巖溶區地下水數值模擬分析及開采方案比選

張鳳娟，楊子龍，邢學睿，王立艷，劉淑芹，劉 莉

（1.山東正元冶達環境科技有限公司，山東 濟南 250013；2.山東地礦新能源有限公司，山東 濟南 250100；3.濟南天下第一泉風景區服務中心，山東 濟南 250012）

0 引 言

地下水是水資源的重要組成部分，我國許多地區的農業灌溉、工業供水、居民飲用水和畜牧業用水均源自地下水。近年來，隨著地下水開采量超負荷增加，地下水超采現象嚴重，引發了嚴峻的地下水地質環境問題。與此同時，我國水資源分布不均，部分城市地區存在超采現象，引發了系列生態環境問題，如華北地區地下水超采導致地下水位大幅度下降、地下水污染等問題，通過采取“節、控、換、補、管”等治理措施，大力實施地下水超采綜合治理，通過水資源優化配置、地表地下協同互饋、地下水源置換等措施，推動水資源高效利用，促進地表水與地下水相均衡。地下水位持續恢復，有效緩解了地下水漏斗區擴張趨勢，減緩地面沉降，對涵養水源、改善生態環境具有重要作用。

趙穎旺等[1]基于有限單元法模擬地下水流運動，對水頭反?，F象進行分析，據此研究地下水水量與水質特征。李東琦[2]建立了三維數值模型，對地下水開采引起的土體沉降位移進行研究。穆金霞[3]、狄勝同[4]、馬海會[5]、蔡建斯等[6]、李文博等[7]通過對巖溶區地下水運移與地下水均衡開展模擬研究，揭示了巖溶區塌陷成因機制。王軍進等[8]系統總結了地下水模擬過程、數值模擬方法及應用實例，分析了地下水數值模擬當前存在的問題和不足，并對研究趨勢進行展望。劉芮彤等[9]、封麗等[10]采用數值方法對巖溶地下水均衡進行模擬，對地下水運動特征與空間效應進行研究。魏亞強等[11]、金江躍等[12]、高學通等[13]、吳立彬[14]、韓亮[15]將Python、FloPy 和NSGA-Ⅲ等新技術成功應用于地下水模擬，通過案例分析解決了地下水運移規律、污染防治等科學問題，促進了不同學科之間融合滲透，同時解決多元復雜問題。從上述研究可知，針對巖溶塌陷區的地下水開采方案研究尚存在不足，實際工程開采地下水時其引發塌陷災害防控效果不佳，為此，針對巖溶區地下水開采進行數值模擬，以期為塌陷災害防治與風險規避提供建議。

1 數值模型建立

1.1 實例概況

本文實例為山東省臨沂市巖溶區，研究范圍東起臨沂市羅莊區湯莊街辦-褚墩鎮，西至蘭陵縣卞莊街辦，南自磨山鎮山南村-旺莊村-涌泉村一帶，北至G206 國道附近，涉臨沂市蘭陵縣、郯城縣、羅莊區，總面積約144 km2。研究區地處隱伏巖溶區，上覆第四系厚度較薄，由于地下水的過量開采，破壞了地下水的采補平衡，臨沂市區已形成地下水位下降漏斗，漏斗中心最大降深達30 余m，且邊緣還在不斷擴大，境內原有日涌水量3 000 m3以上的泉20 余處，大部分相繼出現了斷流現象，導致原有提水工程基本報廢。由于超采地下水，使其含水層的自然狀態發生變化，從而加速了污水的滲透能力，污水滲入地下，嚴重污染了地下水。地下水污染監測表明，臨沂市區水井水質合格率僅在5%左右。其中，水源井的分析結果如下所述：自來水廠5 號井的大腸桿菌數高達230 個/L，沂蒙化肥廠、付家屯兩井的大腸桿菌數為11～18 個/L，均超過了《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2022）的要求。自來水廠幾口深井抽出的地下水含有黑色懸浮物，水泛黃并有異味。巖溶地下水作為臨沂市的重要優質供水水源，在臨沂市的社會經濟發展中發揮了巨大的作用，但由于長期不合理的開發利用，導致水位快速下降，引發了嚴重的巖溶塌陷等地質環境問題。

因此，對臨沂地區巖溶地下水資源進行評價，研究科學的開采方案，預測地下水位動態特征，并提出地下水資源合理的開發利用和保護措施是十分緊迫且必要的。

1.2 模擬范圍與含水巖組結構

根據前人研究成果，研究區為具有單獨補給、徑流、排泄條件的水文地質單元。因此，模擬范圍東邊界、西邊界、南邊界至水文地質單元邊界，北邊界以弱透水斷裂為邊界。研究區可分為3 個含水巖組：松散巖類孔隙、碳酸鹽巖類裂隙巖溶、碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙。其中，碎屑巖夾碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、孔隙水富水性相對較差，特別是開采孔隙水產生與農業爭水的矛盾，因此，不具備集中供水意義。而奧陶系的碳酸鹽巖富水性好，因此，以該含水巖組為主要研究對象，且中間有一定厚度的弱透水層阻水，局部地區灰巖直接隱伏于第四系之下，無弱透水層阻水，巖溶水含水巖組與松散巖類孔隙水具有一定的水力聯系，應將松散巖類孔隙水與巖溶水作為一個地下水流動系統進行研究。研究區概化為三層：第一層為孔隙水含水層，厚5～40 m；第二層為弱透水層，厚約30 m；第三層為巖溶水含水層，具承壓性，厚約300 m。

1.3 模型建立及求解

根據研究區含水層結構特征、邊界條件及地下水流場等，在垂向上分為三層，其中，第一層為潛水含水層，第二層和第三層為承壓含水層。在平面上剖分成大小為10 m×10 m 的正方形單元，各層均剖分為54 行、87 列，其中，各層有效單元格為1 763 個。模 型 的 識 別 期為2018 年5 月31 日 到2020 年5 月31 日，共731 d；驗證期為2020 年6 月1 日至2021 年6 月1 日。每30～31 d 為一個應力期，同一應力期內地下水系統補排項保持不變，每個應力期分為10 個時間步長，由模型根據迭代的誤差標準，自動控制時間步長。經多次調參擬合，得到三層含水層的水文地質參數分區圖，分別見圖1、表1 和表2。

表1 調試后的孔隙水含水層水文地質參數分區表Table 1 Division table of hydrogeological parameters of pore water aquifer after adjustment

表2 調試后的巖溶含水層水文地質參數分區表Table 2 Division table of hydrogeological parameters of karst aquifer after adjustment

圖1 孔隙水含水層水文地質參數分區圖Fig.1 Partition map of hydrogeological parameters of pore water aquifer

1.4 地下水均衡分析

通過均衡法計算得出巖溶水含水層水量均衡結果見表3。巖溶水總補給量為1.51×104m3/d，總排泄量為?1.35×104m3/d，均衡差為0.16×104m3/d，巖溶水基本處于采補平衡狀態。在巖溶水含水層總補給量方面，降水入滲量為1.15×104m3/d，占總補給量的76%，大氣降水為巖溶水的主要補給來源；其次是地表水體滲漏補給量，其中，河流滲漏補給量占總補給量的24%，主要為燕子河和沂河支流滲漏補給巖溶水，河水水位高于巖溶水水位，且在褚墩一帶和巖溶水具有較密切的水力聯系，對巖溶水形成有效補給。在巖溶水含水層總排泄量方面，地下水徑流排泄量為?0.75×104m3/d，占總排泄量的55%，巖溶水越過尼山-蒼山斷裂的次生斷裂向南排泄，是巖溶水含水層的主要排泄方式；其次為“村村通”機民井人工開采，占總排泄量的24%；此外，由于隱伏的巖溶水具有承壓性，可通過頂托補給的方式向第四系孔隙水排泄，或直接排泄補給洼地。綜上所述，巖溶水含水層基本處于自然均衡狀態，人為因素對地下水影響程度較小。

表3 模擬期地下水均衡表Table 3 Groundwater balance table in simulation period

2 開采方案模擬與預測分析

2.1 開采方案模擬

根據水文地質調查成果，確定開采目的層位為巖溶含水層，在研究區內富水地段確定了兩種開采方案，見表4。方案一：在3 個地點布置井位，分別為褚墩、蘭山、虎山嶺西。方案二：在方案一的基礎上增加一個布井地點，新增地點位于磨山鎮西。4 個布井地點共布設11 個抽水井，開采量總計1.1×104m3/d。方案模擬時間為10 a，每年分為2 個應力期，即枯水期與豐水期。分別預測分析2 個方案運行后地下水系統的均衡變化情況，以及運行10 a 后地下水變化情況。在巖溶塌陷高易發區褚墩附近增加了一眼觀測孔，預測不同方案對該處地下水位的影響。

表4 開采方案一覽表Table 4 List of mining plans

2.2 開采方案對地下水位的影響

現狀條件下巖溶水受人為影響較小，基本處于自然均衡狀態，運行10 a 后，沒有出現明顯的地下水降落漏斗，地下水仍然由北向南流，南側是巖溶水的主要排泄途徑。由表4 可知，褚墩觀測孔水位基本處于穩定波動狀態，地下水位隨豐枯水期變化，但沒有明顯的上升趨勢。運行方案一后，地下水位產生明顯變化，在布井地點出現了3 個小型地下水降落漏斗，最大降深位于褚墩附近，最大降深約為2.5 m，其次為虎山嶺附近，降深約為2.3 m，蘭山附近地下水位降深約為2.1 m，表明開采量越大其地下水位降深也越大。運行方案二后，地下水位變化更加明顯，除方案一產生的3 個降落漏斗之外，在磨山鎮西形成了一個較大的降落漏斗，其最大降深達3.1 m。褚墩、虎山嶺和蘭山的地下水降深分別為2.0 m、2.2 m、2.5 m。磨山鎮西增加了0.2×104m3/d 的開采量，小于蘭山的0.3×104m3/d，但是降深卻大于蘭山的降深，主要由于兩方面原因。①補給來源問題：該處巖溶含水層上有一較厚的隔水層，且抽水后得不到有效補給，抽取的水量主要為巖溶含水層的彈性釋水量，因此水位降深大；②含水層結構問題：磨山鎮西巖溶含水層隱伏深度大，有效含水層厚度薄，要想提供更多的水量，只會產生更多的降深。

此外，實施開采方案后，觀測孔水位有所下降，雖然下降幅度不大，但有可能改變研究區東北邊界的補排方向。實施開采方案后，會襲奪部分徑流排泄量，導致徑流排泄量減小。

圖2 展示了不同方案條件下觀測孔水位預測過程線。由圖2 可知，方案一條件下，數值觀測孔水位在第1 279 d、第1 644 d、第2 019 d 和第3 105 d 時水位降至灰巖頂板標高（39.9 m）以下，將會引發巖溶塌陷風險。方案二條件下，數值觀測孔水位枯水期時接近灰巖頂板標高，但一直維持在灰巖頂板標高以上，既充分開發了該富水區的地下水開發利用潛力，又保證了生態地質環境安全，因此，方案二滿足生態約束水位條件下地下水資源充分利用的要求。

圖2 不同方案條件下觀測孔水位預測過程線Fig.2 Process line of water level prediction of observation hole under different scheme conditions

2.3 地下水源匯項對開采方案的響應

當應力條件發生改變時，地下水系統的源匯項也會隨之發生改變，或激發系統更多的補給量，或襲奪系統的徑流排泄量。由表5 可知，增加開采條件下，地下水源匯項發生變化，主要表現為補給量的增加與徑流排泄量的減少。方案一與方案二在增加開采條件下，激發了補給項中的河流滲漏量，分別增加了17%和22%。排泄項中，地下水徑流排泄量分別減少了40%和53%。這主要是由于開采方案位于地下水徑流區，增加的地下水開采方案襲奪了大部分地下水徑流排泄量。同時，巖溶水向第四系的頂托排泄量也有所減少。

表5 增加開采條件下地下水水均衡表Table 5 Groundwater balance table under increased mining conditions

綜上分析，方案一、方案二不僅激發了地下水補給量的增加，同時也使頂托排泄量和地下徑流排泄量減少，且地下水均衡狀態由正均衡轉變為負均衡。

3 結論及建議

1）本文建立的地下水流數值模型，以2018 年5月31 日—2021 年6 月1 日為模擬期，通過合理的參數辨識，獲取水文地質參數，模擬結果達到預期，均衡差為0.16×104m3/d。

2）根據區內巖溶塌陷發生規律，選取了若干有代表性的控制點，并以其預測水位不低于控制水位（灰巖頂板標高以上）為原則，利用地下水模型預測了兩種規劃開采方案下的水位動態演變，提出了兩個開采方案：方案一：在褚墩、蘭山、虎山嶺西共布設9 個抽水井；方案二：在方案一的基礎上增加一個布井地點，新增地點位于磨山鎮西4 個布井地點，共布設11 個抽水井，開采量總計1.1×104m3/d。方案一在褚墩地區具有巖溶塌陷危險，較方案二更易引發巖溶塌陷。

3）地下水管理是一項系統工程，應堅持系統觀念，科學謀劃水網建設規劃布局，打通水資源高效利用的壁障。應長期、連續開展巖溶塌陷區地下水水位監測工作，尤其要在巖溶塌陷頻發地段進行加密監測，以便掌握巖溶水水位動態變化的一手材料，并以此為基礎開展巖溶塌陷預警分析研判。