四柏城市供水水源地地下水流三維數值模擬

這四個柏樹城市的供水水源位于陜西省靖邊縣西北部毛烏素沙地和洛杉磯高原之間的過渡地帶。屬于干旱和半干旱季風氣候，生態環境相對脆弱。隨著城鎮化建設的快速發展,靖邊縣城市用水供需矛盾日漸突出,與此同時,城鎮化建設對四柏樹水源地供水安全的潛在威脅也日益顯現。為實現城鎮安全供水,在四柏樹水源地范圍內劃定水源保護區已迫在眉睫。1地下水的補給、蒸發區內主要含水層為第四系沖湖積孔隙潛水含水層、白堊系裂隙孔隙承壓含水層,在第四系底部穩定分布一層厚10～30m的亞砂土、亞黏土層,潛水水位略高于承壓水。地下水主要接收大氣降水入滲補給及少量的凝結水補給、農灌回歸補給、地下水側向徑流補給。進入到含水層中的水一部分通過越流補給到白堊系承壓含水層,天然條件下主要通過潛水蒸發排泄,人工開采也是主要排泄方式之一。現狀條件下,區內地下水已遭受一定的污染,個別地段地下水中硝酸根含量達70mg/L、氯離子含量達1192.43mg/L、硫酸根含量達1650.5mg/L。2水源保護的劃分原則和方法2.1級保護區范圍及布井范圍城市飲用水地下水源保護主要是保護供水井不受污染。要求污染物在一定距離、一定時間內到達供水井時,須經沿途介質凈化,使濃度降到目標含量。因此,按照國家有關技術規范要求,將靖邊縣四柏樹水源地保護區劃定為三級保護區:范圍為以地下水取水井為中心,溶質質點遷移100d的距離為半徑所圈定的范圍。當一級保護區范圍過小時,參照“英國水源保護區劃定方法附加規定”,一級保護區的半徑不得小于50m。范圍為一級保護區之外,溶質質點遷移1000d的距離為半徑所圈定的范圍。考慮到四柏樹水源地含水介質為較純凈的砂及砂巖,含水層自身的抗污染能力及凈化能力差,故根據水源井運行時間及國內外部分資料,確定污染物運移時間為25a的距離為二級保護區范圍,水源地的布井范圍也應劃定為二級保護區。考慮到區內含水層自身的防污凈化能力差,同時也考慮到水源地長期為靖邊縣城供水,將三級保護區確定為水源地的主要補給區(開采井的水力截獲區)。2.2地下水流攔截段以地下水流攔截點先采用美國地質調查局開發的地下水流三維有限差分計算程序Modflow2005對計算區地下水流進行數值模擬。然后將水源地開采井作為水質點的起始位置,采用美國地質調查局開發的專門用于水質點示蹤模擬研究的程序Modpath,利用其反向示蹤功能確定向某點匯流的水質點在不同時刻的位置,連接同一質點不同時刻的位置,構成地下水流截獲區,按徑流時間分別為100d、25a,并結合水源地的布井范圍劃分一、二級保護區,并將開采后的主要補給區劃分為三級保護區。3地下水水文氣象及微生物指標考慮到避免集中供水水源地與城鎮區及農灌區的相互影響,今后水源地將逐步向北、西部的沙漠區遷移。為此,計算區范圍在工作區范圍的基礎上分別向四周延伸,大地坐標X為4160000～4179000m,Y為19292000～19314000m。則計算區平面面積為418km2;垂直方向為地面以下、侏羅系頂面以上之間的部分,厚350～400m。計算區內主要供水目的層為白堊系厚層交錯砂巖孔隙—裂隙承壓含水層和第四系沖湖積砂層孔隙潛水含水層,為非均質各向同性介質;白堊系下部地層為侏羅系砂泥巖互層,其結構致密,透水性差,可視為區域隔水底板。計算區內主要供水目的層在區域內延伸廣闊,可視為無限含水層。現狀條件下,計算區東、西邊界及北邊界東段為流線邊界,開采影響區之外南邊界、北邊界西段對白堊系含水層來說可視為定水頭邊界。蘆河從研究區南部流過,河水與潛水水力聯系較差,蘆河流經研究區河段的徑流量較小且水面狹窄,故蘆河河水與地下水間的補排量可忽略不計。研究區內地下水主要接受大氣降水入滲補給及來自上游的地下水側向徑流補給,天然條件下地下水由南、西向東流,以潛水蒸發及地下水側向徑流方式排泄。在開采條件下,開采范圍內地下水由四周向開采中心流動,影響范圍之外徑流方向為由西向東。根據以上水文地質概念模型,建立計算區的地下水三維穩定流數學模型如下:{??x(k?Η?x)+??y(k?Η?y)+??z(k?Η?z)=0(x,y,z)∈ΩΗ=zk?Η?n1=0}潛水浸潤面邊界Η(x,y,z)|Γ1=f1?Η?n|Γ2=0limr→rw(r∫2π0dθ∫hh′k?Η?rdz′)|wi=Qi式中:H為地下水位標高,m;k為滲透系數,m/d;f1為第一類邊界水位標高,m;Qi為第i眼開采井開采量,m3/d;r、θ、z′均為輔助柱坐標變量;n為二類邊界外法線方向;n1為潛水面外法線方向;Γ1、Γ2分別為一、二類邊界;Ω為計算區范圍。對三維穩定流,跡線示蹤模擬的質量平衡方程可表示為??x(nVx)+??y(nVy)+??z(nVz)=w式中:Vx、Vy、Vz分別為線性流動流速矢量在各坐標軸方向的分量,m/d;n為含水層有效孔隙率;w為含水層內部單位體積源和匯產生的水量,L/d。4單元類型劃分根據三維有限差分方法,平面上采用不等距矩形網格,將計算區在平面上沿東西向剖分為320列,沿南北向剖分為266行,最大網格間距為100m,每層活動單元總數為85120個;垂向上剖分為5層。最終將整個計算區剖分為5層425600個單元。根據水源地勘探資料及水文地質概念模型,可對模型中各邊界條件、源匯項等進行賦值,并根據勘探期間的群孔開采性抽水試驗對所建數學模型進行校驗,經驗證后用于水源地保護區劃分。5地下水補排項水資源根據有關規劃資料,預計2010年靖邊縣城需水量將達到3萬m3/d;到2020年,需水量將增加到6萬m3/d。未來新增水源井將在現有水源井基礎上向北、西布設,故而設計未來自來水公司水源井將全部位于北、西部的沙漠區,單井開采量為1440m3/d。現有的2～6號水源井混合開采第四系潛水與洛河組承壓水,其他現有水源井及新設計的水源井單一開采白堊系承壓水。為滿足2010年3萬m3/d的水資源需求,擬在現有水源井基礎上,增加12眼開采井。計算結果表明,在不同降水量條件下,區內含水層滲透系數較小、有效孔隙率相對較大,天然條件下地下水補排項主要為大氣降水入滲與潛水蒸發,天然水力坡度小、地下徑流相對滯緩,使得開采條件下質點流向各開采井的100d、10a以及25a等值線所圈的范圍較小,但各開采井的水力截獲區范圍較大。因地下水總體由南向北流,在開采井北部的水力截獲區范圍較小,故自開采井出發的反向示蹤流線未到達計算邊界就結束了;而在開采井南部的水力截獲區范圍較大,自開采井出發的反向示蹤流線一直延伸到計算區南部的一類邊界。為滿足2020年6萬m3/d的水資源需求,并考慮到減少水源井與當地農灌井的干擾,未來水源井將逐步向北、西布設,并淘汰現有的供水水源井,同時考慮到水源地建設須設計備用開采井,因此在北西部沙漠區共設計開采井55眼,其中開采井41眼、備用井14眼。計算結果表明,75%頻率降水量條件下,質點流向各開采井的100d、10a以及25a等值線所圈的范圍比多年平均降水量條件下的要大。在該開采條件下,質點流向各開采井的100d、10a以及25a等值線所圈的范圍整體向北、西偏移,遠離城鎮人口密集區及農灌區,這樣更加有利于水源保護措施的實施。根據計算結果,并結合水源保護區劃定的原則,在近期規劃需水量條件下,最終確定在現有水源井基礎上增加12眼新井,總開采量為3.048萬m3/d。在近期需水量條件下,新老井共同作用,一級保護區面積為15.7萬m2、二級保護區面積為14.36km2、三級保護區面積為74.07km2。遠期規劃需水量條件下,全部采用新井開采地下水,此時一級保護區面積為43.2萬m2、二級保護區面積為57.13km2、三級保護區面積為137.34km2。6匯流范圍的確定(1)采用地下水流數值模擬與質點示蹤模擬相結合的方法,計算向某點匯流的水質點在不同時刻的空間位置,進而確定不同時間的匯流范