母猪河地下水库数值模拟和调蓄分析

2020-11-23李凤丽徐嘉璐

中国农村水利水电 2020年11期

李凤丽，徐嘉璐，张游，韩宇

(1.水发规划设计有限公司，济南 250013；2.山东省湖泊流域管理信息化工程技术研究中心，济南 250013)

0 引言

地下水库起源于地下水人工补给，可以通过天然地下储水空间拦蓄、调节和利用地下水[1, 2]。1972年，日本松尾氏采用灌浆法在长崎县野母崎町桦岛上建设了世界上第一座地下水库，随后又在福井、福冈、冲绳县等地建设了十余座地下水库，不仅提高了工、农业供水能力，还可以防止海水入侵[3, 4]。20世纪80年代以来，美国、瑞典、荷兰和德国等地逐渐开展了人工储水与回采工程，先将地表水回灌到地下水库中，再通过排水渠和抽水井提取地下水，对水质进行适当处理后供城市用水[5, 6]。我国第一座地下水库于1975年在河北省南宫市兴建[7]，之后北京西郊、山东龙口、大连旅顺、广西、贵州和福建等地[8-12]先后建设了地下水库，为利用地下水提供了宝贵的经验。在地下水库水流数值模拟方面[13,14]，蓝盈盈[15]运用GMS软件对洮儿河扇形地地下水库水流进行了数值模拟，结果表明模型可以用于地下水位的预报；中科院利用回灌试验和数值模拟研究了北京市西郊地下水库永定河河道的入渗能力[16]；为了研究秦岭山前洪积扇地下水库调蓄功能，康华等[17]在太平河洪积扇进行回灌试验，并使用Visual Modflow进行数值模拟，结果表明适度加强开采可以激发地下水库更大的调蓄潜力。

威海市区和文登区属于资源性严重缺水的地区，随着社会经济的发展，水资源供需矛盾日益加剧，为了缓解这一矛盾，在母猪河下游拟建地下水库，进行河道拦蓄，与位于其上游的米山水库进行联合调度，增加地表水和地下水的水资源利用率。本文结合母猪河下游的水文地质条件，利用Visual Modflow进行数值模拟，对地下水库进行调蓄分析并选定出较为合适的开采方案。

1 研究区概况

威海市位于山东半岛东端，地处北纬36°41′～ 37°35′、东经121°11′～122°42′。北、东、南三面濒临黄海，西与烟台市接壤。威海市区、文登区水资源有年际变幅大、年内分配不均、地域分布不均、开发难度大、利用率低、人均水资源量少等特点，人均水资源占有量为858 m3，仅为全国人均占有量的32%，属于资源性严重缺水地区。近年来随着经济社会的发展，各部门用水量急剧增加，水资源供需矛盾日益严重。研究开发新的供水工程，可增加威海市区、文登区供水能力，缓解水资源短缺状况。

母猪河是威海市文登区第一大河，干流总长65 km，流域面积1 115.18 km2，占文登区总面积的63%，流域图见图1。母猪河中上游建有米山水库，是一座以防洪、灌溉、城市及工业供水为主，兼顾发电和养殖等综合效益的多年调节大(2)型水库，控制流域面积440 km2，占母猪河流域面积的39.46%。母猪河地下水水库拟建在母猪河下游，下游河段河谷宽阔，下游河床、河漫滩上伏6.0～10.0 m厚的第四系覆盖层，以壤土及中粗砂为主构成，局部有中细砂、细砂，属中等强透水层，地下水埋深一般为1.0～3.5 m，下伏基岩为二长花岗岩，地下截渗条件较好，水文地质剖面图见图2。母猪河地下水库不仅可以发挥多年调节作用，还能拦蓄地表径流用以补给地下水，从而增加地下水储量和开采量。此外，文登区虽然有较多零星水系，但是大多独立入海，无法拦蓄，使得水资源可利用率降低，且母猪河下游由于地下水长期超采，形成地下水位降落漏斗，在河口诱发海水入侵。兴建地下水库工程，通过“一截一蓄”，进行河道拦蓄，增加地表水的利用量；通过“以丰补歉”，在丰水期蓄积大量的水资源以备枯水期利用，还可以为米山水库提供应急备用水源，缓解区域水资源供需矛盾；通过“蓄淡压咸”，防止海水入侵，改善区域生态环境。

图1 母猪河流域图(单位：m)Fig.1 The basin map of Muzhu River

图2 母猪河水文地质剖面图Fig.2 The hydrogeological profile of Muzhu River

文登区母猪河地下水库工程分为上级库工程与下级库工程，主要建筑物包括地下截渗墙、橡胶坝等。地下水库库容和水位参数见表1。上级地下截渗工程位于院东村东侧，共长1.9 km，顶高程为9.0 m。下级地下截渗工程位于新建高速路南侧，长共1.8 km，顶高程为6.0 m。该工程拟拦蓄母猪河右岸一级支流河水及两岸的地下水。母猪河上下级库示意图见图3。

2 水文地质概念模型

2.1 确定模拟范围

考虑到降雨蒸发的时空分布对库区的影响，为使模拟结果更加符合实际情况，以分水岭为边界对库区的整体汇流区域进行模拟。图4中红线为母猪河地下水库流域分水岭，黄线为米山水库流域分水岭。由于区域②的汇流被米山水库所截留，因此母猪河地下水库汇流面积仅为①区域，选取①区域作为模拟范围。

表1 母猪河地下水库参数Tab.1 Parameters of underground reservoir of Muzhu River

图3 母猪河上下级库示意图Fig.3 Schematic diagram of the upper and lower reservoirs of Muzhu River

图4 流域水系图Fig.4 The drainage map of basins

2.2 含水层结构概化

根据地下水埋藏条件，母猪河地下水库模拟区含水层结构确定为潜水含水层。综合考虑各地层的水力联系程度、含水层渗透性大小以及岩性特征，对含水层结构自上而下进行概化。研究区地表以及下伏土壤多为中粗砂且渗透性相近，本次模拟将其概化为一层，该层渗透性强，富水性好，为母猪河地下水库主要富水层，底层为强风化层花岗岩，透水率低，概化为不透水层。

2.3 边界条件概化

通过对母猪河地下水库地下水系统的分析，发现母猪河地下水库为河道型地下水库，其储水地层均位于母猪河及支流河床上。其边界条件概化如下：①底边界：库区基岩为下元古界荆山群变质岩，透水性较弱，富水性差，隔水性能良好，概化为隔水层，为零通量边界。②上边界：上边界为潜水面，岩性主要为富水性和渗透性强的中粗砂，受大气降雨、人为开采和蒸发排泄等因素的影响，为变通量边界。③东部边界和西部边界：根据流域分水岭的划分东、西部边界，均为隔水边界。④流域上游边界：上游边界米山水库以东为分水岭设置为隔水边界，米山水库根据实际放流情况和地下水测流补给程度，设置为变通量边界条件。⑤流域下游边界：下游地势较低为母猪河地下水库的主要排泄通道，根据水位和地层高程，设置为自由排水边界条件。

2.4 水文地质参数获取和分区

用于地下水流模型的水文地质参数主要分为两类：第一类是用于计算地下水源汇项的经验参数，如大气降水入渗系数、灌溉入渗系数、蒸发系数等；第二类是含水层的水文地质参数，主要包括潜水含水层的渗透系数(K)、给水度(Sy)和有效孔隙度(η)等。在建模工作中，首先需要根据水文地质条件等因素确定参数的分区。经分析发现母猪河地下水库流域的地貌特征主要分为丘陵和平原两种，丘陵区岩性主要为下元古界荆山群变质岩，平原区岩性主要为中粗砂，二者参数差别较大。因此，模型分为两个参数区域。图5为母猪河地下水库流域活动单元的三维图，地势较高的深色区域为丘陵区，地势低平的浅色区域为平原区。根据实测钻孔探测的底板高程和设置截渗墙的影响，确定母猪河地下水库最大回水面积为图中黑色线所围区域，橘色线段为截渗墙所在位置。经过计算模拟范围丘陵区的面积为138.2 km2，平原区的面积为80.7 km2。

按照参数的分区给定参数初值，通过参数率定得出各参数的分区值。参数分区初始值主要通过野外抽水试验结合地区经验值，经过综合分析确定，具体见表2。

2.5 源汇项确定

地下水系统的源汇项主要包括补给项与排泄项。补给项主要包括降雨入渗补给、河道侧渗补给和山前侧渗补给。排泄项主要包括地下水开采、潜水蒸发和下游排泄。

表2 主要分区参数初始值Tab.2 The initial parameters of areas

3 地下水流数学模型

3.1 模型建立

根据模拟区地下水系统水文地质概念模型，建立了地下水流数学模型。当不考虑弱透水层贮水能力时，浅层潜水系统地下水运动的数学模型概化为三维不稳定流动系统，其数学模型如下：

式中：K为边界法线方向渗透系数，m/d；Sy为给水度；S1、S2为模拟区域第一类和第二类边界；H0为含水层初始水头，m；q为含水层第二类边界单位面积过水断面补给流量，m3/d；φ为源汇项强度(包括开采强度、入渗强度、蒸发强度等)，1/d；D为渗流区域；n为渗流区边界的单位外法线方向，矢量；W为源汇项，流进为正，流出为负；t为时间。

3.2 网格剖分

此次模拟采用矩形网格对渗流区进行离散化(剖分)，将复杂的渗流问题处理成符合剖分单元内规则的简单渗流问题。网格剖面见图6。模型共剖分单元格100×100(行×列)，单个单元格的尺寸是280 m×254 m，由于模拟区含水层结构为潜水含水层，此次网格剖分在垂直方向上分为1层。

图6 网格剖分图Fig.6 The grid sectional map

3.3 参数离散化

根据收集的研究区地下水系统资料，本次数值模型的模拟期为1979年1月到1979年12月，将整个模拟期划分为12个应力期，每个应力期为一个自然月，时间步长为十天。在每个应力期中，所有外部源汇项的强度保持不变。初始条件：根据前期观测孔的监测资料，插值计算潜水含水层的渗流场，并将其作为研究区的初始流场。模型潜水含水层初始流场见图7。边界条件：将所计算出来的各边界流入流出量输入到模型之中，通过边界附近流场的拟合程度，适当调整边界流入流出量。

图7 初始流场图Fig.7 The initial flow field map

3.4 参数率定与验证

选取葛家镇小英村东21号井、泽头镇兽医站院内25号井、葛家镇粮食所院内26号井、葛家镇铺集固恒机械厂招待所院27号井和泽头镇道口村委院内东南角48号井共五眼井进行参数率定，位置分布见图3。采用2016年逐日地下水位资料实测值与模型模拟值进行参数率定，结果表明实测值与模拟值拟合度较好，相关系数均大于95%。运用pest参数迭代调整参数，调整后的平原区中粗砂渗透系数K值为38.5 m/d，而丘陵区变质岩渗透系数K值为0.012 m/d 。平原区中粗砂的给水度为0.21，丘陵区变质岩给水度0.058。

将调整好的参数输入到模型中运算，输出结果与2017年的实测地下水位数据进行验证，由于数据资料不全，只选取21号，26号和48号三眼井进行模型验证，模拟值与实测值相关系数为98.7%，表明模型能够较好的反应实际情况，精度较高。图8和图9分别是模型进行参数率定和验证时48号井水位拟合图。

图8 2016年48号井水位实测值和模拟值拟合图Fig.8 Fitting curve of measured and simulated water level of well 48 in 2016

图9 2017年48号井水位实测值和模拟值拟合图Fig.9 Fitting curve of measured and simulated water level of well 48 in 2017

4 地下水库调蓄与开采

4.1 地下水库调蓄分析

根据建立的模型，结合水量调算，计算出母猪河地下水库丰水年、平水年、枯水年和特枯年的最大调蓄水量，结果见表3。除利用模型计算最大调蓄水量，还利用水量平衡方程对地下水库进行典型年调算，调算结果丰、平、枯和特枯年的分别是2 575.94、1 969.87、1 659.30和890.71 万m3。通过对比可知，模型模拟结果和典型年调算结果相差较小，丰水年、平水年、枯水年结果相差均在10%之内，特枯年结果相差12.13%，再次验证所建模型的合理性。从水量上分析，母猪河地下水库建成后，有较大的开发潜力；从含水层水力条件及其富水性特征上分析，潜水含水层可调蓄空间适用性大；从长远角度考虑，合理的调蓄、优化储水用水方案是合理利用地下水资源的关键。

4.2 地下水开采方案选定

母猪河地下水库建成后，拟将蓄积的地下水抽取并泵送至上游米山水库，取代部分外调水源，优先利用当地优质的地下水资源。为合理开采地下水，结合上游米山水库的放水情况和母猪河地下水库的开采条件，初步拟定12种开采方案，见表4，并通过模型分析各方案水位变化情况和疏干情况，对比每种方案的优缺点。

表3 地下水库调蓄计算表万m3

表4 不同开采方案分析结果Tab.4 The results of different scenarios of abstracting groundwater

对各方案水位变化进行分析，从模型的稳定性来看，流量为0.01 m3/s的方案比0.015 m3/s的方案更加稳定；但是在开采总量上，0.01 m3/s流量条件下的6种方案中只有55眼井全年开采的方案接近最大调蓄水量，同等条件下0.015 m3/s流量的开采方案能获得较大的开采量；从工程经济上分析，55眼井的方案工程量大、费用高，而27眼井又很难满足开采需求。结合初步拟定的12种开采方案的分析结果，经过多次计算、调试和优化，最终确定36眼开采井(下级库23眼、上级库13眼)，流量为0.015 m3/s且全年开采的方案，较为满足工程实施和开采量的需求。开采井在模型中的分布如图10所示，在开采井的位置上布设观测井，观测水位的实时变化。

图10 井的位置分布Fig.10 The location of wells

开采井设置完毕，模拟枯水年条件下，开采地下水对地下水位的影响情况，模拟时段末模拟区地下水降深情况如图11所示。模型运行过程中大多数井水位比较稳定，表明开采量和补给量达到平衡状态，能形成稳定的降落漏斗，在当前开采量下可以持续抽取地下水。但一些离河床较远的井(如5号井)，水位有较大幅度的降低，如果持续抽水可能会导致单元格水位疏干。因此，在实际布井的过程中，应根据实际情况尽可能依河而建，且尽量避开村庄和农田。