四柏城市供水水源地地下水流三维数值模拟

四柏城市供水水源地地下水流三维数值模拟

这四个柏树城市的供水水源位于陕西省靖边县西北部毛乌素沙地和洛杉矶高原之间的过渡地带。属于干旱和半干旱季风气候，生态环境相对脆弱。随着城镇化建设的快速发展,靖边县城市用水供需矛盾日渐突出,与此同时,城镇化建设对四柏树水源地供水安全的潜在威胁也日益显现。为实现城镇安全供水,在四柏树水源地范围内划定水源保护区已迫在眉睫。1地下水的补给、蒸发区内主要含水层为第四系冲湖积孔隙潜水含水层、白垩系裂隙孔隙承压含水层,在第四系底部稳定分布一层厚10～30m的亚砂土、亚黏土层,潜水水位略高于承压水。地下水主要接收大气降水入渗补给及少量的凝结水补给、农灌回归补给、地下水侧向径流补给。进入到含水层中的水一部分通过越流补给到白垩系承压含水层,天然条件下主要通过潜水蒸发排泄,人工开采也是主要排泄方式之一。现状条件下,区内地下水已遭受一定的污染,个别地段地下水中硝酸根含量达70mg/L、氯离子含量达1192.43mg/L、硫酸根含量达1650.5mg/L。2水源保护的划分原则和方法2.1级保护区范围及布井范围城市饮用水地下水源保护主要是保护供水井不受污染。要求污染物在一定距离、一定时间内到达供水井时,须经沿途介质净化,使浓度降到目标含量。因此,按照国家有关技术规范要求,将靖边县四柏树水源地保护区划定为三级保护区:范围为以地下水取水井为中心,溶质质点迁移100d的距离为半径所圈定的范围。当一级保护区范围过小时,参照“英国水源保护区划定方法附加规定”,一级保护区的半径不得小于50m。范围为一级保护区之外,溶质质点迁移1000d的距离为半径所圈定的范围。考虑到四柏树水源地含水介质为较纯净的砂及砂岩,含水层自身的抗污染能力及净化能力差,故根据水源井运行时间及国内外部分资料,确定污染物运移时间为25a的距离为二级保护区范围,水源地的布井范围也应划定为二级保护区。考虑到区内含水层自身的防污净化能力差,同时也考虑到水源地长期为靖边县城供水,将三级保护区确定为水源地的主要补给区(开采井的水力截获区)。2.2地下水流拦截段以地下水流拦截点先采用美国地质调查局开发的地下水流三维有限差分计算程序Modflow2005对计算区地下水流进行数值模拟。然后将水源地开采井作为水质点的起始位置,采用美国地质调查局开发的专门用于水质点示踪模拟研究的程序Modpath,利用其反向示踪功能确定向某点汇流的水质点在不同时刻的位置,连接同一质点不同时刻的位置,构成地下水流截获区,按径流时间分别为100d、25a,并结合水源地的布井范围划分一、二级保护区,并将开采后的主要补给区划分为三级保护区。3地下水水文气象及微生物指标考虑到避免集中供水水源地与城镇区及农灌区的相互影响,今后水源地将逐步向北、西部的沙漠区迁移。为此,计算区范围在工作区范围的基础上分别向四周延伸,大地坐标X为4160000～4179000m,Y为19292000～19314000m。则计算区平面面积为418km2;垂直方向为地面以下、侏罗系顶面以上之间的部分,厚350～400m。计算区内主要供水目的层为白垩系厚层交错砂岩孔隙—裂隙承压含水层和第四系冲湖积砂层孔隙潜水含水层,为非均质各向同性介质;白垩系下部地层为侏罗系砂泥岩互层,其结构致密,透水性差,可视为区域隔水底板。计算区内主要供水目的层在区域内延伸广阔,可视为无限含水层。现状条件下,计算区东、西边界及北边界东段为流线边界,开采影响区之外南边界、北边界西段对白垩系含水层来说可视为定水头边界。芦河从研究区南部流过,河水与潜水水力联系较差,芦河流经研究区河段的径流量较小且水面狭窄,故芦河河水与地下水间的补排量可忽略不计。研究区内地下水主要接受大气降水入渗补给及来自上游的地下水侧向径流补给,天然条件下地下水由南、西向东流,以潜水蒸发及地下水侧向径流方式排泄。在开采条件下,开采范围内地下水由四周向开采中心流动,影响范围之外径流方向为由西向东。根据以上水文地质概念模型,建立计算区的地下水三维稳定流数学模型如下:{∂∂x(k∂Η∂x)+∂∂y(k∂Η∂y)+∂∂z(k∂Η∂z)=0(x,y,z)∈ΩΗ=zk∂Η∂n1=0}潜水浸润面边界Η(x,y,z)|Γ1=f1∂Η∂n|Γ2=0limr→rw(r∫2π0dθ∫hh´k∂Η∂rdz´)|wi=Qi式中:H为地下水位标高,m;k为渗透系数,m/d;f1为第一类边界水位标高,m;Qi为第i眼开采井开采量,m3/d;r、θ、z′均为辅助柱坐标变量;n为二类边界外法线方向;n1为潜水面外法线方向;Γ1、Γ2分别为一、二类边界;Ω为计算区范围。对三维稳定流,迹线示踪模拟的质量平衡方程可表示为∂∂x(nVx)+∂∂y(nVy)+∂∂z(nVz)=w式中:Vx、Vy、Vz分别为线性流动流速矢量在各坐标轴方向的分量,m/d;n为含水层有效孔隙率;w为含水层内部单位体积源和汇产生的水量,L/d。4单元类型划分根据三维有限差分方法,平面上采用不等距矩形网格,将计算区在平面上沿东西向剖分为320列,沿南北向剖分为266行,最大网格间距为100m,每层活动单元总数为85120个;垂向上剖分为5层。最终将整个计算区剖分为5层425600个单元。根据水源地勘探资料及水文地质概念模型,可对模型中各边界条件、源汇项等进行赋值,并根据勘探期间的群孔开采性抽水试验对所建数学模型进行校验,经验证后用于水源地保护区划分。5地下水补排项水资源根据有关规划资料,预计2010年靖边县城需水量将达到3万m3/d;到2020年,需水量将增加到6万m3/d。未来新增水源井将在现有水源井基础上向北、西布设,故而设计未来自来水公司水源井将全部位于北、西部的沙漠区,单井开采量为1440m3/d。现有的2～6号水源井混合开采第四系潜水与洛河组承压水,其他现有水源井及新设计的水源井单一开采白垩系承压水。为满足2010年3万m3/d的水资源需求,拟在现有水源井基础上,增加12眼开采井。计算结果表明,在不同降水量条件下,区内含水层渗透系数较小、有效孔隙率相对较大,天然条件下地下水补排项主要为大气降水入渗与潜水蒸发,天然水力坡度小、地下径流相对滞缓,使得开采条件下质点流向各开采井的100d、10a以及25a等值线所圈的范围较小,但各开采井的水力截获区范围较大。因地下水总体由南向北流,在开采井北部的水力截获区范围较小,故自开采井出发的反向示踪流线未到达计算边界就结束了;而在开采井南部的水力截获区范围较大,自开采井出发的反向示踪流线一直延伸到计算区南部的一类边界。为满足2020年6万m3/d的水资源需求,并考虑到减少水源井与当地农灌井的干扰,未来水源井将逐步向北、西布设,并淘汰现有的供水水源井,同时考虑到水源地建设须设计备用开采井,因此在北西部沙漠区共设计开采井55眼,其中开采井41眼、备用井14眼。计算结果表明,75%频率降水量条件下,质点流向各开采井的100d、10a以及25a等值线所圈的范围比多年平均降水量条件下的要大。在该开采条件下,质点流向各开采井的100d、10a以及25a等值线所圈的范围整体向北、西偏移,远离城镇人口密集区及农灌区,这样更加有利于水源保护措施的实施。根据计算结果,并结合水源保护区划定的原则,在近期规划需水量条件下,最终确定在现有水源井基础上增加12眼新井,总开采量为3.048万m3/d。在近期需水量条件下,新老井共同作用,一级保护区面积为15.7万m2、二级保护区面积为14.36km2、三级保护区面积为74.07km2。远期规划需水量条件下,全部采用新井开采地下水,此时一级保护区面积为43.2万m2、二级保护区面积为57.13km2、三级保护区面积为137.34km2。6汇流范围的确定(1)采用地下水流数值模拟与质点示踪模拟相结合的方法,计算向某点汇流的水质点在不同时刻的空间位置,进而确定不同时间的汇流范