徐州张集水源地浅层地下水动态及其对不同开采方案响应.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.第卷第期年月地理科学凡钾】,文章编号刃一伪卯的一一徐州张集水源地浅层地下水动态及其对不同开采方案响应钱家忠,李如忠,吴剑锋,葛晓光,朱学愚合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥侧旧南京大学地球科学系,江苏 南京以摘要张集水源地是徐州市一个拟建水源地。了解浅层地下水动态变化规律是设计水源地最优取水方案、满足当地居民生活及工农业生产需水和水源地环境保护的重要前提条件之一。分析了水源地在现状以及不同开采条件下浅层地下水动态影响因素,建立了三维等参有限元数学模型模拟水源地地下水运动规律,利用大型群孔抽水试验资料进行参数识别和模型校正,预报了不同开采方案对水源地浅层地下水动态的影响,结果表明水源地开采后,水源地开采将成为浅层地下水动态的主要影响因素之一水源地允许开采量为万,是适合的,它不会引起地下水位的持续下降,不仅可满足当地居民用水需求,而且可以向徐州市稳定供水。关镇词水源地浅层地下水动态开采方案响应中圈分类号汪枯鸿文献标识码水资源短缺、水环境恶化给中国北方工农业生产及人民生活带来严重威胁,缺水导致中国华北平原生态环境,尤其是位于该区的城市生态,发生急剧变化一,水利部对此曾做出推断年后中国将进人严重缺水期。因此 如何解决水 资源问题,是中国当前一项十分迫切的任务。徐州市是中国北方一个以地下水水源为主要供水水源的重要工业化城市,但由于受自然条件限制,水资源短缺一直是阻碍城市发展的一个重要因素。目前,徐州市区内地下水水量不足,出现多年降落漏斗地面水厂水源水质得不到有效控制,因此,在市区外围为徐州市寻找和开发新的地下水源迫在眉睫。张集水源地是为满足徐州市城市发展以及经济建设用水需求而在市区外围拟建的大型水源地,了解水源地地下水动态变化规律是设计水源地最优取水方案、满足当地居民生活及工农业生产需水的重要前提条件。基于此,特提出本文研究。政边界为水源地边界自邓楼果园一官庄一线以西为“潘塘断陷槽地”,其沉积厚度达千米以上,故该线可作为水源地西部地质边界或隔水边界。研究区总面积为图。鹅了、认盆振、少赞,比例尺遭 幻劝】,产、傲省、痴张集水源地交通位置图匆竺一即水源地概况张集水源地位于徐州市东南约,北部边界为同沃一赵瞳一崔贺庄水库北坝一路山的山脊线东部和南部则以铜山县与唯宁县及安徽省的行地下水以岩溶水为主,有埋藏浅、水量大、水质优和适宜集中取水等特点,为水源地目的取水层孔隙水广泛分布在平原区,水量虽小,但它是村民分散用水的主要水源,也是岩溶水重要补给来源。收稿日期一一修订日期加一一若金项目 国家自然科学基金资助项目喇幻和叨。作者简介钱家忠一,男,安徽凤阳人,博士,副教授,主要从事水资源水环境模拟研究工作,一可之腼 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.期钱家忠等徐州张集水源地浅层地下水动态及其对不同开采方案响应浅层地下水动态的影响因素分析浅层地下水为联系大气降水、地表水与深层地下水间“桥梁”,其动态变化受大气降水、蒸发、地表水补给、灌溉水回渗及人工开采等影响。大气降水对潜水水位动态的影响大气降水对孔隙水的补给作用主要表现在以下几个方面孔 隙水水位变化具有明显 的季节性孔隙水位升降幅度受降水强度控制 降水后水位滞后变化与地形、地貌及地表岩性有关。在山前或山间盆地 中,由于汇水条件好,降水时孔隙水除了垂向人渗补给外,还接受侧向逸流补给,水位变化滞后降水时间一般一日在平原区水位变化滞后降水时间除受降水强度影响外,还与地表岩性有关,地表为粘性土时就慢一些,为砂性土时就快一些,但一般都在日以内降水人渗补给系数除和地表岩性有关外,还与局部地形有关。废黄河滩地,河堤高中间低,地表多为粉砂和亚砂土,故降水难以外泄,多数渗人地下,故降水人渗补给系数较其它地区为大图。图孔隙水位随降水量变化曲线目加山】山叱衍朋二硒衍,其中地表水 占,为,地下水 占,为,。农灌水除消耗于蒸发及植物吸收外,对孔隙水有补给作用,从而影响到浅层地下水水位的波动。地表水的入渗补给黄河故道虽然断流,但并不是无水,由沿河梯级节制闸的控制作用,使黄河变成了以蓄水为主的人工水库,而且始终保持有较高的河水位,众多的傍河水库及运料河、同河、郭集大沟等。这些常年性地表水体是区内孔隙水补给的重要水源,补给方式有垂向,也有侧向。此外,浅层地下水的开采对地下水位有直接影响,据统计,全区浅层地下水开发利用总量为,。由于其为分散取水,所以对地下水水位动态影响具有局部性。需要说明的是,由于本区岩溶水开采量较少,在张集一带的平原区,岩溶水主要表现 为承压性质,水头高出孔隙水面较多,因此,在现状条件下,孔隙水难以形成越流补给岩溶水。孔隙水的运移方式当以水平方向为主,但在开采岩溶水条件下,岩溶水水头下降,孔隙水运移方式将会有所改变。尤在废黄河河堤范围内的漫滩区,孔隙水水头高于岩溶水水头,孔隙水将下渗补给岩溶水。这是岩溶水的一个重要的补给来源。浅层地下水流数值模拟数学模型的建立及求解方法根据研究区水文地质,本区的裂隙岩溶地下水流可概化为非均质各向异性介质 中的三维非稳定流问题。其数学模型为影、誉爵、爵影静蒸发对浅层地下水水位动态影响蒸发排泄是浅层地下水排泄的 主要方式 之一。研究区南部广大平原区,地下水埋深浅,一般一,主要为粉土,浅层地下水蒸发损失量十分巨大,从而影响到水位波动。农田灌溉水的回渗补给水源地内现有耕地扩,其中 水田面柳,农田灌溉用水量为。日二口刁二,幻二,风二,中,了,尺。,。二、竺天。,、,任一凡,了,。研一山式中,凡、心、凡分别为主轴方向渗透系数二二,为研究区内时刻水 头为 给水度钱家忠徐州市张集水源地裂隙岩溶水三维数值模拟及相关问题研究南京大学博士学位论文,1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.卷二巩巩巩一巩一口为源、汇项。其中巩为降水人渗补给强度 巩为灌溉人渗补给强度巩为水库渗漏补给强度俄为蒸发强度为开采强度为研究的空间区域为第一类边界曲面气为第二类边界曲面,为初始水头沪二,为第一类边界上水头为第二类边界上的单位面积流量,流人为正,流出为负。将空间区域剖分为有 限个六 面体单元,取单元的个角点为节点。应用有限元技术建立定解问题的线性代数方程组。由于单元为任意形状的六面体,在总体坐标下对它求三重积分比较困难,所以我们用等参有限元方法求解。该方法根据整体坐标和等参坐标之间的转换关系,将整体坐标下的线性代数方程组转化为等参坐标下的线性代数方程组。解代数方程组即可求得任一时刻流场中各点的水头分布。模型参数识别及模型校正利用群孔抽水试验资料模拟求参根据研究区水文地质条件特征将研究区潜水含水层剖分为个参数分区图。总共肠个单元,个节点 计算时段分为抽水试验应力期和恢复应力期两部分,总应力期分为个时段,时间步长由小时至一个月不等。图张集水源地水文地质参数分区乡朋面】司钾功二比”自、模型参数的识别采用 间接法。即假定每个分区具有相同的参数。首先给每一个分区分别赋参数初值,代人有限元模型中计算出观测孔的水头,并将观测孔的计算水头与实测水头进行比较,其评价函数的表达式为艺艺巩代一衅,二二式中,为时段总数为观测孔总数为各观测孔的权函数代为时段末号观测孔的计算水头衅为时段末号观测孔的实测水头。不断调整参数,校正模型,当目标函数达到“最小”时,同时满足国家标准一要求则认为参数达到了“最优”。通过参数识别,得到研究区各个分区的水文地质参数。拟合结果表明,个浅层地下水观测孔中,其绝对误差小于的有个,占总数的,满足国标要求大于吕。拟合参数见表和表。表、结果与研究区实际情况基本一致。典型观测孔水位拟合曲线见 图。不同开采方案对浅层地下水动态的影响对一个地下水系统而言,其所获得的补给量大小归根结底来 自于大气降水的多寡及其分配状况。因此,未来大气降水的组合直接影响到水源地地下水资源评价结果,。然 而,对于城市拟建水源地而言,为供水安全计,应考虑到不利的降水情况。这里采用不同经验频率组合的降水量对地下水进行预报。取降水量偏低的年,即降水年份为个平水年、枯水年,其组合关系为个枯水年个平水年个枯水 年,平均年降水 量 为考虑两 种 取 水 方案即方 案,水源地日产万,水量方案,日产万,水量,包括水源地原有的开采量万衬。两种方案开采,对浅层地下水动态有不同的响应。典型观测孔曲线分别见图、图。由图、图可以看出,以方案开采,水源地浅层地下水水位在开始时刻有所下降,但趋于稳定,不会影响当地居民正常生活以及当地工、农业生产,但若以方案实施,水源地浅层地下水水位则有持续下降趋势,作为一个水源地,一般至少服务年,因此,方案不仅会影响水源地安全生产,而且会影响当地居民正常生活,危害当地工农业生产。由此可见,水源地投产后,水源地开采量将成为影响该地区浅层地下水动态的主要 因素。结论与建议本文分析了拟建水源地在现状条件下以及不 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.期钱家忠等 徐州张集水源地浅层地下水动态及其对不同开采方案响应表拟合所求得的各分区渗透系数和给水度参数值,戈厂因 曰主轴方向渗透系数耐生给水度一们一,鱼团剖分层号分区编号以洲洲洲,肠加仪洲以刃砚旧加叨加主要地层代号及构造带废黄河河漫滩、。日、任种、自几凡去废黄河断裂带搜盖层废黄河断裂带硬盖层废黄河断裂带硬盖层废黄河断裂带扭盖层废黄河断裂带极盖层咤呢咤甘,潜水含水层表司 日拟合所求得的各分区降水入渗系数及蒸发系数参数讲功币叱分区号降水人渗系数燕发系数分区号降水人渗系数燕发系数日 叹注表中“一”符号表示岩溶山区不考虑蒸发号号结点号号 结 点日划书马马号号结点日划书划书卜二时肆一时段,臼,二街从叮川川或时醉。号号结点图恢复应力期典型观测孔水位拟合曲线砰川司号号结 点日划书同开采条件下浅层地下水动态影响因素,建立了三维等参有限元数学模型模拟水源地地下水运动规律,预报了不同开采方案对水源地浅层地下水动态的影响,得到以下几点认识水源地未开采条件下,地下水动态受大气降水、蒸发、地表水补给、灌溉水回渗以及各种人工开采等因素影响,但基本上处于平衡状态水源地开采后,水源地开采将成为浅层地下水动态的主要影响因素之一两种不同开采方案的数值模拟结果表 明 方案即水源地允许开采量为是适图开采方案条件下典型孔隙观测孔水位预报曲线如卿哪呵合的,它不会引起地下水位的持续下降,不仅可以满足当地居民用水需求,而且可以向徐州市稳定供水为水源地供水安全及当地居民安全计,建议建立水源地地下水位长期动态观测 网,对水源地地下水动态进行监测、分析,为水源地水资源保护 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.地理科学卷号号结点参考文献通月峨月,曰,口山划书一,卫号号结点,叨,曰,曰,曰划书里 多,一气号号结点匕,口几,口,曰目内划书一工自一匕工图开采方案条件下典型孔隙观侧孔水位预报曲线花沙成日碑,吧颐场爬哟提供必要依据。李,劝,卜阅,习花如山枯脚口以试目旧讹妞,苗粉时。汕,石”,旧二 卜。己过山司”目企。,仪,一吴凯,许越先 黄淮海平原水资源开发的环境效应及其调控对策地理学报,卯,一贾金生,刘昌明华北平原地下水动态及其对不同开采响应的计算以河北省滦城县为例地理学报,以犯,盯一的中华人民共和国水利部 十年后将进人严重映水期【新华日报,以一肠一的周念清,钱家忠,吴剑锋,等 中国北方岩溶区优势面控水机理及优势参数的确定与应用【地质论评,加,盯吴剑锋,朱学愚,钱家忠,等方法在徐州市裂晾岩溶水资源管理模型中的应用【水利学报,“刀,一薛禹群,谢春红水文地质学的数值法【北京煤炭工业出版社,中华人民共和国中华人民共和国国家标准地下水资稼管理模型工作要求刁华抖一一日实施钱家忠,朱学愚,吴剑锋地下水资源评价中降水的时序马尔可夫模型【地理科学,一幼价触址幻认一肠飞,一,则一褚,“一缨,一,反扣”云脚山记石 触,如时司肠倾砚州咭,月诉刀认洲妙峋盯,袄乖,侧叉沟及娜时附越石扮月人反翻能曰,而蟒叮以姗勿,肠幼咭,再助护“刃加。,目即飞户面卯画,叨,喀,盯,介,一止切,俪嗯,一。,稗飞二,脚切,劝,二,