摘要
岩溶地区地下水资源是维持泉流量、满足工农业生产需求的重要水资源,论文以我国北方岩溶地区小南海泉域地下水为研究对象,建立地下水资源管理模型,对地下水资源管理和泉域生态环境保护具有重要的意义。
本研究以河南省安阳市小南海泉域为例,在分析泉域内水文地质条件及岩溶地下水特点的基础上,利用2002、2003年水文、气象、地下水等实测资料建立了地下水数值模型,利用Visual MODFLOW商业软件对数值模型求解,率定了泉域内水文地质参数,并利用2004、2005年观测资料对模型进一步进行了验证。结果表明,建立的地下水数值模型较为可靠,可以用来模拟和预测泉域地下水动态及泉流量变化。
在模型参数率定及验证基础上,利用响应矩阵法建立了小南海泉域地下水资源管理模型,并利用单纯形法求解。在维持小南海泉年均流量大于3.2m~3/s,且满足泉域工农业生产生活用水的前提下,求得不同降水保证率下典型年泉域地下水资源最大开采量分别为:特枯年7470.08万m~3;枯水年7775.57万m~3;平水年9061.1万m~3;丰水年11888.07万m~3。通过对结果分析得出,现状条件下,小南海泉域岩溶地下水资源量已基本处于补采平衡状态,泉域内没有增大自备井开采量、矿坑排水的可能,自备井开采、矿坑排水总量不超过7695.64万m~3/a,如果增加开采量只能靠减少泉水量来保证,在特枯年份,必须压缩泉域内的自备井开采量、矿坑排水量。
Groundwater in karst area is very precious for water resources to sustain basic spring discharge and to satisfy water requirement of industry, agriculture and living. A model for groundwater resources management in Xiaonanhai Spring catchment was developed in this paper, and it is very important for groundwater resources management and ecological and environmental protection in this region.
The model was applied in the Xiaonanhai Spring catchment, located in Anyang city of Henan province. Based on the hydrological characteristics of karst groundwater flow, the groundwater numerical model, Visual MODFLOW, was calibrated on the basis of the observation data of meteorology, groundwater level and spring discharges, The numerical model was further verified according to the observation data from 2004 to 2005. The study results show that the model is reliable for groundwater flow simulation, and is able to predict the variations of the groundwater levels and spring discharge in this area.
On the basis of the calibrated parameters, the response matrix approach was further used to develop the model for groundwater resources management, which was solved by the simplex method. The maximum pumping rates in wet, normal, dry and extreme dry years for meeting the water requirements and maintaining a basis flux over 3.2m~3/s for Xiaonanhai Spring was determined. This rate is 7470.08×10~4 m~3 in the extreme dry year, 7775.57×10~4m~3 in dry year, 9061.1×10~4m~3 in normal year, and 11888.07×10~4m~3 in wet year. The conclusion is: the groundwater exploitation and recharge amount has reached a balance in the Xiaonanhai Spring catchment under the present condition. Increase of the pumping water and mine discharge should be not allowed. The total water withdrawal from the pumping wells should be less than 7698.64×10~4m~3/a. Increase of pumping water would result in decrease of spring discharge. Maintaining the basic spring discharge during the extraordinary dry year should reduce groundwater withdrawal.
引文
[1] 刘建立、朱学愚、钱孝星.中国北方裂隙岩溶水资源开发和保护中若干问题的研究.地质学报[J].2000,74(4):344-352.
[2] 钱家忠、汪家权.中国北方型裂隙岩溶水模拟及水环境质量评价[M].合肥:合肥工业大学出版社,2003.
[3] 李振拴等.中国北方喀斯特水源地勘探方法研究-延河泉域喀斯特水系统资源评价[M].北京:煤炭工业出版社,2000.
[4] 曹玉清、胡宽容.岩溶化学环境水文地质[M].吉林大学出版社,1994.
[5] 胡宽容等.第二届北方岩溶和岩溶水论文集,1982.
[6] 李振拴等.泉域水化学分带模型定性定量评价的探讨[J].水文地质工程地质,1990(6).
[7] 中国北方岩溶和岩溶水[M].中国地质学会岩溶地质专业专业委员会编.北京:地质出版社,1982.
[8] 陈鸿汉,张永祥.中国北方岩溶地区地下岩溶水库.地表水库联合调蓄[J].地学前缘,2001,8(1):185-190.
[9] 朱远峰.中国岩溶水系统和岩溶水资源研究进展[M].地矿部环境地质研究所主编.工程地质水文地质环境地质论文集.北京:地震出版社,1993:194-199.
[10] 赵永贵,蔡祖煌.岩溶地下水系统研究—以太原地区为例[J].北京:科学出版社,1990:112-114.
[11] 张凤岐,李博涛.中国北方岩溶地下水系统和开发利用的几个问题[J].中国岩溶,1990,9(1):7-14.
[12] 韩行瑞,鲁荣安,李庆松.岩溶水系统-山西岩溶大泉研究[M].北京:地质出版社,1993:5-34、61-124.
[13] 河南省安阳市小南海泉域地下水资源评价报告[R].安阳市水利局,河南省新乡水文地质工程地质勘察院,2001.12.
[14] 刘传杰.泉域地下水数值模拟及泉源保护对策研究[D].河海大学硕士学位论文,2005.
[15] 袁道先.中国岩溶学[M].北京:地质出版社,1993.
[16] 陈梦熊,马凤山.中国地下水资源与环境[M].第1版.北京:地震出版社,2002:48-49.
[17] 车用太,金鱼子.中国的喀斯特[M].北京:科学出版社,1985.
[18] 雒征、胡彩虹、郝永红.岩溶泉水研究现状与进展[J].水资源与水工程学报,2005,16(1):56-59.
[19] 林学钰、廖资生等.地下水管理[M].北京:地质出版社,1995.
[20] 贺学海.水资源管理模型的研究过程和发展趋势[J].水文地质工程地质,1997(5):24-26.
[21] 舒艳、王红旗.地下水管理模型研究进展[J].水文地质工程地质,2005(6):85-90.
[22] Bredehoeft J D, Reichard E G, Gorelick S M.If it works, don't fix it: Benefits from regional groundwater management.Proceedings of the Assesment of Models for Groundwater Resources Analysis and Management Conference.Sponsorde by University of Hawaii, Honolulu, Hawaii, March,1994.
[23] Wagner Brian J.Recent Advances in Simulation.Optimization Groundwater Management Modeling [J].Review of Geo.physics, 1995,33(Suppl.).
[24] 许涓铭,邵景力.地下水管理问题讲座[J].工程勘察,No.1.No.6,1988.
[25] Zhu Xueyu, Zhuguorong.A numerical model combined with optimization model for the groundwater management in Datong City[J].Editors in chief;Xue Y, Bear J. Modeling in Groundwater Resources, Nanjing: Nanjing University Press, 1991: 359-364.
[26] 朱学愚、朱国荣、吴春寅等.山东临淄地区喀斯特.裂隙水资源的管理模型[J].地理学报,1994.5,49(3):247-255.
[27] 卢文喜.中国北方岩溶水系统管理模型中处理大泉的一种方法[J].长春地质学院学报,1994.1,24(1):57-59.
[28] Lee, Sang M. Decision analysis through goal programming[J]. Decision Science, 1971.2.
[29] 王国利、张文国.济南泉域裂隙岩溶水系统管理模型[J].大连理工大学学报,1999.9,39(5):689-693.
[30] 张志忠、董青红、李义昌等.徐州市岩溶水资源管理模型的建立与应用[J].勘查科学技术,1999(3):40-44.
[31] 戴振学、郝旗胜.区域地下水资源优化管理模型研究[J].煤田地质与勘探,1996,24(6):33-37.
[32] 梁永平、韩行瑞.优化技术在娘子关泉域岩溶地下水开采资源量评价与管理中的应用[J].水文地质工程地质,2006(4):67-71.
[33] Lee A.S., Aronofsky. A linear programming model for scheduling crude oil production[J]. JPTJ.Pet. Technology, July, 1985.
[34] Derringer R, A. System analysis of water supply systems[J].Water resource. Bull. 6(4), 1970.
[35] Maddock Thomas Ⅲ.Algebraic Technological Function from a Simulation Model[J].Water Resource Research, 1972, 8: 129-134.
[36] 许涓铭、邵景力.地下水系统的分类与单位脉冲响应函数[J].工程勘察,1988(2):46-52.
[37] 卢文喜.响应矩阵法在实际应用中存在的问题[J].水文地质工程地质,1994(2):52-53.
[38] 陈葆仁、张成元.地下水管理模型响应矩阵法应用中的局限性[J].水文地质工程地质,1999(3):38-40.
[39] 卢文喜.地下水系统的模拟预测和优化管理[M].北京:科学出版社,1999.
[40] 安阳市水资源可持续利用综合规划[M].中国水利水电科学研究院,2002.12.
[41] 安阳统计年鉴[M]..安阳市统计局,2001.
[42] 王文科,李俊亭.地下水流数值模拟的发展与展望[J].西北地质,1995,16(5):52-56.
[43] 贺国平、邵景力等.FEFLOW在地下水流模拟方面的应用[J].成都理工大学学报,2003.8,30(4):356-361.
[44] 梁秀娟、林学钰等.GMS与苏锡常地区地下水流模拟[J].人民长江,2005.11,36(11):26-29.
[45] Visual MODFLOW在大庆龙西地区地下水数值模拟中的应用[J].世界地质,2003,22(2):161-165.
[46] 刘波.基于GIS的地下水人工回灌分析-以济宁市地下水漏斗区为例[D].河海大学硕士学位论文,2005.
[47] 薛晓丹.盘锦地区地下水水位模拟预报与水资源合理利用研究[D].吉林大学硕士学位论文,2005.
[48] M. G. McDonald and A. W. Harbaugh.(郭卫星、卢国平编译.)MODFLOW三维有限差分地下水流模型[M].南京大学地球科学系.1997.
[49] 陈喜、刘传杰等.泉域地下水数值模拟及泉流量动态变化预测[J].水文地质工程地质.2006(2):36-40.
[50] 安阳市水资源综合评价[M].中国水利水电科学研究院,2001.9.
[51] 张莹.运筹学基础[M].北京:清华大学出版社,1995.