江蘇鹽城市地下含水系統(tǒng)真三維模型

江蘇鹽城市地下含水系統(tǒng)真三維模型

0含水層機理評價在第三紀和第四紀層中，有較強的含水量砂層和相對較弱的粘土層組成了一個完整的含水層系統(tǒng)。以往在對這種系統(tǒng)進行地下水資源評價時,往往將粘性土弱含水層概化為越流層來處理,采用準三維模型對各含水層逐一進行評價計算。這種概化方式不僅忽略了粘性土弱含水層的釋水機理,而且大大簡化了各含水層之間的水文地質(zhì)機制,導致了計算結(jié)果的重復或缺失。要正確評價此類含水系統(tǒng)的地下水資源量,唯有將各含水層有機地結(jié)合起來,將其視為一個統(tǒng)一的復合含水層系統(tǒng),采用真三維模型來評價。隨著地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的不斷完善、計算機科學的飛速發(fā)展,為地下水系統(tǒng)的三維模擬計算提供了可能。本文以鹽城市為例,詳細論述了復合含水層系統(tǒng)地下水資源評價三維數(shù)值模型的理論與方法,在建立鹽城市復合含水層系統(tǒng)三維數(shù)值模型的基礎上,結(jié)合鹽城市對各含水層地下水位的控制要求,評價出了各含水層的最優(yōu)開采量。1地下水開采量劃分鹽城市是江蘇省蘇北沿海的新興城市,東臨黃海,西接泰興、淮陰,南接南通,北接連云港,面積約1.5×104km2。區(qū)內(nèi)堆積了一套巨厚的新第三系、第四系松散沉積層,構(gòu)成了巨厚的松散孔隙含水系統(tǒng),并根據(jù)巖性和時代,從上到下分別劃分為全新世孔隙潛水含水層,晚更新世第Ⅰ承壓含水層,中更新世第Ⅱ承壓含水層,早更新世第Ⅲ承壓含水層和中、上新世第Ⅳ承壓含水層,其間以弱含水的粘性土層相分隔(圖1)。由于潛水及第Ⅰ承壓含水層中的地下水主要以咸水和半咸水為主,因此,地下水的開采主要以第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層為主。自20世紀90年代以來,地下水開采量劇增,地下水位大幅度下降,各含水層均已形成了區(qū)域性的地下水位降落漏斗。局部地段由于地下水開采過于集中,已引發(fā)了地面沉降和上部咸水入侵等地質(zhì)環(huán)境問題,且嚴重程度日益增強。因此,正確認識地下水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,選取合適的數(shù)學模型,合理評價出地下水系統(tǒng)的可開采量,對地下水系統(tǒng)的開采進行優(yōu)化控制,已成為當務之急。2地下水流態(tài)概化研究區(qū)內(nèi)有供水意義的含水層為第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓含水層,各含水層通過其間的粘性土弱含水層發(fā)生強烈的水力聯(lián)系,故將第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ承壓含水層和其間的粘性土弱含水層作為一個統(tǒng)一的復合含水層系統(tǒng),并將其概化為三度空間上的非均質(zhì)各向異性。東部以黃海為邊界,南部、北部和西部均以行政區(qū)域為界,有水位實測點的地段按第一類邊界處理,其余均按第二類邊界處理,系統(tǒng)的頂、底部均為隔水邊界。整個地下水流態(tài)概化為三維非穩(wěn)定流。區(qū)內(nèi)的抽水井均以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位,按大井處理。3kxnx+kz.z,t根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)概念模型,建立下列與之相適應的數(shù)學模型:??x(kxx?h?x)+??y(kyy?h?y)+??z(kzz?h?z)?W=SS?h?t,(x,y,z)∈Ω,h(x,y,z,t)|t=0=h0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,h(x,y,z,t)|Γ1=h1(x,y,z,t)?(x,y,z)∈Γ1,kxx?h?nx+kyy?h?ny+kzz?h?nz|Γ2=?q(x,y,z,t)?(x,y,z)∈Γ2。??x(kxx?h?x)+??y(kyy?h?y)+??z(kzz?h?z)-W=SS?h?t,(x,y,z)∈Ω,h(x,y,z,t)|t=0=h0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,h(x,y,z,t)|Γ1=h1(x,y,z,t)?(x,y,z)∈Γ1,kxx?h?nx+kyy?h?ny+kzz?h?nz|Γ2=-q(x,y,z,t)?(x,y,z)∈Γ2。式中:kxx,kyy,kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)(m/d);h為點(x,y,z)在t時刻的水頭值(m);W為源匯項(1/d);h0為計算域初始水頭值(m);h1為第一類邊界的水頭值(m);SS為彈性儲水率(1/m);t為時間(d);Ω為計算域;Γ1為第一類邊界;Γ2為第二類邊界:nx、ny、nz為第二類邊界x、y、z方向上的外法線方向;q(x,y,z,t)為第二類邊界上單位面積的補給量(m/d)。4地下水滲透系數(shù)及流場分析上述模型采用有限差分法求解,并采用強隱式法(SIP)聯(lián)立迭代求解代數(shù)方程組。將整個研究區(qū)在平面上剖分成100×60的矩形網(wǎng)格單元,在垂向上將其剖分成第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等3個承壓含水層和2個粘性土弱含水層,共5層,每層的有效計算單元為3076個,共計15380個(圖2)。采用間接法識別、驗證模型中的參數(shù)(滲透系數(shù)k和彈性儲水率SS),以2000年12月31日至2002年6月30日作為模型識別的時段,以2002年6月30日至2002年12月31日作為模型驗證的時段,將每個季度作為一個地下水開采制度期,共分8個制度期。各含水層均有一定數(shù)量的觀測井用來進行水位擬合,其中第Ⅱ承壓含水層有34個觀測井,第Ⅲ承壓含水層有46個觀測井,第Ⅳ承壓含水層有21個觀測井,共計101個觀測井,基本控制了整個含水層系統(tǒng)。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)各含水層地下水的開采量由實際調(diào)查獲得,各含水層的初始流場均由實測獲得,兩個粘性土弱含水層的初始流場由上下含水層插值獲得,各含水層通用邊界上的水頭值由實測值經(jīng)插值給出,各含水層參數(shù)分區(qū)的參數(shù)初值均按現(xiàn)場試驗和室內(nèi)實驗并結(jié)合前人資料給出,各觀測井水位擬合誤差均控制在0.5m以下,各觀測井由水位計算值和實測值所確定的點基本上落在由水位計算值和實測值所確定的直角坐標系的45°角線上(圖3),含水層末時刻的地下水位計算流場見圖4,與實測流場相吻合。經(jīng)識別、驗證,第Ⅱ承壓含水層共分23個參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)為45～2.0m/d,垂向滲透系數(shù)為4.5～0.2m/d,彈性儲水率為9.9×10-4～5.6×10-6m-1;第Ⅲ承壓含水層共分28個參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)為40.5～2.0m/d,垂向滲透系數(shù)為4.05～0.2m/d,彈性儲水率為9.8×10-4～1.0×10-6m-1;第Ⅳ承壓含水層共分13個參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)為25.6～3.0m/d,垂向滲透系數(shù)為2.6～0.63m/d,彈性儲水率為9.88×10-4～1.0×10-6m-1;第Ⅰ粘性土弱含水層共分8個參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)為(6.8～1.0)×10-6m/d,垂向滲透系數(shù)為(6.8～1.0)×10-7m/d,彈性儲水率為(6.0～1.0)×10-10m-1;第Ⅱ粘性土弱含水層共分7個參數(shù)區(qū),水平滲透系數(shù)為(4.0～1.0)×10-6m/d,垂向滲透系數(shù)為(4.0～1.0)×10-7m/d,彈性儲水率為(6.0～2.0)×10-10m-1。含水層水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)見圖5,各分區(qū)的參數(shù)值見表1。5地下水開采計劃和預測5.1地下水開采量預測為防止由于地下水位的下降而引起的地面沉降及上部咸水入侵等地質(zhì)環(huán)境問題的進一步惡化,需重新規(guī)劃地下水的開采量,調(diào)整現(xiàn)有地下水的開采布局。到2020年底,第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層中的地下水位應分別恢復到-20m、-30m和-40m,并最終逐步趨于穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)有掌握的地下水系統(tǒng)動態(tài)資料,以2003年4月30日作為預測的初始時刻,以2003年地下水的開采布局為基礎,從2003年4月30日起到2020年底逐年壓縮現(xiàn)有各含水層的開采量,局部地區(qū)逐年增加現(xiàn)有各含水層的開采量,調(diào)整現(xiàn)有地下水的開采格局,以滿足2020年底第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層中的地下水位分別恢復到-20m、-30m和-40m,并獲取最大地下水開采量的要求。具體的調(diào)整情況見表2。從2020年底起到2030年底各含水層開采量逐年增加,力求使第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層中的地下水位不再回升,分別穩(wěn)定在-20m、-30m和-40m左右,具體增加情況見表3,并以2030年底的地下水流場作為初始流場,保持2030年的地下水開采量不變,再作穩(wěn)定流預測。5.2地下水流場變化模型運行結(jié)果表明:按上述規(guī)劃方案進行開采,到2020年底第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層中的地下水位均能恢復到-20m、-30m和-40m的要求,地下水位降落漏斗日趨平緩,尤其是第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層中現(xiàn)有的局部性大降深降落漏斗2010年后均將消失。2020年底全市總的地下水開采量為12824.36×104m3,第Ⅱ承壓含水層中地下水的開采量為2726.56×104m3,占總量的21.26%,第Ⅲ承壓含水層中地下水的開采量為7330.62×104m3,占總量的57.16%,第Ⅳ承壓含水層中地下水的開采量為2731.18×104m3,占總量的21.30%,2020年底～2030年底各含水層中的地下水位略有下降或回升,2030年底后各含水層中的地下水位基本穩(wěn)定,第Ⅱ承壓含水層、第Ⅲ承壓含水層和第Ⅳ承壓含水層中的地下水位基本上穩(wěn)定在-20m、-31m和-40m左右,地下水處于穩(wěn)定開采狀態(tài),全市總的地下水開采量為13222.2×104m3,第Ⅱ承壓含水層中地下水的開采量為2847.84×104m3,占總量的21.54%,第Ⅲ承壓含水層中地下水的開采量為7514.2×104m3,占總量的56.83%,第Ⅳ承壓含水層中地下水的開采量為2860.16×104m3,占總量的21.63%,詳細的地下水流場變化見圖6和圖7,各縣市各時期在各含水層中的地下水開采量見表4。6復合含水層地下水資源評價三維數(shù)值模型鹽城市地下水系統(tǒng)是一個復雜的復合含水層系統(tǒng),本次評價計算采用三維數(shù)值模型,將各含水層之間的水力聯(lián)系作為含水系統(tǒng)內(nèi)部的水文地質(zhì)機制加以刻畫,徹底克服了準三維(或二維