某铁路车站水源井开采对区域地下水流场的影响分析--中国期刊网

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某铁路车站水源井开采对区域地下水流场的影响分析

发表时间：2021/6/23 来源：《基层建设》2021年第6期作者：李文溢

[导读] 摘要：以某铁路拟建车站水源井为例，运用勘探、调绘等方法查明了区域水文地质条件，并建立了区域地下水流数值模型，分析了上、下游两种情景下抽水十年对区域地下水流场的影响。

        中铁第一勘察设计院集团有限公司
        摘要：以某铁路拟建车站水源井为例，运用勘探、调绘等方法查明了区域水文地质条件，并建立了区域地下水流数值模型，分析了上、下游两种情景下抽水十年对区域地下水流场的影响。研究结果表明：上、下游抽水均会使得区域地下水水位产生一定程度的下降，但不会产生降落漏斗。由于受到河流入渗及侧向径流补给的影响，下游抽水对区域地下水流场的扰动更小。
        关键词：地下水；水源井；数值模拟；水文地质
        引言
        傍河取水通常具有地下水水位埋藏浅、水量稳定、集中开采和便于管理等优点，是人类普遍采用的一种重要的地下水取水方式[1]。为了解决某铁路拟建车站供水问题，本文通过勘探、调绘查明了区域水文地质条件，并运用数值模拟的方法分析了不同情景下抽水对区域地下水流场产生的影响，以期为车站水源井的建设提供相关依据。
        1 研究区概况
        1.1 地形地貌
        研究区位于甘肃省天水市渭河河谷区，区内主要地貌单元包括渭河河漫滩、一级阶地、黄土梁峁区，高程约在1037m~1220m之间，整体上东南高西北低，地形起伏较大。
        1.2 地层岩性
        研究区内主要地层包括第四系全新统冲积圆砾土、第四系上更新统风质砂质黄土、早元古界片麻岩。详述如下：（1）第四系全新统冲积圆砾土（Qal6 4）：主要分布于渭河河漫滩及一级阶地表层，层厚约20~30m，青灰色，磨圆度较好，局部有杂砂充填。（2）第四系上更新统风积砂质黄土（Qeol3 4）：主要分布于研究区东西两侧黄土梁峁区，层厚约15~35m，浅黄色，土质均匀，结构疏松，孔隙发育具垂直节理。（3）下元古界下统片麻岩（PtGn 1q）：下伏于黄土层及圆砾土层之下，浅灰色，主要矿物成分以黑云母、斜长石为主，片麻状构造，受构造韧性剪切作用明显，节理裂隙发育，整体岩体较破碎。
        1.3 水文地质条件
        根据地下水赋存条件，可将区域地下水分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系孔隙潜水埋深约在1～5m之间，主要赋存于第四系全新统圆砾土层之中。地下水流向大致由南向北，主要补给来源为降雨入渗、河道渗漏、侧向径流，主要排泄途径为侧向径流排泄。基岩裂隙水主要赋存于片麻岩风化裂隙之中，主要接受大气降水和上部潜水入渗补给，主要排泄方式为渗流排泄，一般水量较小。
        2 地下水流数值模拟
        2.1模型的槪化
        考虑到基岩裂隙水一般水量较小，难以满足车站用水需求，因此选定第四系孔隙潜水含水层为目标含水层。模拟区南北长约1.2km，东西宽约1km，总面积约0.69km2，含水层厚度约20~30m。含水层上边界为潜水面补给边界，下部边界为基岩隔水边界。
        模拟区内地下水主要表现为水平运动，整体地下水流速较小，符合层流特征，适用于达西定律；区内各点渗透系数、给水度等水文地质参数差异较小，为均质性；地下水系统的补给、径流、排泄等要素随时间和空间有所变化，为非稳定流。根据区域地层岩性及水文地质特征，对模拟区边界进行概化，将东部边界概化为隔水边界，西部、南部、北部边界概化为二类流量边界，区内渭河概化为河流边界。模拟区上部为补给边界，接受大气降水入渗补给。下部为隔水边界。综上，本次模型将模拟区概化为均质各向同性二维潜水非稳定流。
        根据实际水文地质条件和计算需求，采用不等距剖分的方法对所建立的模型进行了网格剖分，将模型剖分成了若干行和列，在河岸边进行了一定程度的网格加密。如图1所示，共剖分了145 行、90列，13050个单元格，其中活动单元格 6598个，非活动单元格6452个。

        图1 模拟区网格剖分示意图
        2.2模型参数选取
        通过 DEM 数据提取获取模拟区顶板高程数据，通过收集模拟区钻孔资料及工程地质勘察资料获取模拟区底板高程数据，采用克里金法进行插值，生成模拟区。通过勘探揭示地层岩性，结合相关资料选取水文地质参数初值。
        2.3模型的识别和校正
        模拟设置为2021年3月—2031年3月，在设置好模型各项参数后进行地下水稳定流场的模拟，得到模型的初始流场，如图2所示。在初始流场的基础上，采用地下水流数值模拟中常用的“试错法”，即通过对比观测井的模拟水位和实际水位，根据对比结果调整水文地质参数，直至二者的误差在合理范围之内，即认为模型可用于区域地下水流场的模拟预测。通过识别校正，最终确定模型预测所需水文地质参数。

        图2 模拟区初始流场
        2.4 模型源汇项的设置
        （1）降雨入渗补给
        降雨入渗补给是区内地下水的主要补给来源，入渗补给过程可槪化为垂向入渗。根据模拟区地貌单元、地层岩性等资料，确定降雨入渗补给系数值为0.3。根据区域相关气象资料，确定模拟区多年平均降雨量为 496.5mm。在模型中通过RECHARGE模块以注水井或抽水井的方式进行设置。
        （2）地下水侧向径流
        根据达西定律[2]，通过分段的方式计算地下水侧向径流补给（排泄）量。在模型中通过WELLS模块以注水井或抽水井的方式进行设置。
        （3）潜水蒸发量
        根据相关研究，在干旱及半干旱地区，当潜水埋深超过5m时，潜水蒸发微弱，蒸发损失可忽略不计，因此在模型中设置极限蒸发深度为5m，通过EVAPOTRANSPIATION模块进行模拟计算。
        （4）人工开采
        区内地下水主要人工开采即为拟建水源地取水，根据车站需水要求，确定取水量为80m3/d。
        3 结果与分析
        3.1 模拟情景的设置
        利用模型识别和校正后的水文地质参数和边界条件，采用有限差分软件 MODflow 对模拟区地下水流场进行了求解，共设置以下两种情景。
        （1）A情景：抽水井设置在地下水流场上游
        （2）B情景：抽水井设置在地下水流场下游
        3.2 区域地下水流场变化分析
        对比图2、图3可以看出：与初始流场相比，在上游抽水十年后，区域地下水位整体下降约4~5m，年均下降速率约为0.4~0.5m/a，模拟区整体地下水位梯度变大，地下水整体流向发生改变，出现了向抽水区的流速矢量，形成了局部的汇流区。

图3上游抽水十年后地下水流场

        图4下游抽水十年后地下水流场
        对比图2、图4可以看出：与初始流场相比，在下游抽水十年后，区域地下水位整体下降约2~3m，年均下降速率约为0.2~0.3m/a，模拟区局部地下水位梯度变大，但地下水整体流向未发生较大改变。对比分析两种情景下地下水流场的差异性可知，由于河水入渗和地下水侧向径流补给是模拟区地下水系统的重要补给来源，而下游抽水位于模拟区的汇流区，同样的开采量下，在下游抽水有着更好的补给条件，因此对区域地下水流场的扰动也就更小。
        总的来看，A、B两种情景下地下水流场均未产生降落漏斗，即在上下游建设水源地均可保证车站供水，但由于下游取水的方案补给条件较好，抽水所引起的地下水位年均下降速率更小，对区域地下水流场的扰动也就更小，因此下游取水为最优方案。本文结果可为相关车站水源井的建设提供相关依据。
        参考文献：
        [1]刘国义，周志祥，秦延军，等.傍河取水水源地地下水资源评价及实例研究[J].安全与环境工程，2008，15（02）：37-39.
        [2]王大纯.水文地质学基础[M].地质出版社，1986.