馬鞍山市地下水水源地應(yīng)急供水水流模擬研究

吳志偉，李宗春，王海龍

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán) 浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012;2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210001)

供水水資源安全[1]是目前多數(shù)城市面臨的難題之一。城市供水不僅要保障常規(guī)供水，還要考慮非常態(tài)供水危機(jī)的可能性并做好充分的準(zhǔn)備[2-3]。2005年的松花江化學(xué)毒液泄露事件、2007年的太湖藍(lán)藻事件、2009年西南5省的世紀(jì)旱災(zāi)、2014年的蘭州水污染事件都暴露了城市供水安全的脆弱性[4]。進(jìn)行城市供水應(yīng)急水源地勘查，提高城市在自然連續(xù)干旱年及遭遇突發(fā)事件影響時(shí)的應(yīng)對(duì)能力，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定，保證城市供水安全，都有重要的意義[5]。

馬鞍山市現(xiàn)有飲用水取水水源為長(zhǎng)江，同時(shí)長(zhǎng)江又承擔(dān)著航運(yùn)、納污，承泄船只通航、各類陸地水體排放等功能，存在因突發(fā)性水質(zhì)污染導(dǎo)致無(wú)法取用的可能性。為提高馬鞍山市飲用水供水的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，需開(kāi)展地下水應(yīng)急供水水源地規(guī)劃和勘察。

現(xiàn)有城市地下水水源地研究多是定性評(píng)估應(yīng)急供水水源地建設(shè)的必要性和可行性[6-8]，少見(jiàn)定量化的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。鄭州航空港應(yīng)急水源評(píng)價(jià)[9]采用Processing Modflow建立地下水水流數(shù)值模型，預(yù)測(cè)不同開(kāi)采條件下的地下水系統(tǒng)響應(yīng)；南昌市突發(fā)性應(yīng)急供水水源地?cái)?shù)值模擬[10]為水源地選擇提供了參考。地下水水源地的水環(huán)境相對(duì)更加脆弱[11]。前述研究主要是采用數(shù)值模擬的方法評(píng)價(jià)應(yīng)急水源地在疏干開(kāi)采條件下的保障能力。

本文根據(jù)馬鞍山市區(qū)域水文地質(zhì)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)勘察，概化區(qū)域水文地質(zhì)模型，采用GMS軟件進(jìn)行應(yīng)急開(kāi)采條件下的地下水滲流場(chǎng)模擬預(yù)測(cè)，為馬鞍山市應(yīng)急水源地的規(guī)劃選址提供參考。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

馬鞍山市具有供水意義的含水層主要分布在長(zhǎng)江沿岸，集中在江心洲區(qū)域。馬鞍山市遠(yuǎn)水文地質(zhì)圖如圖1所示[12]。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖

各分區(qū)水文地質(zhì)條件如下：

(1) 崗地坡積平原(Ⅱ-1區(qū))：該區(qū)主要分布于崗地和階地平原，堆積物厚度一般3 m～5 m，最大可達(dá)20 m以上。層位穩(wěn)定多呈扇形，樹(shù)枝狀展布。崗地含水介質(zhì)以下蜀組及戚家磯組巖層為主，下蜀組巖性為棕黃色粉質(zhì)黏土含少量鐵錳結(jié)核，垂直節(jié)理發(fā)育，具多孔狀構(gòu)造，底部常見(jiàn)砂礫層，戚家磯組上部為棕黃色網(wǎng)紋狀黏土，下部為含礫黏土；階地平原含水介質(zhì)以蕪湖組地層為主，巖性為灰色黏土質(zhì)粉砂、粉砂夾粉質(zhì)黏土、黏土，局部互層，可見(jiàn)水平細(xì)紋層。局部含有黑色泥炭層。該區(qū)為弱孔隙潛水含水層，主要接受大氣降水補(bǔ)給，富水性一般小于10 m3/d，局部崗地與河谷交替帶富水性較好，單井涌水量可達(dá)50 m3/d。

(2) 湖沖積平原(Ⅱ-2區(qū))：該區(qū)主要分布于南部及東南部，是由孔隙潛水、承壓水組成的雙層含水巖系統(tǒng)。遠(yuǎn)離本次研究區(qū)。

(3) 濱江沖積平原(Ⅱ-3區(qū))：該區(qū)主要分布于長(zhǎng)江沿岸，為混合型含水巖組，呈不對(duì)稱性葫蘆狀展布，南寬北窄。上部含水層為蕪湖組粉質(zhì)黏土層，下部含水層巖性為古長(zhǎng)江河床相沉積物含礫砂層，呈灰、灰白色，結(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，分選性好，礫石磨圓度可達(dá)2級(jí)～3級(jí)。其顆粒級(jí)配變化規(guī)律明顯，橫向上由河床由粗至細(xì)，縱向上因上下游距離較近，無(wú)甚變化。在近長(zhǎng)江處，上下兩個(gè)含水層的相對(duì)隔水層逐漸尖滅，混為一體，存在水力聯(lián)系，水位變化不大。該層主要受長(zhǎng)江水入滲補(bǔ)給，大氣降水補(bǔ)給次之，富水性較好，單井涌水量可達(dá)2 500 m3/d。

研究區(qū)典型水文地質(zhì)剖面如圖2所示。

2 地下水流數(shù)值模型

2.1 調(diào)查區(qū)范圍

根據(jù)場(chǎng)地地下水水文地質(zhì)條件調(diào)查成果[12]，區(qū)域內(nèi)地下水整體上由南向北流動(dòng)，擬定的水源地布置在濱江沖積平原(Ⅱ-3區(qū))，故設(shè)定Ⅱ-3區(qū)為計(jì)算區(qū)域，如圖3所示。上部潛水與下部承壓水在江邊因隔水層的尖滅混合，使上下兩個(gè)含水層水力聯(lián)系緊密，故以淺層含水層、深層含水層區(qū)分上下兩層含水層。

A-B邊界為濱江沖積平原(Ⅱ-3區(qū))和崗地坡積平原(Ⅱ-1區(qū))的界線，存在少量水量交換，概化為流量邊界，C-D邊界垂直于調(diào)查得到的等水位線；B-C邊界大致與調(diào)查的地下水等水位線平行，D-A邊界為西長(zhǎng)江水道，東長(zhǎng)江水道自江心洲西側(cè)通過(guò)。模擬計(jì)算區(qū)域面積約為150.7 km2。

圖2 典型水文地質(zhì)剖面圖

圖3 水文地質(zhì)模型計(jì)算區(qū)域

2.2 水文地質(zhì)概念模型

(1) 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。在5月—10月，長(zhǎng)江水位高于地下水水位，此時(shí)主要接受長(zhǎng)江水反補(bǔ)，大氣降水入滲次之。在11月—次年4月，長(zhǎng)江水位低于地下水水位，此時(shí)地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，向長(zhǎng)江排泄。且地下水流向由南往北，與該處長(zhǎng)江流向一致。

深層地下水含水層上覆一層5 m～20 m厚亞黏土，作為與上層淺層含水層的相對(duì)隔水層。該隔水層分布差異較大，在長(zhǎng)江南岸厚度大，含砂量較小，隔水效果較好。在江心洲厚度小，且含砂量大，局部缺失，隔水效果差。該含水層巖性為古長(zhǎng)江河床相沉積物含礫砂層，巖組厚度及層位變化較大，主要含水巖組不均一，為簡(jiǎn)化分析，在數(shù)值模擬時(shí)將其概化為均質(zhì)各向同性的承壓含水層。

深層地下水下覆基巖為侏羅系大王山組凝灰?guī)r及三疊系黃馬青組粉砂巖，基巖完整性較好，因基巖透水性較松散層相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故基巖作為本次深層地下水含水層的隔水底板。

上下含水層存在密切的水力聯(lián)系，具有統(tǒng)一的地下水位，地質(zhì)建模時(shí)按區(qū)域內(nèi)25個(gè)鉆孔揭露的地層情況進(jìn)行地層厚度的插值概化。對(duì)實(shí)測(cè)水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行厚度加權(quán)平均，得到概化的均質(zhì)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

(2) 地下水水動(dòng)力條件。模擬區(qū)地下水以大氣降水、地表水體入滲和地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給為主要補(bǔ)給來(lái)源，同時(shí)，農(nóng)田灌溉滲漏也是區(qū)域含水層的重要補(bǔ)給水源。

地下水水位埋深較淺，蒸發(fā)、枯水期補(bǔ)給地表水及下游徑流為主要排泄方式，同時(shí)農(nóng)業(yè)用水也開(kāi)采一定數(shù)量的地下水。上述大氣降水入滲及蒸發(fā)排泄以實(shí)測(cè)氣象資料作為模型輸入，并結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)行折減。

(3) 邊界條件概化。根據(jù)調(diào)查的等水位線，A-B邊界與鄰近水文地質(zhì)分區(qū)存在水量交換，概化為流量邊界、C-D邊界垂直于調(diào)查得到的地下水等水位線，模型中可以處理為零流量邊界；B-C邊界為地下水補(bǔ)給邊界，概化為流量邊界。D-A邊界受地表水影響，按長(zhǎng)江水位波動(dòng)，可概化為水頭邊界。

模擬區(qū)的上部邊界為淺層含水層面，為水量交換邊界，接受大氣降水入滲、淺層地下水蒸發(fā)等；同時(shí)模擬區(qū)域內(nèi)有東長(zhǎng)江水道，和區(qū)域地下水存在水量交換，可概化為河流邊界。承壓含水層底部為基巖，透水層差，下部可概化為隔水邊界。

2.3 數(shù)學(xué)模型的建立與求解

根據(jù)上述的水文地質(zhì)概念模型，可建立模擬區(qū)的非均質(zhì)、各向同性、三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，用如下微分方程的定解問(wèn)題來(lái)描述：

(1)

式中：Ω為模擬滲流區(qū)域；K為滲透系數(shù),m/d；H為模擬滲流區(qū)內(nèi)的水頭分布,m；μ為重力給水度；μs承壓含水層的貯水率,1/m；p為淺層含水層面上的降水入滲和蒸發(fā),m/d；H0為初始時(shí)刻的水頭分布,m;Γ0為模擬滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ2為模擬滲流區(qū)域的第二類邊界；q為第二類邊界上的水分通量,m2/d；n為邊界上的外法線方向；W為源匯項(xiàng)，單位時(shí)間單位體積流入或流出的水體積,m3/d。

上述數(shù)學(xué)模型包括偏微分方程、初始條件和一類、二類邊界條件，共同組成定解問(wèn)題，可應(yīng)用三維有限差分法，將該數(shù)學(xué)模型離散為有限差分方程組，采用GMS軟件中的MODFLOW模塊[13-15]進(jìn)行求解。

本場(chǎng)地進(jìn)行了7組抽水試驗(yàn)，建模過(guò)程中根據(jù)水文地質(zhì)勘察成果，結(jié)合地形地貌、地下水流場(chǎng)特征、抽水試驗(yàn)成果及工程經(jīng)驗(yàn)，給出本次評(píng)價(jià)所概化的含水層的水文地質(zhì)參數(shù)初值，然后通過(guò)模型識(shí)別來(lái)確定實(shí)際的參數(shù)取值。水平滲透系數(shù)(Kv)按抽水試驗(yàn)成果確定，垂向滲透系數(shù)(Kh)按水平滲透系數(shù)的1/10取值。淺層含水層給水度(μ)及深層地下水含水層彈性釋水系數(shù)(μ*)，有效孔隙度(n)，大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(α)，淺層含水層蒸發(fā)系數(shù)(C年)，長(zhǎng)江水道底部土層的垂向滲透系數(shù)(K河)均根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定初值。

模型識(shí)別的模擬期為2018年4月20日—2018年8月30日，共計(jì)134 d，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 d。通過(guò)調(diào)整參數(shù)，使模擬的滲流場(chǎng)和實(shí)測(cè)滲流場(chǎng)達(dá)到很好的擬合，如圖4所示。調(diào)整參數(shù)后的水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

圖4 模型識(shí)別水位擬合圖(2018年8月30日)

3 應(yīng)急水源地開(kāi)采預(yù)測(cè)

3.1 開(kāi)采規(guī)模與抽水井布置

根據(jù)規(guī)范[16]確定緊急狀態(tài)下居民基本生活日用水量為55 L/人·d，馬鞍山市城鎮(zhèn)人口到2035年預(yù)計(jì)達(dá)到276萬(wàn)人，因此確定后備供水量為15萬(wàn)m3/d。預(yù)計(jì)布設(shè)75口水井，每口井抽水2 000 m3/d，管井均布設(shè)于深層地下水含水層。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

采用分散布設(shè)，利用已存在的水井，分為6個(gè)區(qū)域開(kāi)采，相鄰兩口水井間距100 m，6個(gè)開(kāi)采區(qū)域水井?dāng)?shù)量如表2所示。

表2 擬設(shè)抽水井情況

3.2 開(kāi)采預(yù)測(cè)方案

抽水階段：采用前述水文地質(zhì)數(shù)值模型，單井出水量設(shè)置為2 000 m3/d，分別預(yù)測(cè)應(yīng)急開(kāi)采后7 d、14 d、30 d、90 d和365 d的地下水位。

水位恢復(fù)階段：以抽水90 d后的場(chǎng)地水文地質(zhì)條件為初始條件，所有抽水井停止抽水，預(yù)測(cè)水位恢復(fù)14 d的降落漏斗恢復(fù)情況。

3.3 應(yīng)急開(kāi)采條件下滲流場(chǎng)的響應(yīng)

根據(jù)模型預(yù)測(cè)可知，開(kāi)采90 d后，降落漏斗以水源地集中抽水井為中心擴(kuò)散，中心水位降深最大，邊緣過(guò)渡到原始地下水位，由于抽水時(shí)間長(zhǎng)，抽水量大，該工況下降落漏斗半徑較大(見(jiàn)圖5)。擬選新錦村水源地降落漏斗半徑為500 m～860 m，降落漏斗中心最大降深約為0.13 m，降落漏斗中心地下水埋深為1.67 m。擬選普集村水源地降落漏斗半徑為1 300 m～1 450 m，降落漏斗中心最大降深約為2.56 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.80 m。擬選金家村水源地降落漏斗半徑為1 350 m～1 750 m，降落漏斗中心最大降深約為2.15 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.01 m。擬選胡莊水源地降落漏斗半徑為1 120 m～1 350 m，降落漏斗中心最大降深約為3.47 m，降落漏斗中心地下水埋深為5.95 m。擬選花園村水源地降落漏斗半徑為830 m～1 200 m，降落漏斗中心最大降深約為1.69 m，降落漏斗中心地下水埋深為2.98 m。擬選秦河村水源地降落漏斗半徑為900 m至1 160 m，降落漏斗中心最大降深約為2.76 m，降落漏斗中心地下水埋深為4.89 m。

圖5 抽水90 d后模擬區(qū)地下水等水位線

各水源地應(yīng)急開(kāi)采7 d、14 d、30 d、90 d和365 d的過(guò)程中，水源地周圍降落漏斗中心降深逐漸增大，胡莊和秦河村水源地由于含水層相對(duì)較薄，遠(yuǎn)離區(qū)域主要的補(bǔ)給水源(長(zhǎng)江)，供水能力較差，降落漏斗中心埋深最大，新錦村靠近長(zhǎng)江，抽水井?dāng)?shù)量相對(duì)較少，降落漏斗中心埋深最小(見(jiàn)圖6)。經(jīng)過(guò)365 d抽水，區(qū)域降落漏斗最大降深達(dá)4.61 m，降落漏斗最大半徑達(dá)3 000 m，延伸至長(zhǎng)江邊。總體上由于江心洲附近地下水含水層厚度在10 m以上，透水性較好，應(yīng)急供水具有一定的可靠性。

圖6 抽水后水源地降落漏斗降深(單位:m)

3.4 水位恢復(fù)過(guò)程

以開(kāi)采90 d后的水位為初始流場(chǎng)，假定停止抽水，進(jìn)行自然流場(chǎng)的水位恢復(fù)過(guò)程模擬預(yù)測(cè)，各水源地的中心水位恢復(fù)過(guò)程曲線如圖7所示。降落漏斗中心水位抬升在0.51 m～1.20 m之間，普集村水源地恢復(fù)高度最大，花園村水源地恢復(fù)高度最小，注意到區(qū)域降落漏斗的水位恢復(fù)過(guò)程比較緩慢。

圖7 水位恢復(fù)曲線

4 結(jié)論與討論

(1) 馬鞍山濱江沖積平原(Ⅱ-3區(qū))為混合型含水巖組，上部含水層為蕪湖組粉質(zhì)黏土層，下部為古長(zhǎng)江河床相沉積物含礫砂層。上下含水層存在密切的水力聯(lián)系，具有統(tǒng)一的地下水位，根據(jù)水文地質(zhì)勘察成果建立了區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模擬模型。采用該模型模擬了應(yīng)急開(kāi)采條件下的地下水流動(dòng)態(tài)，為馬鞍山市應(yīng)急水源地的規(guī)劃選址提供了參考。

(2) 各水源地應(yīng)急開(kāi)采過(guò)程中，水源地周圍降落漏斗中心降深逐漸增大，胡莊和秦河村水源地由于含水層相對(duì)較薄，遠(yuǎn)離區(qū)域主要的補(bǔ)給水源(長(zhǎng)江)，供水能力較差，降落漏斗中心埋深最大，新錦村靠近長(zhǎng)江，抽水井?dāng)?shù)量相對(duì)較少，降落漏斗中心埋深最小。經(jīng)過(guò)365 d抽水，區(qū)域降落漏斗最大降深達(dá)4.61 m，降落漏斗最大半徑達(dá)3 000 m，延伸至長(zhǎng)江邊。總體上由于江心洲附近地下水含水層厚度在10 m以上，透水性較好，應(yīng)急供水具有一定的可靠性。但是在區(qū)域分布上，要選擇含水層厚度大，補(bǔ)給可靠的區(qū)域。

(3) 本文僅考慮了應(yīng)急供水條件下的水量保證情況，應(yīng)急水源地的設(shè)置還需要考慮地下水水質(zhì)變化，地面沉降等次生災(zāi)害及經(jīng)濟(jì)性因素。