济宁黄金屯第四系孔隙水允许开采量评价

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1、http:/ -1- 图 1 交通位置图 Fig1 Map of location and traffic 济宁黄金屯第四系孔隙水允许开采量评价济宁黄金屯第四系孔隙水允许开采量评价 吴世艳，杨国勇 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州(221008) E-mail：meizi_jane_ 摘摘 要要：分析了济宁黄金屯地区的地质、水文地质条件，地下水资源开发利用现状，建立研 究区的水文地质概念模型， 用数值法评价了水源地第四系孔隙水的允许开采量， 分析了两种 开采方案下的地下水水量平衡表， 对开采方案进行了论证， 并提出地下水资源合理开发利用 的建议。 关键词：关键词：允许开采量，数值法，水

2、量平衡，地下水 1. 引言引言 地下水允许开采量是指取水方案在技术上可行、经济上合理,在整个开采期内动水位不超过设计值、出水量不会减少，水质、水温的变化不超过允许范围，不发生危害性的环境地质现象和影响已建水源地的正常生产的单位时间内从水文地质单元 （或取水地段） 中能够得到的水量1。随着地下水科学理论与实践的发展，在我国，关于地下水资源的概念及其分类研究，尽管经历了由“四大储量”（静储量、动储量、调节储量、开采储量）到“三种水量”（补给量、储存量、允许开采量）直至“资源”（补给资源、储存资源）的发展过程2,3，具体应用中，地下水允许开采量仍是评价水源地开采能力的重要指标。 地下水允许开采量可理

3、解为地下水动水位埋深不超过最大允许埋深条件下的最大开采量, 即地下水动水位不低于警戒水位的最大开采量, 此量应包括预计开采条件下增加的补给量、排泄减量和动用的储存量。当地下水系统达到抽水条件下新的平衡时, 允许开采量即为开采条件下增加的补给量和排泄减量4。 评价地下水允许开采量的计算方法可归纳为七种： 开采试验法、 相关分析法、 水均衡法、解析法、地下水文分析法、数值法等3，本文用数值法对济宁黄金屯水源地第四系孔隙水允许开采量进行评价。 济宁黄金屯水源地位于山东省济宁市和兖州市之间，范围包括兖州市城区、新兖镇、王因镇、黄屯镇和颜店镇，及兴隆庄镇、大安镇和济宁市柳行镇、邹城市太平镇四镇的部分地区

4、，面积约338km2(图 1)。区内居民生活、工农业生产以地下水作为主要供水水源，分别取自不同含水层。 兖矿集团“十五”具发展战略意义的国际焦化产业项目，拟以黄金屯第四系孔隙水作为供水水源，该项目对水源的依赖性很强，因此必须对第四系孔隙含水层的供水能力进行综合的评价。 自上世纪六十年代起，地质、煤炭、水利等部门为不同目的在本区及邻区曾先后进行过http:/ -2- 图 2 区域构造纲要图 Fig2 Map of regional construct framework 多次地质及水文地质工作。鲁南地质工程勘察院 2005 年 5 月在黄金屯和杨厂的中间地段进行过开采性抽水试验， 取得了大量的第

5、一手数据， 为综合评价第四系孔隙水允许开采量提供了翔实、可靠的资料。 2. 区域背景区域背景 2.1 气象、水文气象、水文 本区位于泗河冲洪积扇平原，属淮河流域、南四湖水系，多年平均降水量 683.34mm，主要地表水体有洸府河、杨家河、辽沟河、泗河和东部采煤沉陷积水洼地，对区内第四系孔隙水有一定的补给作用。 2.2 区域地质区域地质 本区位于鲁西台隆兖州凸起构造北部，该构造西以孙氏店断裂为界与济宁凹陷相邻，北以郓城断裂为界与汶泗凹陷相连，东以峄山断裂为界，南以凫山断裂为界（图 2） 。区域地层主要分布有古生界寒武奥陶系、石炭二叠系和中生界侏罗系及新生界第三系、第四系。寒武奥陶系较集中的分布于

6、邹城西南与兖州西部地段，石炭二叠系绕兖西断块分布，侏罗系则主要分布于峄山断裂曲阜邹城段的西盘。除南部山区寒武、奥陶系基岩出露以外，其余大部分为隐伏型。 2.3 水文地质水文地质 第四系松散岩类发育有良好的含水砂层，发育埋深在 110m 之上。 根据含水岩组的岩性特征和地层结构，可分浅层孔隙含水层、中深层孔隙含水层，大体以埋深 40m 为界。 浅层孔隙水以大气降水入渗和河水渗漏为主要补给来源， 次为侧向径流补给、 灌溉回渗补给。排泄方式以人工开采为主，次为向中深层含水层的越流排泄和侧向径流。单位涌水量一般在 4.66.9L/m.s 之间，在泗河冲洪积扇上游的轴部及工作区南部古河道发育带大于6.9

7、L/m.s。 地下水水位年变幅一般 35m；为潜水-微承压水；水化学类型多为 HCO3-CaMg 或HCO3-Ca 型，近城区及洸府河沿岸个别点水质较差。 中深层孔隙含水层底板埋深一般 110130m， 主要接受上游的侧向径流补给和浅层孔隙水的越流补给， 以人工开采为主要排泄方式， 其次为侧向径流和向下部岩溶含水层越流排泄。 http:/ -3- 单位涌水量一般大于 2.3L/m.s，在冲洪积扇上游及古河道发育带单位涌水量大于4.6L/m.s；在工作区东南部和西北部冲洪积扇的两侧地带，单位涌水量一般小于 2.3L/m.s。 地下水水位年变幅一般 36m；为承压水；水化学类型多为 HCO3-Ca

8、 或 HCO3-CaMg型。 第四系孔隙水由东北向西南径流，最终排泄于南四湖。 中深层地下水由于兖州城区及厂矿企业的开采影响，形成了以城区为中心的降落漏斗，使城区附近的地下水径流方向转为四周向漏斗中心径流。 3. 第四系孔隙水开发利用现状第四系孔隙水开发利用现状 工作区农业水利化程度较高，开采浅层孔隙水主要用于农业灌溉，集中在 3-5 月。全区灌溉面积约 152.71km2，浅层孔隙地下水总开采量约 5688.317104m3/a,合 15.58104m3/d。 兖州城区厂矿企业用水及全区居民生活用水主要取自中深层孔隙水，开采量相对较稳定。市区总取水量（包括企业自备井）共计 10.3104m3

9、/d，市区外围，农村生活用水0.54104m3/d，乡镇企业工业用水 1.248104m3/d。 全区中深层孔隙水总开采量 12.088104m3/d， 其中除农村生活用水 0.54104m3/d 分散开采外，厂矿企业生产生活用水 11.55104m3/d，主要集中在兖州城区及西郊一带。 由此可见，地下水开采布局分布极不平衡，形成了以城区为中心的降落漏斗。 4. 允许开采量评价允许开采量评价 4.1 资源量计算资源量计算 本区地下水处于多年调节状态。 多年含水层中水体积变化量之和近于零， 地下水的补给资源量和排泄资源量相等。据此计算天然资源量与剩余资源量如表 18。 表 1 区域地下水资源计算

10、成果表 Tab.1 Calculation results of Field groundwater resource 4.2 允许开采量评价允许开采量评价 4.2.1 概念模型与数学模型概念模型与数学模型 评价目的层为中深层孔隙含水层。 浅层孔隙含水层为潜水含水层，以大气降水、河流和农业灌溉水等为补给，以人工开采为排泄。 浅层孔隙含水层与中深层孔隙含水层之间为弱透水层，岩性以粉质粘土为主。 中深层孔隙含水层为本区主要供水含水层， 为承压含水层， 接受上部潜水含水层的越流补给， 水位高于底部的奥陶系灰岩含水层水位， 以人工开采及通过弱透水层向基岩越流排泄。 资源量 104m3/d 浅层孔隙水

11、中深层孔隙水 合计 降水入渗量 17.07 17.07 河流渗漏量 5.86 5.86 灌溉回渗量 3.74 3.74 侧向补给量 1.28 3.58 4.86 合计 27.95 3.58 31.53 现状开采量 15.58 12.09 27.67 剩余资源量 3.86 http:/ -4- 模拟区东北部为地下水获取侧向补给的区域，确定为流量边界,西南部边界定为向外流域排泄的流量边界,东、西边界均为流线边界。计算面积为 458.50km2，大于研究区 120.5km2 区域内部的源项有大气降水、农业灌溉等面状补给；河流补给：洸府河、泗河线状渗漏补给。 区域内部的汇项有兖州市供水水源地、 太阳纸

12、业集团供水水源地及农业灌溉取水等水源井点状排泄。地下水水埋深大与 4m，因而忽略地下水的蒸发量。 由此，模拟区水文地质概念模型可概化为非均质各向异性、三维、满足达西定律的包含饱和与不饱和多孔介质含水层的地下水流系统。 不考虑水的压缩性，数学模型为： ()()( , , ) ( , , )(,)(, )ibbbccbbbhFKhzqt hh x y zx y zRxyzBn Khzqxyzt= + += + =式中：F含水介质储水系数 h压力水头 t时间 K渗透系数张量 z位置水头 q源点和(或)汇点 R研究区域 ih初始的水位 (,) bbbxyz边界点的空间座标 n边界的外法线方向 cq流量

13、值 cB流量边界 按伽辽金有限元法对方程进行空间离散化后求解。 4.2.2 水文地质参数识别与检验水文地质参数识别与检验 用 2005 年 5 月 13 日至 6 月 14 日抽水试验数据，对研究区地下水数值模拟系统进行了识别。 识别时根据实际水文地质条件将各水文地质参数分为若干个区， 并以抽水试验成果为分区参数初值，根据实测资料给定地下水初始流场。为程序设计方便，渗透系数分区与降水入渗系数统一分为 12 个分区。奥灰含水层越流补给分为两个区，模拟过程中再对分区范围及参数进行调整，最终得出优化结果。 为了对参数识别结果进行检验，用 2004 年一个水文年的长观资料进行了验证。验证结果为 200

14、4 年地下水处于正均衡，地下水位上升，与实测情况一致，说明计算结果可靠。 4.2.3 不同开采方案的允许开采量不同开采方案的允许开采量 允许开采量是在充分考虑开采约束条件基础上， 按不同开采方案， 采用检验后的数值模型计算得出。 开采资源量的预报，应在现有开采技术条件下，以不影响已有水源地正常运行和工、农业用水等为原则，限定预报开采约束条件为： http:/ -5- （1）根据现有开采技术和本区水文地质条件，模型预测水源地开采主井最大水位埋深不应超过40m； （2）根据实际取水能力，由开采引起的主井水位降深不大于设计降深，此处设计了两个降深值，分别为8m和12m； （3）预测开采量不应超过区域

15、可采资源量； （4）开采状态下，保证浅层地下水水位不可下降太快。 开采布井方案设计， 主要考虑水源地水文地质条件和开采供水条件， 同时兼顾经济技术合理和管理方便的原则。 本次抽水试验实际出水量约 1.0104m3/d，为提高计算允许开采量的保证程度，设计了两种开采方案： （1）方案一：以现有开采井为抽水井，开采量为 1.0104m3/d； （2）方案二：水源地扩大开采规模，新增 3 眼抽水井，开采量为 1.8104m3/d。 根据开采方案，给模型分别输入开采量，通过反复计算，结果为： 水源地降落漏斗中心平均水位降深不超过 8m 的条件下，方案一计算的水源地允许开采量为 1.127104m3/d，主井平均降深 6.22m；降深不大于 12m 的条件下，方案二计算的水源地允许开采量为 1.866104m3/d， 主井平均降深 9.73m。 预报开采条件下地下水水量均衡情况见表 2、3，预报地下水位流场变化情况见图 3、4。 计算结果表明，两种开采方案都满足开采井水位最大降深约束。 方案二与方案一比较，开采量增加 0.739104m3/d，对于浅层含水层，上游补给量、河流渗漏量、 越流排泄增加了， 向下游排泄量减少了； 对于中深层含水层， 上游补给量增加了，越流排泄与向下游排泄量减少了。水资源的转移符合地下水本身的运动规律。 表 2 方案一预报地下水水量均衡表 Tab.2 Fo