，預測時段內的地下水平均水位能保持在安全開采水位降深之內。以此為基礎，以降深為5m的水位約束條件對模擬區未來5年(2015年9月至2020年9月)地下水可開采量進行模擬預測。

在規劃的開采條件下模擬末期研究區含水層流場結果(圖8)顯示，2020年廣花盆地中心城區出現明顯的降落漏斗區域，降落漏斗中心的水位均控制在給定的降深內，并且漏斗的中心是廣花盆地開采井最密集的區域，由此可見供水水源地集中開采地下水是引起地下水水位降落漏斗空間位置變化的主要影響因素。圖9為模擬期3個觀測井水位過程線，由圖9可知，中心城區附近的觀測井(A1-22和A1-25)的水位隨著時間逐漸降低，但是降低的幅度在減小，最大降深約為4 m，偏遠地區的監測井(A1-40)的水位變化幅度不大。

圖8 研究區2020年9月模擬流場圖

中心城區降深最大的開采井的水位預測如圖10所示。隨著開采井運行，水位開始下降，在3月份水位達到最小值，這時控制水位降深最小，為0.3 m，從4月開始地下水水位開始回升，控制水位降深也逐漸增大，直到9月份達到峰值。10月至次年3月，地下水水位又持續下降，之后又上升，如此循環，2016年9月水位降深達到最大值2.36 m。通過不斷的調節抽水井的抽水強度，使預測時段內的地下水平均降深能保持在安全開采水位降深之內，模型計算得到的地下水允許開采量為12 997.78×104m3。

圖9 模擬期3個觀測井水位過程線

圖10 中心城區觀測井水位降深變化過程線

5.2 可開采系數法

廣花盆地地下水資源量采用補給量法計算。

降水入滲補給量的計算公式為：

Q降=F·α·P

(1)

式中：F為可入滲面面積，m2，將研究區離散為若干1 km2的單元格，參與計算的各單元格面積是指該單元格扣除遙感解譯得到的地表水系和硬化地面部分后的剩余面積；P為降水量，m，將降水量插值到研究區每一個單元格內；α為降水入滲補給系數，將每一個自動監測井的年內數據，繪制成表，選取次降水強度較大的若干場次降水，劃定對應次降水時段的地下水水位增幅，根據公式(2)求取土壤的降水入滲補給系數。

α=μ· (∑ΔH)/P次

(2)

式中：μ為水位變動帶含水層給水度；ΔH為次降水造成的水位增幅，m；P次為引起該水位增幅對應時段的次降水量，m。

灌溉入滲補給量的計算公式為：

Q灌=15a0·m·fg

(3)

式中：a0為灌溉入滲補給系數，農作物a0值為0.157，園林作物a0值為0.12；m為廣州市灌溉定額量，m3/hm2；fg為灌溉面積，hm2。

平原區的山前側向補給量計算公式為：

Q側補=K·I·L·B

(4)

式中：Q側補為山前側向流出量，m3/d；K為剖面位置的滲透系數，m/d；I為垂直于剖面的水力坡度；L為山丘平原界線的長度，m；B為剖面含水層厚度，m。

補給量采用達西公式計算：

Q河補=K·I·L·B

(5)

式中：Q河補為單側河道側向補給量，m3/d；K為剖面位置的滲透系數，m/d，通過鉆孔抽水試驗成果插值確定；L為河段長度，m；B為計算剖面厚度，m，通過鉆孔抽水試驗成果插值確定；I為垂直于剖面的水力坡度。

經計算，盆地內白坭河、新街河、天馬河的側向補給量較大，分別為1 075.31×104、579.13×104、279.43×104m3。此外，盆地內流溪河段、珠江(西航道)段側向補給量分別為136.82×104、6.76×104m3。區內河道側向補給量共計2 077.45×104m3。

利用補給系數法計算湖、庫、渠的入滲補給不僅需要確定入滲面積，還需判別其水位與地下水水位之間的大小關系。計算方法為：

Q湖庫渠=F·I·ψ，I>0

(6)

式中：Q湖庫渠為湖、庫、渠及微小支流對地下水的補給，m3/a；F為計算單元格內納入計算的湖、庫、渠面積，m2；I為計算單元格與周邊含水層之間的平均水力坡度；ψ為單位水力坡度的滲漏補給系數，m/a，本次計算中將區內水系劃分為主要河道和湖、庫、渠及微小支流，并分別計算其與地下水之間的補排量，事實上這種劃分并沒有嚴格的界定方法，人為主觀因素明顯。因此，對于河道側向補給量，依據公式(5)與公式(6)的計算結果應較為一致。通過試算，當ψ=1.1 m/a時，兩者結果基本一致。由此確定單位水力坡度的滲漏補給系數為1.1 m/a。

經計算，廣花盆地各補給項結果見表1。表1中地下水資源量的計算公式為：

Q平=Q降+Q灌+Q河+Q湖庫渠+Q山前

(7)

式中：Q平為平原區的地下水資源量，104m3；Q降為降水入滲補給量，104m3；Q灌為灌溉入滲補給量，104m3；Q河為河道側向補給量，104m3；Q湖庫渠為湖、庫、渠滲漏補給量，104m3；Q山前為山前側向補給量，104m3。則廣花盆地地下水資源量為18 972.99×104m3。

表1 廣花盆地地下水資源量計算結果 104 m3

本文根據1∶100000比例尺區域水文地質圖資料確定廣花盆地各計算單元的富水性，按各級富水性相對應的可開采系數范圍，結合開采條件、抽水試驗成果及實際開采量，確定可開采系數如表2所示。經計算，廣花盆地地下水可開采量為14015.09×104m3。

表2 廣花盆地可開采系數表

6 結論與建議

6.1 結 論

(1)本文運用水文地質知識分析數據資料，按照規范化的建模流程(GMS)構建了廣州市廣花盆地的地下水水流模型。結果表明，該模型可為廣花盆地提供合理的地下水水流模擬結果，能揭示地下水流動規律，可用于地下水資源計算與預測。

(2)采用補給量法計算廣花盆地的地下水資源量為18 972.99×104m3，結合廣州市地下水基礎資料條件，考慮開采條件、實際開采現狀和地下水資源狀況等因素，采用可開采系數法計算廣花盆地地下水可開采量為14 015.10×104m3；以可開采水位最大降深5 m作為巖溶含水層抽取水量的約束條件，采用數值模型計算的地下水可開采量為12 997.78×104m3，兩種方法計算的結果相對誤差為7.3%，兩種方法相互驗證，表明本文可開采量計算結果較為可靠。

6.2 建 議

(1)結合已有的地下水工作成果及廣花盆地水文地質條件，進行地下水超采區劃定及評價。

(2)提出廣花盆地應急水源地的開采控制目標及措施：

廣花盆地巖溶地下水區一般情況下嚴禁開采、嚴格保護，但在啟動應急預案或專供水明顯不足時，并經論證不會產生環境地質問題的前提條件下，可適量開采。該目標與《廣東省地下水功能區劃》關于應急水源地管理目標相一致。

除應急備用水、礦泉水、地熱水等對水溫、水質有特殊要求的地下水外，不再批準抽取地下水取水許可申請。水行政主管部門對批準的地熱水、礦泉水取水工程應核定地下水開采量和年度用水計劃；對已批準的地下水為自備水源的取水戶，要實行計劃用水，采取相關節水措施，逐年核減地下水開采量。

對于在城市供水管網覆蓋區域內，新建、改建或擴建工程項目自備取水設施取用地下水的申請不予批準。市區各自備水源單位原持有取水許可證到期后，城市公共供水管網能滿足用水需求的，不再辦理續證手續，不得再開采地下水。在公共供水管網未覆蓋區域內，建設單位應經建設項目水資源論證、取水許可獲得批準后，方可興建地下水取水工程或者設施。

(3)加強地下水動態觀測，逐步構建地下水水位、水溫和水質的自動監測、信息共享及預警預報體系。