GMS模拟技术在宁夏小校场水源地地下水可开采资源量评价中的应用研究

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(1.宁夏水文环境地质勘察院，宁夏 银川 750021；2.宁夏地质局，宁夏 银川 750021)

水源地的开采资源量是水源地勘探、评价的核心，是保证城市发展、居民生活、生态建设[1]的基础。近年来，随着计算机技术的发展，基于地下水数值模拟的软件GMS作为地下水资源评价的重要工具，得到了广泛的引用[2-3]。本文以宁夏石嘴山市小校场水源地勘探数据为基础，认真分析水文地质特征，概化水文地质条件，建立水文地质数学模型[4]，计算源汇项，评价地下水可开采资源量[5]，预测水源地开采20 a的水量保障程度。

1 小校场水源地水文地质条件

小校场水源地处于银川平原北部冲湖积平原上，为潜水—承压水多层迭置含水结构区，银川平原是新生代以来形成地堑式断陷盆地，盆地内巨厚的松散沉积物为地下水赋存及运移提供了良好的空间，贮存了较为丰富的松散岩类孔隙水[6]。结合银川平原区域地下水含水岩组划分[7]，基于小校场水源地勘探数据分析，将工作区250 m深度内划分为三个含水岩组：第Ⅰ含水岩组，即39.24～74.65 m以上，地下水具有微承压性，富水性强，但水质复杂；第Ⅱ含水岩组，顶板埋深45.36～83.40 m，底板埋深137.56～169.79 m，为压含水岩组，富水性强，水质好；第Ⅲ含水岩组，顶板埋深140.18～173.39 m，底板埋深231.74～250.40 m，为压含水岩组，富水性强，水质好。因此，本文对承压含水岩组作为主要研究对象，为主要的供水目的层。

2 基于GMS模拟技术的地下水可开采资源

量评价

2.1 地下水数学模型

充分分析本次勘探数据，按照假设条件[8]，研究区可概化为非均质各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统[9]，其地下水流连续性方程及其定解条件如下：

(1)

式中：Ω为渗流区域；h为地下水系统的水位标高(m)；K为含水介质的水平渗透系数(m/d)；Kz为含水介质垂向渗透系数(m/d)；ε为含水层的源汇项(1/d)；h0为系统的初始水位分布(m)；S为自由面以下含水层储水率(1/m)；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；p为潜水面的蒸发和降水入渗强度等(m/d)；Γ1为已知水位边界；h1为已知边界水位值(m)；Γ2为渗流区域的流量边界；Kn为边界面法线方向的渗透系数(m/d)，n为边界面的法线方向；q为Γ2边界的单位面积上的流量(m/d)，流入为正，流出为负，隔水边界为0；Γ3为三类边界；λ、f为已知水头函数。

2.2 地下水流数值模型

2.2.1 模拟范围的确定

按水源地抽水所造成的影响范围作为小校场拟建水源地的模型范围，从区域地下水流数值模型中提取水源地源汇项、水位及降深等，进行水源地评价。

2.2.2 模拟期的确定

根据研究区资料、地下水动态观测情况及本次工作目的任务，确定模型期为两个阶段：

(1)现状条件及开采条件预测阶段，2012年1月至2031年12月，一个月为一个应力期，共240个应力期；

(2)恢复预测阶段，2032年1月至2041年12月，一个月为一个应力期，共120各应力期。

2.2.3 定解条件

初始条件：以2011年12月底地下水水位资料，采用内插法和外推法获得水源地现状条件和开采预测阶段初始水位，然后将预测开采阶段评价末期2031年12月底的地下水位作为恢复阶段的初始水位，进行水源地恢复10年的预测评价。

边界条件：小校场水源地位于多层含水层区，其水源地边界条件是在区域模型边界条件的基础上，由模型自动计算得出的，将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，适当调整个别边界流入流出量。

2.2.4 模型源汇项处理

小校场水源地所涉及的源汇项可以分为点、线、面三种要素。点状要素主要是水源地设计开采井群等项组成；线状要素包括研究区内的排水沟排泄地下水以及边界侧向补给等；面状要素由降雨入渗、田间灌溉入渗补给和潜水蒸发等构成。

本次研究利用了GIS软件的空间分析功能，统一采用数据库管理模式存储随时间变化的大量数据，最后利用程序写入到相对应的MODFLOW格式文件中。其中降雨入渗、田间灌溉入渗输入Recharge子程序包，对应数据存入*.rch文件中；边界侧向补给量、开采量输入Well子程序包，对应数据存入*.wel文件；蒸发输入EVT子程序包，对应数据存入*.evt文件；排水沟采用drain模块处理，对应数据存入*.drn文件；通用水头边界条件输入General-Head子程序包，对应数据存入.ghb文件。

2.2.5 开采资源量计算结果

由数值模型水位过程线和实测地下水位等值线拟合情况来看，水文地质条件概化合理，地下水流模拟模型可达到精度要求，与研究区实际的水文地质条件一致，较好地反映了研究区地下水系统的动态特征，因此，可利用该模型计算地下水可开采资源量和地下水流场演化的趋势性预测。

在开采条件下，通过模拟计算，第Ⅱ、Ⅲ含水岩组可获得第Ⅰ含水岩组越流量2.680万 m3/d；第Ⅱ含水岩组可获得侧向径流补给量0.754万 m3/d和弹性释水量0.000 943万 m3/d；第Ⅲ含水岩组可获得侧向径流补给量1.177万 m3/d和弹性释水量0.001 0万 m3/d。第Ⅱ、Ⅲ含水岩组共计获得补给量4.613万 m3/d，说明水源地区同步开采条件下开采层获得的补给量能保证4万 m3/d的开采资源量。

3 规划开采条件下预测模型

3.1 开采预测模型条件

在现状开采条件模拟的基础上，根据小校场拟建水源地规划方案布置开采井，进行满负荷开采20 a。

开采预测模型所需要使用的数据和资料包括：(1)为了体现降雨年际变化特点，降雨入渗采用1992～2011年的降水量来计算降雨入渗补给量，将其代入模型中；(2)开采量在维持现状条件下的2011年开采量的同时，考虑拟建水源地的设计开采量；(3)田间灌溉量保持不变，以面状补给的形式导入模型；排水沟排泄地下水量则利用drain模块导入模型，由模型自行计算得出；(4)蒸发量利用1992～2011年这20 a的蒸发数据，整理成蒸发文件代入模型，由模型自行计算。

3.2 模型预测结果分析

在规划开采条件下，选取枯水年份引黄量(石嘴山市引黄量8亿 m3/a)，运行20 a预测模型，得出水源地2031年末期地下水流场与动态变化趋势。2031年末第Ⅰ含水层地下水等水位线和初始水位形态一致；2031年末第Ⅱ含水层地下水等水位线地下水水流方向与初始水位出现较大变化，在水源地开采井附近受集中开采的影响出现明显的降落漏斗，同时当水源地集中开采20 a后，含水层水位下降，2031年末第Ⅱ含水层地下水降深等值线在开采井附近形成降落漏斗。研究区总体降深为0～16 m，其中开采井周边最大降深15.94 m，不超过水源地允许降深39 m。 2031年末第Ⅲ含水层地下水等水位线地下水水流变化趋势与第Ⅱ含水层相似。在开采井附近受集中开采井影响出现明显降落漏斗。水源地集中开采20 a，含水层水位显著下降，2031年末第Ⅲ含水层地下水降深等值线在开采井附近形成降落漏斗。研究区第Ⅲ层总体降深为0～16 m，其中开采井周边最大降深为15.63 m，不超过水源地允许降深39 m。

3.3 水源地开采量组成

水源地开采井布置在第Ⅱ含水岩组和第Ⅲ含水岩组，由于第Ⅱ、Ⅲ含水层的抽水，不仅造成本层含水层补给和排泄发生变化，第Ⅰ含水层补给和排泄也发生明显变化。将水源地第Ⅰ含水层未开采条件和在开采条件2万 m3/d的情况下的均衡进行对比分析，可以得出第Ⅰ含水层、第Ⅱ含水层和第Ⅲ含水层地下水各补排量的变化。具体变化如表1至表3。

由表1至表3可知，水源地在第Ⅱ、Ⅲ含水层规划开采条件下，第Ⅰ含水层和第Ⅱ、Ⅲ含水层水量都发生变化，在开采情况下，第Ⅰ含水层蒸发和排水沟排泄都大量减少，边界侧向流入有少量增加，边界侧向流出量和越流补给量少量减少，对于向开采层位越流明显增加。作为开采层位，第Ⅱ、Ⅲ含水层由于加大地下水开采，激发边界侧向流入量和越流量，边界侧向流出量也明显减少，成为规划开采量的重要组成部分，并动用少量储存量。

表1 预测模型第Ⅰ含水层地下水20 a平均补排量变幅表 万m3/d

表2 预测模型第Ⅱ含水层地下水20 a平均补排量变幅表 万m3/d

表3 预测模型第Ⅲ含水层地下水20 a平均补排量变幅表 万m3/d

对于水源地规划开采层第Ⅱ含水层，地下水开采造成边界侧向流入和潜水含水层越流量明显增加，成为开采水量的重要组成部分。水源地规划开采量(2万 m3/d)的来源分析如表4，第Ⅱ含水层开采主要来自与第Ⅰ含水层的越流补给和边界侧向流入，分别占开采变化量46.91%和31.91%。其中越流补给是由于减少蒸发和排水沟排泄为主，并在此基础上动用少量储存量，占开采变化量的17.18%。由此可见，水源地第Ⅱ含水层的规划开采量是有保证的。

表4 水源地第Ⅱ含水层组开采量来源分析表

对于水源地规划开采层位第Ⅲ含水层，地下水开采造成边界侧向流入和上层含水层越流量增加，成为开采水量的重要组成部分。从水源地规划开采量(2万 m3/d)的来源分析如表5来看，第Ⅲ含水层开采主要来自上层含水层的越流和边界侧向流入的增加量，分别占开采量组成的43.25%和31.63%。并在此基础上动用少量储变量，占开采量组成部分的19.05%。这与水位过程线也比较符合，因此第Ⅲ含水层的规划开采量是有保证的。

表5 水源地第Ⅲ含水层组开采量来源分析表

4 结语

本文通过对小校场水源地勘探数据分析研究，运用GMS软件进行模拟计算，开采目的层承压含水岩组可开采资源量为4万 m3/d是有保证的，进一步通过规划预测模型预测水源地满负荷开采20 a时，承压含水岩组获取的补给量可满足开采资源量，论证了水源地以4万 m3/d的开采量开采20 a是有保证的。