河南濮阳市傍河水源地地下水资源评价

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(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南 郑州 450045)

河南省濮阳市位于河南省东北部，下辖1区5县，是国家重要的石油化工基地、石油机械装备制造基地、国家重要的商品粮生产基地。截止2012年，濮阳市完成探明并开发了6个地下水水源地，供水规模达到23×104m3/d，仅台前县未实现城市自来水供水。台前县原生地质环境，带来了水质型缺水，造成了该地水资源短缺的问题[1]，仍然是制约经济发展、实现脱贫的重要因素。前人对濮阳市黄河沿岸地带远景水源地进行过预测和评价工作[2]，其中范县-台前应急地下水水源地，提出可供水10×104m3/d的规模[3]。因此，针对濮阳市台前一带，开展傍河水源地地下水资源评价研究工作，可为当地饮水安全保障提供科学依据，可提供城市供水水源地，更好地为经济发展服务。

1 研究区概况

研究区位于濮阳市台前县马楼黄河滩地，分为现代黄河高漫滩和低漫滩。农业灌溉以引黄渠灌为主，辅以少量井灌。地势自西南向东北方向微倾，海拔高度在42～48 m，坡降约1/1 000～1/3 000。

研究区浅层含水砂层有6～8层，厚度一般40～60 m，底板埋深70～90 m，主要由粉砂、细砂、中细砂组成，富水性较好，绝大部分地区为强富水区。地下水水化学类型为HCO3-，矿化度小于1 g/L。地下水补给来源有黄河侧渗、灌渠渗漏、大气降水及灌溉回渗等4种方式；排泄有蒸发、人工开采及径流等3种方式。地下水径流由南向北、由西南向东北，埋深1～4 m。因浅层含水层是水源地开采目的层，故本文仅对浅层水进行研究。

2 地下水资源量计算

依据黄河傍河水资源评价的特点[4]，以2011年10月地下水等水位线图以及垂直黄河的地下水观测剖面可以看出，现状条件下，黄河以侧渗形式补给地下水。依据水力坡度及黄河河床分布，将黄河补给断面划分为2段。

根据水均衡原理[5]，结合本区地下水的补径排条件，建立均衡方程如下：

其中：Q补=Q降+Q河渗+Q回渗+Q渠漏，Q排=Q开采+Q蒸发+Q径排，式中：Q补表示地下水总补给量(m3/d)，Q排表示地下水总排泄量(m3/d)，μ表示水位变动带给水度，F表示均衡区面积(km2)，Δt表示均衡时间段长(d)，ΔH表示与Δt对应的水位变幅(m)，Q降表示降1水入渗补给量(m3/d)，Q河渗表示黄河侧渗补给量(m3/d)，Q回渗表示灌溉回渗补给量(m3/d)，Q渠漏表示引黄灌渠渗漏补给量(m3/d)，Q开采表示工农业及生活用水开采量(m3/d)，Q蒸发表示蒸发排泄量(m3/d)，Q径排表示侧向径流排泄量(m3/d)。

2.1 补给量计算

研究区地下水补给量为降水补给量、黄河侧渗补给量、灌溉回渗补给量与渠渗漏补给量之和。

2.1.1 降水补给量

降水补给量利用下式：

Q降=P效·α·F

式中，P效表示年有效降水量(m)，α表示降水入渗系数，F表示均衡区面积(m2)。

经计算，本区降水入渗补给量(Q降)为2.343×104m3/d。

2.1.2 黄河侧渗补给量

黄河侧渗补给量利用达西公式：

Q河补=K·M·I·L

式中：K表示计算断面的平均渗透系数(m/d)，M表示计算断面的平均含水层厚度(m)，I 表示计算断面的平均水力坡度，L表示计算断面长度(m)。

经计算，本区黄河侧渗补给量(Q河补)为1.665×104m3/d。

2.1.3 灌溉回渗补给量

灌溉回渗补给量利用下式：

Q回渗=β·F·A

式中：β表示回渗系数，F表示灌溉面积(亩)，A表示灌溉定额(m3/亩)。

经计算，本区灌溉回渗补给量(Q回渗)为0.979×104m3/d。

2.1.4 灌溉回渗补给量

灌渠渗漏补给量利用下式：

Q渠漏=q·L·t·86 400/365

式中：Q渠漏表示灌渠渗漏补给量(m3/d)，q表示灌渠渗漏强度(m3/s·km)，L 表示灌渠长度(km)，t表示灌渠行水时间(d)。

经计算，本区灌渠渗漏补给量(Q渠漏)为1.135×104m3/d。

2.2 补给量计算

研究区地下水排泄量为人工开采量、蒸发排泄量与侧向径流排泄量之和。

2.2.1 人工开采量

人工开采量(Q开采)含农业井灌开采量(Q农)、人畜饮用量(Q饮)。本区因位于黄河漫滩区，限制各类厂矿企业的建立，故区内工业开采量基本为零。

农业开采量按统计的井灌面积乘以灌溉定额，计算的农业开采量为1.762×104m3/d。人畜用水量根据调查资料，按人均每天用水量0.05 m3/d计算人畜用水量，计算的人畜饮用量为0.275×104m3/d。

本区人工开采地下水量(Q开采)为2.037×104m3/d。

2.2.2 蒸发排泄量

地下水蒸发排泄量利用Q蒸=ε·F来计算，本区蒸发排泄量(Q蒸)为3.036×104m3/d。

2.2.3 侧向径流排泄量

利用达西公式计算地下水径流量，本区侧向径流排泄量(Q径排)为1.053×104m3/d。

2.3 现状条件下均衡分析

现状条件下，研究区内地下水补给量为6.122×104m3/d，排泄量为6.126×104m3/d，排泄量略大于补给量，均衡差为0.004×104m3/d，相应计算区内地下水年下降0.004 m。根据监测资料，马楼乡大寺张地下水位2005-2012年平均每年下降0.003 m，实际水位下降与计算水位下降相差0.001 mm。

总体来看，区内地下水处在一个动态平衡状态，计算水位与实测水位基本接近，表明计算所选参数比较合理，计算的补给量和排泄量比较可靠。

2.4 含水层的容积储存量

以含水层组厚度的二分之一(30 m)为最大疏干深度，研究区地下水埋深取平均值2.5 m，浅层含水层的容积储存量按下式计算：

Q储=μ·F·H

式中：μ表示含水层平均给水度(取经验值0.1)，F表示含水层分布面积(m2)，H表示含水层平均厚度(m)。

研究区内含水层的地下水容积储存量为1.787 5×108m3，是现状年平均资源量的8倍，具有较大的调蓄能力，合理地动用部分储存量是可行的。即在枯水时期动用的储存量只要在丰水期得以偿还，不会造成地下水位的持续下降或水资源的枯竭。

3 地下水允许开采量评价

地下水可开采资源量是指在一定经济技术条件下，可以持续开采利用的地下水量，并在开采过程中不发生严重的环境问题的地下水量。本文采用数值法对水源地拟新增1.6×104m3/d条件下的地下水允许量进行计算评价。

3.1 数值法介绍

数值法是将系统连续的函数在时间、空间上离散化，求该函数在有限的离散点的近似值，目前常用的方法可分为有限单元法和有限差分法。数值方法能够更好地反映复杂条件下的地下水流动状况，模拟程度高，成为当前地下水资源评价中的重要方法。目前，数值模拟软件数量众多，且功能强大而广泛使用，主要有MODFLOW、Visual MODFLOW、FEFLOW和GMS等。

本次研究利用Visual MODFLOW软件进行地下水数值模拟。该系统是由加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc.在MODFLOW软件基础上，应用现代可视化技术开发研制的高度集成的软件包。该系统的主要特点是无缝连接数值模拟过程中的各个步骤，从开始建模、输入和修改各种类型的水文地质参数和几何参数、运行模型，反转校正参数直到输出的输出，使整个过程从始至终系统化，标准化[6]。

3.2 模型离散

3.2.1 空间离散

根据研究区内流场特征、系统的结构特征、水力特征和边界条件，采用等间距有限差分的离散方法，进行自动矩形网格剖分。将全区剖分为60行、60列，采用500 m×500 m的剖分格式，垂向剖分1层，剖分时对观测井及抽水井附近适当加密，采用250 m×250 m的剖分格式，有效计算区面积65 km2。

3.2.2 时间离散

考虑研究区范围和精度的要求，模拟期为2011年10月至2012年3月，总共历时180 d。根据地下水动态监测及降水特征将模拟期以一个月为一个应力期，步长3 d，每个应力期10个步长。

3.2.3 模型的输入

利用2011年10月1日的浅层统调点观测水位进行插值计算生成初始流场，以ASCⅡ文件赋给模型。含水层顶、底标高，由mapgis利用计算区内20个钻孔资料插值计算，生成含水层顶、底等值线图，再转换成shp格式文件输入Visual ModFlow。源汇项采用地下水数值模拟软件Visual ModFlow4.3中相应模块General Head、Recharge、Evapotranspiration及Wells输入。

3.3 模型校正与识别

通过拟合2012年3月1日地下水统测流场及长观孔的历时曲线，识别水文地质参数、边界和其它均衡项，模型识别取得了较好效果，拟合结果显示较理想(见图1)。所建立的水文地质概念模型和数学模型比较正确的，可以满足允许资源量计算和水位预测工作的需要。

3.4 地下水允许开采资源量评价

3.4.1 水位预测

利用已识别的地下水流模型，参照确定的双排布井开采方案，对研究区连续开采20年后的地下水降深值进行了模拟计算，其初始流场为2011年10月1日统测流场。

通过模拟计算，开采情况下水源地水位持续下降，且下降速率很快，至3.6 a后趋于稳定。地下水位整体下降幅度很小，在集中开采地段形成小的降落漏斗，最大水位降深2.8 m，位于TC2开采井附近。

图1 长观点历时曲线拟合图

3.4.2 地下水均衡分析

在开采条件下，研究区地下水补给量为5.878×104m3/d，排泄量为5.876×104m3/d，补给量与排泄量基本平衡。地下水补给量中，黄河侧渗和降水在补给量中占大多数。排泄量中，边界流出在排泄量中最多，其次是水源地开采、人工开采和蒸发排泄。水源地开采组成部分，主要为减少的蒸发量以及激发的黄河侧渗补给量。

3.4.3 允许开采资源量评价

研究区允许开采资源量的预报，应在现有开采技术条件下，以不影响已有工、农业用水等为原则。通过模拟计算得出水源地开采20 a后，水位达到稳定状态，水位降深在约定范围之内，地下水允许开采资源量完全可以满足1.6×104m3/d的要求。

4 结语

为了对濮阳市傍河水源地地下水资源状况进行评价，首先采用水均衡法，分析地下水动态平衡状态，计算水位与实测水位基本接近，所选参数比较合理。采用数值法计算和评价新增水源地允许开采量，计算结果显示，水源地地下水补给量为5.878×104m3/d，排泄量为5.876×104m3/d，补给量与排泄量基本平衡，水位达到稳定状态，水位降深在约定范围之内，说明水源地设计新增1.6×104m3/d是可靠地。