临泉县城区深层地下水超采区数值模拟与调控研究

白璐璐

(阜阳市水资源管理处，安徽 阜阳 236001)

0 前言

党中央、国务院高度重视地下水管理与保护工作。2017年，水利部、原国土资源部联合印发《全国地下水利用与保护规划》，明确了全国地下水超采区治理的目标、任务与措施。2020年《水利部办公厅关于开展地下水管控指标确定工作的通知》要求尽快开展全国地下水管控指标确定工作[1]。同年，《水利部办公厅关于开展重点区域地下水超采治理与保护方案编制工作的通知》要求尽快开展重点区域地下水超采治理与保护方案编制。临泉县是安徽省实施地下水超采治理的重点对象之一。多年来，临泉城区居民生活和工业用水靠开采地下水，中深层地下水严重超采，已形成480 km2的地下水漏斗区，开展地下水调控研究非常必要[2]。

按照国家地下水超采治理工作的部署和要求，结合临泉县实际，开展临泉县深层地下水调控方案研究，对保障临泉县供水安全，以及实现地下水资源可持续利用，具有重要的现实意义和长远的战略意义。

1 研究区概况

临泉县地处黄淮平原的西南端，安徽省的西北部，县域内主要河流有泉河、谷河、洪河、润河、涎河、流鞍河，没有湖泊和水库，属于水资源紧缺地区。临泉县国土面积为1 839 km2，2020年户籍人口231.3万(常住人口165.84万)。全县常住人口中，居住在城镇的人口为505 006人，占30.45%。随着社会经济的发展，城镇化率将不断增加。

根据《安徽省地下水超采区治理方案》，临泉县地下水超采区面积为415.6 km2，由于地下水的大量开采，导致中深层地下水严重超采，至2020年，已形成480 km2的地下水漏斗区，未来临泉县水资源供需矛盾将更加突出[3]。

2 临泉县城区深层地下水数值模型构建

本文利用地下水数值模拟的方法来实现临泉县城区深层地下水调控[4-6]。

2.1 模拟区范围确定

结合临泉县周边的区域地质条件、水文地质条件、地形地貌特征和地下水资源规划利用情况，确定了临泉县城区附近6个乡镇为模拟范围，模拟区总面积266.88 km2。模拟区地下水数值模型的范围及其具体位置如图1所示。

图1 模拟区范围及位置图

2.2 水文地质概念模型

2.2.1 含水层结构

研究区地下水主要赋存于新生界松散岩类孔隙含水层组中，按地下水埋藏条件和水力学性质，可分为孔隙潜水和孔隙承压水。临泉县主要超采区位于第二承压含水层，与第一承压含水层(组)之间，发育厚度大且分布稳定的粘土层，承压含水层水力联系差。因此本次模型概化为第二承压含水层单层水流运动模型。

2.2.2 源汇项

模拟范围内第二含水层的主要补给源为侧向径流补给。排泄项主要有人工开采、侧向地下水径流等。人工开采主要用于工业生产、农村生活用水，地下水开采对局部地下水流场有影响，收集研究区内所有抽水井点的抽水资料，将抽水井(包括38眼抽水井和15眼自备井资料)数据汇总分析，模拟区内抽水井分布位置主要分布在城区范围内，见图2。

根据模拟区资料以及该区域含水层的结构，模拟区内含水层的参数随空间变化，体现出非均质性；模型考虑取水井的开采，地下水流为非稳定流。因此，将模拟区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。

图2 模拟区内抽水井及自备井分布位置图

2.3 地下水水流数值模型

2.3.1 模型剖分

选取Visual Modflow软件中的MODFLOW模块对临泉县第二承压含水层模拟区内地下水的运动方向及地下水水资源量进行模拟。含水层剖分为1层，共剖分有效单元约20 458个。单元格面积为100 m×100 m。模型顶板高程是通过分析研究区内深孔揭露第二承压含水层顶板高程值，采用surfer中克里金插值方法获取；含水层底板无法确定，本次采用含水层厚度为特定深度进行计算，其底板高程对于本次模拟计算影响微小。模拟区顶板高程如图3所示，含水层整体较平整，局部顶板深度较深。

2.3.2 含水层参数设置

将地层分为单层承压含水层，主要岩性为砂砾石，模拟区基本为均质含水层，含水层岩性单一，渗透系数3～7 m/d，贮水系数10-5～10-6，给水度0.01～0.1。第二承压含水层为生活用水、工业酿酒及工业生产开采含水层，渗透系数、给水度参考本地区单井抽水试验数据。

图3 模拟区顶板高程图

2.3.3 模型识别

本次模型地下水水动力参数率定采用模拟计算值与实际观测值对比，通过计算水位和实测水位拟合分析，反复调整参数，最终得到了含水层参数。经过模拟计算，监测井模拟计算值与实际观测值率定结果均在95%置信区间内，模型识别取得了较为理想的效果，说明建立的模型是可靠的。

3 临泉县城区深层地下水数值模拟研究

3.1 模拟区深层地下水用水现状

研究区深层地下水现状用水按照用水主体主要划分为以下两个部分，第一部分为市政用水，主要为城区居民生活用水，其供水水源井性质为市政所有，2020年取水量达4.53万 m3/d。第二部分为企业用水，为企业的工业用水，其供水水源井性质为企业自备水源井，2020年取水量达0.44万 m3/d。

3.2 模拟区深层地下水开采量

通过对临泉县中心城区所有深层地下水开采水源井的开采量进行了统计，市政水源井日均单井开采量约为70 m3/h，而企业自备井日均单井开采量约17 m3/h。从分布上来看，自备井主要分布在经开区，此外在老城区也有零散分布，而市政水源井集中于老城区范围。

3.3 模拟区深层地下水现状方案设定

根据临泉县现状及相关规划确定临泉县深地下水开采现状方案(表1)，2021-2025年期间研究区内所有市政井和自备井正常开采，同时根据临泉县未来需水量，市政开采井每年以0.58万 m3/d的需水量增加，未来5年自备井中深层地下含水层的需水量每年固定为0.44万 m3/d。从2026-2030年，随着引江济淮工程通水，临泉县深层地下水市政井及自备井全部封停备用。

表1 临泉县深层地下水开采现状方案

3.4 模拟预测结果

根据现状临泉县城区深层地下水开采量和未来十年临泉县深层地下水开采规划，模拟得到未来十年临泉县城区深层地下水含水层水位变化情况，见下图4。结果表明：2021-2025年，第一年底、第二年底以及第五年底研究区降落漏斗最深水位分别下降约至-27.8 m、-29 m以及-34 m，降落漏斗持续增大；2026-2030年，随着引江济淮地表水置换地下水，地下水停止开采，研究区深层地下水含水层受测量补给，水位逐渐恢复。

图4 临泉县城区未来十年地下水流场变化图

4 临泉县城区深层地下水调控研究

4.1 调控方案设计

以压采-置换为调控原则，在现状研究区开采布局的基础之上，对深层地下水开采量进行优化调整，结合研究区附近地表水或浅层地下水的开发利用，研究设计3种研究区深层地下水开采调控方案，具体方案见下

方案A：将研究区内自备井全部封停备用，其他市政开采井每年以0.58万 m3/d开采量增加。

方案B：将研究区内自备井全部封停备用，其他市政开采井稳定以4.53万 m3/d开采量定量开采。

方案C：将研究区内自备井全部封停备用，其他市政开采井每年以4.53万 m3/d开采量定量开采，此外关闭国家观测井方圆1.5 km的市政开采井。

4.2 调控结果

通过对比现状方案与调控方案下监测井水位变化情况(图5)，结果表明：现状压采方案下，监测井水位降深值最大，恢复水位高差最大；方案C条件下监测井水位降深值最小，恢复水位高差最小；各方案相较现状方案对限采区的影响均有所削减，结合区域政策性的地下水管理辅助手段，可逐步实现区域地下水资源的合理开发利用，控制限采区超采所诱发的一系列环境水文地质问题。但由于各方案对开采量的压采程度有一定区别，总体上方案B、C在限采区的正效应要优于方案A，但3种方案选择需根据研究区实际情况及经济条件进行压采方案选择。

图5 各调控方案监测井水位模拟计算结果

5 结语

以临泉县城区及周边地区为研究区，开展了临泉县深层地下水数值模拟与优化调控方案研究。以压采-置换为调整原则，在现状研究区开采布局的基础之上，对深层地下水开采量进行优化调整，结合地表水、浅层地下水的开发利用，研究设计3种深层地下水开采管理调控方案。各调控方案相较现状方案对研究区的影响均有所削减，结合区域政策性的地下水管理辅助手段，可逐步实现区域地下水资源的合理开发利用，控制限采区超采所诱发的一系列环境水文地质问题。