冯琳伟，高 亮

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016；2.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000)

GMS地下水模拟系统用于水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟，因其良好的使用界面、强大的前后处理功能及优良的三维可视化效果，成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件[1-2]。本次模拟用到的MODFLOW模块是使用最广泛的三维地下水水流模型，采用三维有限差分数值模拟孔隙介质地下水流动，评价对非均质和复杂边界条件的水流系统的影响[3-4]。水源地数值模拟采用概念化方式建立水文地质概念模型，通过建立水文地质概念模型、建立数学模型、求解数学模型、模型识别以及模型预测等几个步骤，计算水源地在规划开采条件下的补给量与排泄量，判定数值法确定允许开采量结果的可靠性，评价御坝水源地的可开采资源量。

1 水文地质条件

御坝水源地位于武陟县南部沁河故河道冲积平原上，根据1:2.5万水文地质测绘和256点10条剖面物探以及4孔600 m钻探成果[5]，研究区内松散岩类孔隙水分为三个含水层组，即浅层含水层组(Qhal+Qp3al)，中深层含水层组(Qp2al)，深层含水层组(Qp1al-l+N)，各含水层组富含地下水相应为浅层水、中深层水、深层水，本次研究仅涉及中深层地下水。中深层含水层组埋藏于地表下65～160 m深度，由中更新组(Qp2)地层组成，底板埋深150.0～160.0 m，含水介质主要为粗砂、中粗砂、中砂层，厚度在68.0～85.0 m之间，70～150 m深度分布有2～4层厚度为60 m的中砂，125～145 m深度分布有厚度为8 m的砾石层。水源地勘探孔15 m降深单井涌水量为4 936.2 m3/d，渗透系数18.0 m/d，属于极强富水性区。

2 地下水数值模拟

2.1 模型概化

边界条件南部以黄河为界，北至武陟县城北边界，西至县城西边界至后阳城一带，东至汤王堤至李庄一带；结合203点次的地下水水位统一调查结果，设定模型南边界为补给边界，北边界以排泄为主，参照论证区多年平均流场图，将东部和西部边界定为隔水边界，考虑到地下水开采可能会影响北边界的流出，将研究区北边界处理成GHB(通用水头边界)[6-8]。模型剖分上层为浅层含水层模拟层，下层为中深层含水层模拟层，每层活动单元数为886个。垂向结构概化因研究区内浅层含水层与中深层含水层之间存在越流联系，垂向上划分为浅层孔隙含水层组(60 m以浅)和中深层孔隙含水层组(65～150 m)，中深层底板为较厚粘土层，概化为隔水边界，与概念模型下部无水力联系；浅层含水层与中深层含水层两含水层组之间通过越流交换物质和能量，越流量由两含水层之间的弱透水层的越流系数及量含水层水位差决定。

2.2 水文地质系数

利用11孔中深层井和7孔浅层井稳定流抽水试验求取渗透系数，通过2组抽水孔和观测孔非稳定流抽水试验求取渗透系数、导压系数与越流系数，利用2口抽水孔和1口观测孔群孔抽水试验求取渗透系数、导压系数。通过分析，渗透参数由群抽试验采用无越流的theis(配线)法和cooper & jacob(直线解析)法及有越流的hantush(汉图什)配线法，采用aquifertest软件分析计算取得：导水系数取884.0 m2/d、渗透系数取18.0 m/d、主含水层弹性释水系数取0.001 3、越流层弹性释水系数取0.000 032 1、越流系数取0.000 8。降水入渗依据月降雨资料和灌溉量计算降水入渗强度和灌溉回渗强度，侧向径流补给采用断面法分段计算，以线状流量方式导入模拟调试,人工开采量根据调查采用well模块处理,侧向径流排泄量采用通用水头边界(GHB)模块处理。

2.3 模型验证

根据前期勘察水位动态变化资料，选取2017年3月—2017年12月为模型模拟期及验证期，并选取地下水动态监测孔水务公司SG1、冯村SG2、东小庄SG3观测孔数据进行水位动态过程模拟(见图1—4)。动态拟合结果表明，各观测点在各个时段的计算水位与观测水位拟合程度都比较高，反应了模型在水位随时间变化的模拟比较准确。中深层含水层实测流场和模拟流场的比较结果显示，各个时段的水位拟合绝对误差小于1 m，更清楚地反映出模拟模型与实际地下水系统在空间上的吻合，已建立的中深层地下水流数值模型基本能反应模拟区实际水文地质条件。

图1 验证期末(2017年12月)流场拟合图

图2 水务公司SG1观测孔拟合过程曲线

图3 冯村SG2观测孔拟合过程曲线

图4 东小庄SG3观测孔拟合过程曲线

3 地下水资源评价

3.1 定解条件

(1)初始条件

根据实测2017年3月中深层地下水水位流场，并赋值数学模型，作为验证期初始流场。

(2)边界条件

根据概念模型边界概化，将各边界条件、开采现状及参数分区分别赋值，生成勘察区地下水系统数值模型。南边界及北边界通用水头及流量根据2017年3月实测水力坡度及水头计算赋值；开采量根据2017年3月调查开采现状，以点状井的形式赋值；越流量根据赋值的浅层地下水位与中深层水位差及越流系数由模型自动计算；相关水文地质参数初始值采用水文地质试验及收集资料数据赋值。

3.2 水源地开采条件下水位流场预测

水源井群呈梅花状分布，采用井群集中供水方式，设150 m井22眼，常用开采井8眼，备用井14眼，井间距400 m，整体呈带状展布于沁河大堤外侧500 m，常用井及备用井集中间隔布置。水源地常用井及备用井年总开采量781.4 万m3/a，因常用井与备用井循环轮换开采，本次水位预测采用的22眼单井开采量均选用单井日均开采量973.1 m3/d。以验证期末2017年12月流场及边界条件作为预测期模型初始条件，将水源地22眼开采井及相应开采量导入数值模型，设预测期20 a，中深层地下水位流场变化预测结果(见图5)。

图5 水源地开采20 a后流场预测图

3.3 开采资源量评价

根据本次模拟预测结果，拟建水源地开采后，中深层地下水最大稳定水位降深5.0 m，水位高程77.5 m，远高于中深层含水层顶板标高31.0 m，尚有46.5 m的安全距离，取水安全可靠。另外由中心井水位降深值随时间变化曲线可以看出，水源地开采后水位很快趋于稳定，并随着开采时间的增加，水位下降速度逐渐变慢，5 a以后地下水水位基本稳定，补、排达到新的平衡，所以拟建水源地年开采总量781.4 万m3/a水量有保证。

4 均衡法评价地下水允许开采量

均衡法可用于地下水可开采量计算，评价水源地影响范围内地下水补给和排泄量之间的数量对比关系。开采条件下漏斗均衡范围内补给项包括越流补给及漏斗边界侧向径流补给，排泄项包括现状开采排泄。设计开采年限为20 a，根据水文地质条件及取水层顶板深度，设计最大允许降深30 m，开采年限内开采井降深应小于设计降深。

(1)

式中：Q允—含水层允许开采量，m3/d

Q补—含水层补给量，m3/d；

Q排—含水层排泄量，m3/d；μ*—贮水系数；

F—均衡区面积，km2；

Δt—均衡时间段长，取20 a；

ΔH—与Δt对应的水位变幅，m，根据水文地质条件，最大允许降深取30 m。

开采条件下水源地漏斗区范围内总补给量为2.40 万m3/d，其中径流补给量1.94 万m3/d，越流补给量为0.60万m3/d；现状排泄量主要为农村安全饮水工程井，开采量为0.40万m3/d，动用弹性储存量为0.04万m3/d，计算地下水允许开采量为2.18万m3/d。拟建水源地日均开采量2.14万m3/d，可以满足20 a需求，水量有保证。

5 结论

通过对御坝水源地勘察数据分析，运用GMS软件进行模拟计算，开采目的层中更新统(Qp2)地层含水层组中孔隙水含水岩组可开采资源量为2.14万m3/d是有保证的，使用模型预测水源地满负荷开采20 a时，通过均衡法和数值模拟法评价了地下水允许开采量，印证了水源地开采方案的可行性。