洛阳市地下水资源评价及水源地开采潜力分析

来源:用户上传      作者:孙向田

　　摘要：应用数值模拟方法，对洛河水面工程修建后，洛阳市盆地区地下水资源量变化进行了评价，并对洛阳市区主要水源地的开采潜力进行了分析。研究结果表明，洛阳市2007-2009年，地下水年平均可开采量为3.68×108m3，洛河水面工程的修建加强了洛河水对地下水的补给，年增加补给量0.8×108m3左右，目前伊、洛河对洛阳市地下水的补给量达到2.78×108m3/a。水面工程修建后，洛南水源地每天增加开采量6×104m3，漏斗中心区水位增加降深2m左右;李楼水源地每天增加开采量6×104m3，漏斗中心区水位增加降深2.2m左右。
　　关键词：地下水;数值模拟;洛河;水面工程;洛阳市
　　中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）05-0-04
　　DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.05.157
　　Evaluation of groundwater resources and analysis of exploitation potential of water sources in Luoyang city
　　Sun Xiangtian
　　（Inner Mongolia Autonomous Region Hohhot Ecological Environment Monitoring Station，Hohhot Inner Mongolia 010000，China）
　　Abstract： The changes of groundwater resources in Luoyang basin after the construction of the Luohe river surface project were evaluated by using numerical simulation method， and the exploitation potential of the main water source area in Luoyang city was analyzed.The research results show that the average annual exploitable amount of groundwater in Luoyang city was 3.68 × 108m3 from 2007 to 2009. The construction of the Luohe river surface project has strengthened the recharge of the water from the Luohe river to the groundwater， with an annual increase of about 0.8×108m3. At present， the recharge amount of the groundwater in Luoyang city from the Yihe and Luohe rivers has reached 2.78 × 108m3 / a.After the construction of the water surface project， the water source area in Luonan will increase the exploitation amount by 6 × 104m3 every day， and the water level in the center of the funnel will increase the drawdown by about 2m; The exploitable amount of groundwater is increased by 6 × 104m3 every day in Lilou water source area，and the water level in the central area of the funnel is increased by about 2.2m.
　　Key words： Groundwater; Numerical simulation;Luohe River;Surface engineering;Luoyang City
　　1996年第30屆国际地质大会宣布，“全世界地下水的一半正在受到污染”。 21世纪是水的世纪，全球面临着严重的水危机。2002年的可持续发展世界首脑会议上，水被列为水、能源、健康、农业和生物多样性五大课题之首，水与发展、水与环境和水管理是备受关注的三大领域。地下水是地球上最为稳定，分布最为广泛的水资源之一，全世界超过15 亿的人口主要依靠地下水作为生活水源。 我国水资源总量的1/3和全国总供水量的近20%来自地下水。 我国有400多个城市开采地下水， 北方和西部地区主要城市的地下水利用率常超过供水总量的50% ，许多城市高达80%以上。在部分城市和广大农村地区，地下水甚至是唯一的供水水源[1]。然而由于天然劣质水[2、3]及人类活动的影响，优质地下水资源日趋减少。特别是强烈人工干预下的地下水流动系统演变已经成为改变局部乃至区域水循环的主要驱动力。如采矿活动导致地下水形成巨大降落漏斗，地下水水质恶化[4、5];农业活动大量使用化肥导致的地下水氮化物浓度升高[6]等。
　　1 洛阳市地下水概况
　　洛阳市坐落于洛阳盆地西部，由于水文地质条件差异，地下水开发利用程度不同。在伊洛河谷区工农业用水多以开采浅层地下水为主，工业开采及城市供水多集中在伊洛河两岸，目前洛阳市区地下水年开采总量为2.8-3×108m3。现状条件下洛阳市区共有8个集中供水水源地（图1）。由于长期大量开采地下水，使区域地下水位比大规模开采前大幅度下降[7]。 　　为了防止地下水水位持续下降和减小地下水降落漏斗的面积，洛阳市政府在洛河市区段修建五级水面工程，增加洛河水对地下水的补给。五级水面工程回水长度14公里，形成水面11445亩，蓄水量2182×104m3。河水位平均抬高2.2m，侧向及垂直渗漏补给地下水的能力大大加强。
　　前人对洛阳盆地地下水环境做了一些研究[8-11]。为了准确的了解洛阳市水面工程修建对洛阳市区地下水资源量及各水源的开采潜力的影响，本文应用数值模拟的方法对水面工程修建后，洛阳市的地下水资源进行了全面的评价，以指导该区地下水资源的合理开发利用。
　　本次研究区域为，洛阳市主要地下水集中开采区（洛阳盆地洛阳市部分），面积为446.2 km2（图1）。
　　2 洛阳市地下水流动数值模拟
　　2.1 概念模型
　　根据水文地质条件，研究区在垂向上第四系松散沉积层可以概化为三层，即潜水含水层（Q4及Q3），相对隔水层（Q2）及一个承压含水层（以Q1为主）。洛阳市浅层地下水的补给来源主要是降水、河水、灌溉水的入渗及盆地周边的侧向补给;开采、蒸发、向深层越流及区外的侧排为主要排泄途径。研究区地下水基本有盆地周边向盆地中部汇集，沿着伊洛河向偃师方向排泄，研究区地下水流动系统见图2。深层水的主要补给来源是上层越流和盆地周边的侧向补给，开采为主要排泄途径。由于隔水层中天窗及混合开采井的存在，使上、下含水层互相串通，研究区地下水具有明显的三维流动特征。
　　2.2 数学模型
　　根据研究区水文地质概念模型，建立数学模型来描述洛阳市地下水流动系统，数学模型为：
　　式中，Kxx、Kyy和Kzz分别为X、Y和Z方向的渗透系数[L/T]，Kxx=Kyy;H为水头值[L];ε为源汇项[L/T];S为给水度[-]，第一含水层取重力给水度μd，由于开采地下水，第二层存在由承压转无压的情况，当为承压时，采用弹性释水系数μe，为无压状态时，选用重力给水度μd;Ω为模拟范围;n为边界面的外法线方向;Γ为侧边界;B为底边界;qb为越流量;H0为初始水位[L]。本次研究中应用modflow求解上述数学模型。
　　2.3 模型参数及源汇项
　　伊河与洛河是研究区内最主要的河流，根据水面工程运行的情况，设定各个河段不同时刻的河水位高程，计算河床底板的水力传导系数。渗透系数、给水度、降雨入渗补给系数、灌溉渗漏补给系数根据文献[12]中的方法确定。地下水蒸发量、侧向径流量及水源地开采等根据河南省地质工程公司资料赋予模型。
　　2.4 模型校正及檢验
　　本次研究中模拟时间是从1999年1月-2015年2月，共收集到24个常观孔资料，观测时间是从2002年1月-2008年12月。
　　根据观测数据的时间分布特点，本次模型的拟合及检验时段划分如下：
　　1）以1999年的实测浅层地下水渗流场作为模型率定的初始流场;
　　2）研究区2002-2005年的地下水动态观测资料，作为参数识别的依据，对模型进行校正;以2006-2008年的动态观测水位作为模型的检验数据，对模型进行检验（图3）;
　　为了对所有观测井的观测数据与计算数据进行综合对比，本次研究中应用统计模型予以检验。各项统计结果中，相对均方差（RMS）为3.11; 平均误差（ME）为2.26; 平均绝对误差（MAE）为0.39m， 这表明观察值与计算值符合的较好。从总体上可以看出模型已经成功的再现了模拟期的地下水位的时空变化规律（例如，地下水位、降落漏斗的降深及位置等）。
　　2.5 模拟结果分析
　　应用校正后的模型，对洛阳市盆地区2007-2009年地下水年平均资源量进行分析，见表1，2。
　　从计算结果可以看出，洛河水面工程的修建大大增加了地表水对地下水的补给。目前伊、洛河对洛阳市地下水的补给占总补给量的65.4%，达到2.78×108m3/a，比没有修建水面工程前，高0.8×108m3/a。
　　洛阳盆地承压含水层主要接受潜水含水层层的越流补给及边山的侧向补给，由于在模型中越流补给属于内源存在着重复计算问题，因此承压含水层中补给项只考虑侧向补排（表2）。
　　根据计算的结果，洛阳市多年平均地下水可开采资源量（包括承压水和潜水）为3.684×108m3/a，而目前开采量在2.8-3×108m3/a，因此洛阳市目前地下水处于正均衡状态，还有开采潜力可挖。并且在傍河水源地的开采激发下，洛河水向地下水的补给量将增大，因此洛阳市地下水还有增采的空间。
　　3 洛阳市水源地开发潜力分析
　　目前洛阳市地下水年总补给量为3.684×108m3/a，开采量为2.8-3×108m3/a，尚可增加开采量约0.5×108m3/a。本次研究中，应用校正后的模型对洛阳市主要水源地的开采潜力进行预测分析。
　　设计增加开采量见表3。
　　模型中增加开采量时间从2010年1月1日开始，模拟分析到2015年2月份，各水源地地下水位变化。
　　模拟结果显示：
　　洛南水源地地下水漏斗中心水位降深较少，仅比增采量前，增加降深2m左右，水位保持在127.5m左右（图4）。
　　临涧水源地增加开采2×104m3/d后，漏斗中心地下水位降深比增采前，增加4 m左右，水位稳定在129m，降深较大（图5）。
　　张庄水源地增加开采2×104m3/d后，漏斗中心地下水位比增采前，增加降深5 m左右，水位稳定在129m（图6）。
　　东郊水源地漏斗中心水位降深比增加开采量前，增加6m，水位保持在114m左右，不适合扩大开采（图7）。
　　五里堡水源地增加开采后，漏斗中心地下水位降深，增加0.7m左右，水位稳定在120.5m，降深不大（图8）。 　　李楼水源地设计开采量为16×104m3/d，现在仅开采8×104m3/d，增加开采6万立方米后，并没形成大的地下水降落漏斗，水源地漏斗中心水位增降2 m左右，水位稳定在123m（图9）。总的来看，洛南和李楼水源地增采潜力较大，张庄和临涧水源地增采需谨慎，以免引起不良环境地质问题。五里堡和东郊水源地不适合增采。
　　4 结论
　　应用数值模拟方法，对洛河水面工程修建后，洛阳市地下水资源变化进行了全面的评价，并对洛阳市主要水源地的开采潜力进行了分析。
　　研究结果表明，洛阳市2007～2009年，地下水年平均可开采量为3.68×108m3，其中潜水含水层为3.16×108m3 ，承压水为0.52×108m3。 洛河水面工程增加了洛河水对地下水的补给，年增加补给量0.8×108m3左右，目前伊、洛河对洛阳市地下水的补给量达到2.78×108m3/a。
　　水面工程修建后，洛南水源地每天增加开采量6×104m3，漏斗中心区水位仅增降2m左右;李楼水源地每天增开采量6×104m3，漏斗中心水位仅增降2.2m左右，不会引起不良环境地质。临涧、张庄、五里堡、东郊水源地增采潜力不大。
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　　收稿日期：2020-04-03
　　作者简介：孙向田（1973-），男，硕士，副高级工程师，研究方向为环境监测和环境工程。
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