基于区域模型的黄土丘陵沟壑区非完整岩溶水系统地下水资源评价

基于区域模型的黄土丘陵沟壑区非完整岩溶水系统地下水资源评价

1建立桥桥岩溶地下水流场及动态模型京昌岩是陕北能源化工基地最重要的水源之一。20世纪80年代以来,地质、煤炭、水电等部门在该地区进行了大量的地质、水文地质工作,提交了相应的勘查研究成果,由于工作目的不同,其研究精度和范围各异。随着陕北能源化工基地的建设和发展对水资源需求的增加,以往的勘查和研究成果已经不能回答以下的关键问题。(1)区域天桥岩溶水系统由天桥、龙口和老牛湾3个岩溶泉域构成,为泉排型岩溶地下水系统。那么在天然条件下有多少岩溶水通过天桥泉域排泄?在陕北能源化工基地开采岩溶水能否袭夺龙口和老牛湾泉域的补给?(2)万家寨水库的建成和蓄水改变了天桥泉域局部岩溶水循环的条件,可增加多少岩溶水补给量和可采资源量,陕北能源化工基地岩溶水可采资源能增加多少?(3)在黄河西岸为陕北能源化工基地相继勘探的天桥、浪湾、清水川等岩溶水源地的可开采量是多少?各水源地长期开采,地下水流场和动态的变化趋势如何?什么样的开发利用方案更科学合理,保障程度如何?(4)在大尺度区域地下水模拟的基础上,对小尺度区域(各水源地)如何重点刻画,在大尺度的低维模型中嵌套重点区域的高维模型如何实现?为了系统地回答上述问题,必须系统地收集和深入研究水文地质条件,建立2个尺度的地下水流模型。目前嵌套数值模拟主要有2种方法,一是在低维模型中嵌套高维模型,二是在粗网格中嵌套细网格,且多应用于河口水流模拟,国内应用于地下水模拟的尚不多见。党学亚等详细论述了天桥岩溶系统地下水的赋存规律。本文试图利用嵌套技术,采用MODFLOW建立天桥岩溶系统区域模型和黄河西岸水源地耦合模型,区域模型主要用于模拟大区均衡和提供水源地模型的边界条件,回答上述问题(1)(2);水源地模型主要用来精细地刻画水源地地段的流场和动态,回答问题(3);同时通过模型的耦合,探讨地下水模拟技术在类似地区条件下的应用,回答问题(4)。2区域地质模型整个天桥岩溶水系统包括老牛湾泉域、龙口泉域、天桥泉域3个子系统,建立区域岩溶水系统模拟模型的主要目的是系统地分析区域岩溶水的补径排关系和子系统间的相互关系。区域岩溶水系统模型模拟的范围包括整个岩溶系统,模型分为3层,分别为寒武系碳酸盐岩含水层、下奥陶统碳酸盐岩含水层和中奥陶统碳酸盐岩含水层。本次建模将所有的侧向边界确定为二类边界(包括流入量、流出量和隔水边界);模型的下边界以寒武系中统徐庄组下部页岩作为隔水边界;在潜水区,地下水系统的上边界为潜水面,通过该边界,地下水得到降水入渗、灌溉入渗、河渠入渗、水库入渗等补给,通过蒸发、基流、泉等形式排泄地下水,在承压区则为奥陶系中统上覆石炭系不透水岩层作为隔水顶板,将黄河和万家寨水库处理为混合边界条件。根据区域水文地质条件和模型结构,将地下水流概化成非均质、各向异性、非稳定、三维地下水流系统。区域模型水平剖分网格单元大小为1km×1km,水源地地区局部加密为250m×250m,模型范围见图1。模拟校正期为2002年8月至2003年8月,采用区域地下水动态观测数据进行拟合校正。模拟预测时间为2007年9月到2017年9月共10年。3地下水流概化模型水源地岩溶水嵌套模拟模型包括黄河西岸清水川、浪湾、天桥3个岩溶水源地和黄河东岸铁匠铺水源地,建立模型的目的在于精细刻画黄河沿岸岩溶地下水流场、评价水源地可采资源量。由于各含水层的岩性、分布位置不同和水源地内断裂构造、灰岩节理裂隙等的发育,含水层的富水性和透水性有较大差异,在模型中表现为各含水层的水文地质参数的不同,同一含水层在不同的位置水文地质参数也不相同,即含水层为非均质结构。由于岩溶发育受到构造和地下水流动的控制,含水层具有各向异性的特征。水源地的地下水动态随大气降水、黄河水位、人工开采等因素而变化,而这些因素是随时间变化的,故为非稳定的地下水流。其中,侧向边界均定义为水位(头)边界,由区域模型提供;黄河定义为混合边界,在模型中采取河流模块,上边界由于模拟范围内仅东部局部地区有碳酸盐岩出露,定义为流量边界,大部分地区为零流量边界。从空间上看,地下水流整体上以水平运动为主、垂向运动为辅,各含水层之间有垂向水量交换。根据水源地的水文地质条件和模型结构,将地下水流概化成非均质、各向异性、非稳定、三维地下水流系统。嵌套模型采用大网格嵌套小网格的方法,其剖分精度为区域模型的10倍,水源地模型水平剖分网格为100m×100m,水源地加密为25m×25m。垂向上与区域模型的划分一致,但模型顶底板高程数据更加丰富,概化精度更高;模拟校正期、模拟预测期与区域模型一样。对断层、地堑进行描述概化,同时利用本次水文地质钻探、抽水试验数据计算的水文地质参数,使模型参数分区概化更加细致。由于水源地模型为非完整地下水系统,因此确定水源地模型的边界条件是模型嵌套的关键。本次嵌套模型利用区域模型计算结果作为水头边界,在这一过程中需要掌握VisualModflow各种边界的存储形式,具体的方法为:(1)调整区域模型输出文件控制选项,使模型在每个应力期末均在list文件中输出各网格水头(水位);(2)计算嵌套模型边界单元在区域模型中所处的网格位置(i,j,k);(3)编程读取边界网格在区域模型中的各时间段(应力期末)水头(水位),存入嵌套模型边界文件(后缀为*.vmb)。4区域及地下水流场、补径排条件的演变利用区域模型与水源地模型,分析不同开采方案下区域和水源地地下水流场、补径排条件的演变,以期回答存在的问题,重点评价黄河西岸岩溶水可采资源量。4.1不同草地开采量本次针对黄河西岸水源地,共设计了6种开采方案(表1)。其中方案一为清水川水源地、浪湾水源地、天桥水源地合计开采31.6×104m3/d,其他水源地维持现状开采,总计开采量为44.47×104m3/d;方案二为天桥水源地开采42.60×104m3/d,清水川水源地、浪湾水源地以B级储量开采,黄河西岸合计开采60×104m3/d,其他水源地维持现状开采量,合计开采量为68.87×104m3/d,较现状开采量多59.46×104m3/d;方案三、方案五在方案二的基础上保持黄河西岸开采量不变,其他水源地分别以B级储量、B+C级储量开采,合计开采量分别为87.01×104m3/d、124.18×104m3/d;方案四、方案六为进一步加大天桥水源地开采量至50×104m3/d,黄河西岸开采量为67.4×104m3/d,其他水源地分别以B级储量、B+C级储量开采,合计开采量为94.41×104m3/d、131.58×104m3/d。4.2地下水流场变化区域模型模拟6种开采方案的等水头线图如图2。从图2中可以看出,不同的开采方案,随着开采量的增大,地下水流场整体趋势没有明显改变,只是在水源地附近的排泄地段水位漏斗有所扩大。统计以832m等水头线圈闭的区域漏斗面积(表2),随着开采量的增加,漏斗面积有所扩大,方案三、方案五,黄河西岸水源地合计开采60×104m3/d,漏斗面积为33.48km2、48.72km2。水位降深最大处位于天桥水源地附近,随着开采量的增加,天桥水源地附近水位降深由4m逐渐增大至8m,但地下水位依然高于黄河水位。水源地嵌套模型模拟显示,水源地在开采量增大的情况下,水位漏斗有所扩展,但地下水流场基本形状保持不变(图3)。在黄河西岸总开采量为60×104m3/d,对黄河东岸铁匠铺水源地和旧县水源地影响很小,地下水位在天桥大坝附近最低,但水头仍然高于黄河水位,从水源地附近水位降深历时曲线(图4)分析,地下水位下降主要集中在开采初期,后期水位趋于周期性起伏,地下水系统向新的平衡状态逼近。综上所述,在保证区域其他水源地可采资源的基础上,黄河西岸岩溶地下水可采资源量超过60×104m3/d。4.3黄河的补给和排泄量在多年平均降雨补给的条件下,以现状开采量为基础,为最大限度地反映万家寨水库库水位的变化对地下水的影响程度,设定万家寨水库库水位全年保持在970m和980m两种水平,分别计算10年中(2007年9月1日至2017年8月31日)万家寨水库现状水位下和上述2种设定水位下的黄河与岩溶水的交换量。同时对不同泉域补排关系进行分析,在模型中,分别将黄河万家寨水库以上段、万家寨水库以下段和黄河天桥段划分为3个均衡区,统计各个均衡区中的黄河渗漏补给量和岩溶水向黄河的排泄量(表3)。在万家寨以上地段,当库水位全年保持在970m时,黄河补给岩溶水的量由现状的1.288×108m3/a增加到了1.358×108m3/a,而通过黄河排泄的岩溶水由现状的0.459×108m3/a减少到0.366×108m3/a;当库水位全年保持在980m时,黄河补给岩溶水的量则增加到1.783×108m3/a,通过黄河排泄的岩溶水减少到0.296×108m3/a。随着水库水位的升高,黄河对岩溶地下水的补给量逐渐增加,排泄量逐渐减少。由此可见,万家寨水库水位的变化对于龙口泉域子系统黄河与岩溶地下水的交换量的影响是非常显著的,当蓄水980m时,黄河在万家寨水库一带补排增量为0.614×108m3/a,但对天桥泉域子系统地下水的排泄影响不大,其排泄增加量仅0.013×108m3/a,可见万家寨水库蓄水后主要对龙口泉域系统影响较大,其补排增量主要在龙口泉进行排泄,进入天桥泉域子系统的水量较小。4.4不同开采方案下地下水开采量对黄河的影响对不同的开采方案,随着开采量的增大,泉域地下水向黄河的排泄量逐步减少,但减少量主要集中在开采初期,开采1~2年后则趋于平稳,反映出地下水系统在增加开采量的情况下很快就达到新的平衡状态(图5)。图6反映了在不同开采方案的条件下,岩溶水向黄河的排泄减少量和激发黄河对地下水补给量的增加量。开采量主要来自于袭夺地下水向黄河的排泄量和部分储存量,开采激发黄河对地下水的补给量相对较小,且主要来自于万家寨黄河段对地下水的补给。5区域岩溶水模型的应用(1)利用嵌套技术建立了天桥岩溶水系统区域模型和黄河西岸水源地岩溶水嵌套模型,并采取编程手段在VisualModflow中实现了区域模型与水源地模型的自动快速耦合。(2)利用区域岩溶水模型对万家寨水库蓄水的影响进行分析,结果显示,万家寨水库蓄水对地下水有较大的补给作用,在库水位为98