不同开采方案的数值模拟与预测
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发布时间：2022-04-28 11:05
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时间：2023-10-02 05:15
一、不同开采方案的模拟
（一）开采方案的确定原则
从理论上讲，开采方案的设计应该考虑区域经济发展、产业结构调整、人民生活水平改善指数等因素，需要多个部门提供多方面的信息。由于信息资料的局限性，本次对开采方案的设计主要考虑下述原则。
1）首先考虑现有开采方案的合理性，因为目前开采现状在一定程度上反映区域经济和人民生活的需求，遵循着当地经济发展的规律。
2）提出的开采方案具有可操作性，应联系实际。
3）对当地地下水资源的开发利用和环境保护具有指导作用。
4）充分考虑*未来五年、十年或更长发展规划，为*的决策提供科学的依据。
（二）开采方案的确定与模拟
1.保持2004年现状开采量的条件下，预测至2010年
利用所建立的各个盆地地下水数值模型，对保持2004年各个盆地地下水开采方式，模拟预测至2010年地下水水位动态。初始水位以2004年1月份的统测水位为基准，并从1月25日算起。
2.按至2010年开采量增加3％或5％的速度预测地下水流场的变化
原则是在地下水流场已出现降落漏斗的地方应减少开采量，未出现降落漏斗的地方适当增加开采量，平均按每年递增0.5％的速度开采。
3.根据目前地下水开采可能引起的地质环境问题，调整各盆地地下水开采方案，对调整方案进行预测
原则是根据各盆地目前存在的由于不合理开采地下水引起的特殊环境地质问题，确定地下水开采方案调整措施，对调整后的开采方案进行模拟预测评价。在此基础上，提出合理化开采建议。
二、各盆地不同开采方案的优化对比
（一）现状开采方案的模拟与预测
1.太原盆地
利用所建立的太原盆地地下水流数值模型对目前开采条件下地下水水头动态进行模拟预测，初始条件为目前地下水水头分布，边界条件、模型参数以及各种源汇项均采用模型识别后的参数。图5-48、图5-49是部分模拟预测结果，由此可见，浅层地下水位和中深层地下水位呈现出不同程度的逐年下降的趋势，尤其是中深层地下水下降趋势更为明显。
2.大同盆地
以目前的开采状态，大同市漏斗继续扩大，漏斗中心的水位继续下降，由2000年到2010年每年约下降1.6m。到2010年1月份漏斗中心水位下降到985m左右。在非重点开采区，区域深层地下水位变化不是很明显。模拟结果见图5-50。
朔州重点开采区域深层漏斗中心水位，以每年1.1m的速度下降。到2010年降到1 090m左右。在非重点开采区，朔县、山阴深层地下水位也有缓慢下降的趋势。
3.忻州盆地
方案1。维持现有开采量、开采方式和分布不变，预测5年后研究区地下水量与水位变化。
a）降雨量取近5a（1998～2002）月平均值，预测5a后盆地地下水位变化；
b）降雨量取近10a偏枯年份月平均值，预测5a后盆地地下水量与水位变化。
为方便模型计算和输入，方案b）中实际输入降雨量为偏枯水年平均降雨量和平水年平均降雨量比值（取0.827），乘以a）方案降雨量所得。
图5-48 保持开采量不变开采到2010年1月份太原盆地浅层等水位线图
图5-49 保持开采量不变开采到2010年1月份太原市中深层等水位线（m）图
方案1模拟及其结果。
方案1a。维持现有开采状况不变，持续开采到2010年12月份的地下水流模拟。模拟结果平面等水位线图5-51、图5-52。
方案1b。与方案1a比较，降雨量为近10a偏枯年份平均降雨量，预测5a后研究区地下水量与水位变化。
结果分析。结合等水位线图及水位变化曲线图（图5-53、图5-54），可以看出，整个忻州盆地地下水水位呈下降趋势，而水位下降又有两个模式:一种为主要城区，即为主要工业开采区，由于集中开采量大，这些地区的水位降幅特别明显，分别出现了不同程度的地下水降落漏斗，而且问题比较严重；另外一种为除城区外的其他地区，虽然地下水水位下降，但是趋势比较平缓、稳定。
4.临汾盆地
利用所建立的临汾盆地地下水流数值模型对目前开采条件下地下水水头动态进行模拟预测，初始条件为目前地下水水头分布，边界条件、模型参数以及各种源汇项均采用模型识别后的参数。图5-55至图5-58是部分模拟预测结果，由此可见，浅层地下水位和中深层地下水位呈现出不同程度的逐年下降的趋势，尤其是中深层地下水下降趋势更为明显。至2010年时，霍州市、侯马市、临汾市至襄汾市出现大范围降落漏斗。
图5-50 大同盆地浅层水位等值线（m）在2010年变化状况
图5-51 忻州盆地预测2010年12月份浅层地下水等值线（m）图
图5-52 忻州盆地预测2010年12月份中深层地下水等值线（m）图
5.运城盆地
保持目前的开采状态，预测2011年初浅层与中深层水位等值线变化。见图5-59。
模拟结果显示:地下水位下降，浅层部分地区出现疏干现象。中深层水位也部分地区出现水位下降的情况。
图5-53 忻州盆地预测2010年12月份浅层地下水等值线（m）
图5-54 忻州盆地预测2010年12月份中深层地下水等值线（m）
图5-55 临汾盆地2010年5月份第1层等水位线（m）图
图5-56 临汾盆地2005年5月份第5层等水位线（m）图
6.长治盆地
维持现有开采量、开采方式，降雨量为近10a平均降雨量时，预测5a后长治盆地地下水水量与水位的变化情况。
图5-60是长治盆地地下水等水位线计算结果，图中实线表示2005年10月份统测水位，虚线表示2010年12月份模拟计算水位。由此可见，以目前的开采状态，屯留席店地区水源地附近由于工业开采水位下降较快，由2005年到2010年该区域每年以4m的速度下降。
图5-57 临汾盆地2010年9月份第1层等水位线（m）图
图5-58 临汾盆地2010年5月份第5层等水位线（m）图
图5-59 2011年运城盆地浅层水位等值线（m）图（Δ:干枯单元）
（二）开采量缓慢增长的模拟与预测
1.太原盆地
山西中小城市经济还以粗放型发展为主，如果按全国平均经济增长速度6％发展，用水量也按1％递增，我们预测太原盆地11县市（太原市不在预测的范围内）重点开采区域地下水位变化情况。
浅层水位740m与750m等值线出现了明显的变化，表明平原非重点开采区域也将受到明显的影响。这将导致农业生产区地下水位明显的下降，对当地的农业生产产生严重的危害。中深层720m等值封闭的面积扩大非常明显，这表明将使更大面积的承压含水层被疏干。因此这种开采方式是必须被禁止的。
图5-60 方案1长治盆地浅层2010年12月份模拟等值线与2005年10月份实测比较
图5-61 预测太原盆地浅层2010年12月份水位变化（m）
2.大同盆地
依据当地经济及人口增长速度，用水量逐年增加情况，按开采量5a增长3％的速度，即平均按每年递增0.6％的速度开采，降雨量仍为多年平均降雨量时，预测5a后研究区地下水水量与水位的变化。
由图5-62可以看出，深层水位等值线大部分地区变化不大，多保持稳定的下降趋势，但漏斗区域有明显的扩大与加深，变化比较剧烈，必须采取措施。
漏斗区域保持较快的降落趋势，开采量少的地区也在下降，但降落量较少。因此，不能以此种方式继续开采，必须调节开采方案，否则地下水可开采资源将逐年减少，漏斗区域地下水位将快速下降。
图5-62 预测大同盆地深层2010年10月份水位变化
3.忻州盆地
方案2。依据当地经济及人口增长，用水量逐年增加情况，预测5a后研究区地下水量与水位变化。
a）雨量取近5a（1998～2002）月平均值，预测5a后盆地地下水量与水位变化；
b）降雨量取近10a偏枯年份月平均值，预测5a后盆地地下水量与水位变化。
方案2a。降雨量为近5a（1998～2002）平均降雨量时，预测5a后研究区地下水量与水位变化；
开采量根据忻州盆地各地区经济发展及人口增长逐年增加，依据为持续开采到2010年12月份的地下水流模拟。
主要依据忻州盆地各县市经济增长速度，以及忻州盆地1991年至2004年开采量对比分析，地下水年开采量增加列入表5-35。
将各年开采量视作逐年递增，算得工业开采量年增长率为1.56％，而农业开采量年增长率为0.99％。将其用来预测2005年以后的开采量，从而用于模拟计算。
表5-35 地下水年开采量增加幅度（104 m3）
图5-63 预测2010年12月份浅层（左图）、中深层（右图）地下水等值线（m）图
方案2b。与方案2a比较，降雨量为近10a偏枯年份平均降雨量，预测5a后研究区地下水量与水位变化。
模拟结果分析:由于和方案1相比，此方案是等比例单增加了开采量，所以对盆地整体的等水位线图的形状没有产生较大影响，但在主要城区地下水的下降速度增大，其中，原平县城区水位下降速率达到4.2m/a，忻府城区水位下降速率3.2m/a，定襄城区水位下降速率-2.68m/a；非开采区水位基本没有变化或变化不明显。由于开采量增加了，方案1中水位呈波动变化的单元波动幅度稍微有减少的趋势，不过变化不大。总体上看，方案2平面等水位线图和方案1的相比并没有太大区别。
4.临汾盆地
原则是在地下水流场已出现降落漏斗的地方应减少开采量，未出现降落漏斗的地方适当增加开采量，平均按每年递增0.5％的速度开采。
增加开采后，2010年5月份第1层临汾西南部出现降落斗，且漏斗有逐年扩大的趋势；稷山县、侯马市东北部水位也有逐年下降趋势；2004年5月份第5层，临汾南部出现降落漏斗，且漏斗逐年向西部扩大；2004年5月份第9层，霍州市西南、临汾南部、新绛县、侯马市西南部均出现降落漏斗，至2010年5月份，临汾市北部地下水位下降，西南部漏斗逐年扩大，稷山县水位有所下降。总之，临汾市西南、稷山县、新绛县和侯马市浅层和中深层地下水位均有逐年下降的趋势，应控制该地区的开采量以防漏斗疏干。见图5-64、图5-65、图5-66、图5-67。
图5-64 临汾盆地2004年5月份第1层等水位线（m）图
图5-65 临汾盆地2010年5月份第1层等水位线（m）图
图5-66 临汾盆地2004年5月份第5层等水位线（m）图
图5-67 临汾盆地2010年5月份第5层等水位线（m）图
5.运城盆地
黄河沿岸及盐湖区开采量到2011年增加5％，预测水位变化状况（见图5-68）。
地下水位下降速度加快，同时浅层疏干区域面积增大（图中三角符号区域是疏干区域），必须采取调整措施。
图5-68 运城盆地方案2浅层2011年等水位线（m）图
6.长治盆地
依据当地经济及人口增长速度，用水量逐年增加情况，按开采量5a增长2％的速度，即平均按每年递增0.4％的速度开采，降雨量仍为近10a平均降雨量时，预测5a后研究区地下水水量与水位的变化。
图5-69为增加开采预测2010年10月份浅层地下水位等值线图（实线表示表示2005年10月份统测水位，虚线表示增加开采预测2010年12月份模拟计算水位。通过比较两种方案所得到的流场图和模拟单元水位变化图可知，按开采量5a增长2％的速度，降雨量仍为近10a平均降雨量，与维持现状开采条件下相比，在屯留席店水源地附近的降落漏斗进一步地扩大，模型反映出席店水源地漏斗扩大了0.02km2。模拟单元水位变化较小，位于长子和长治地区的模拟单元的水位略有下降。
图5-69 方案2中长治盆地浅层2010年12月份模拟等值线与2005年10月份实测比较
（三）初步调整开采方案的模拟与预测
1.太原盆地
引黄入晋后对太原盆地地下水开采量的调整预测
根据引黄入晋工程的实施进度，2004年11月份—2005年10月份日均向太原市供水21×104 t，2005年11月份—2006年10月份日均供水31.5×104 t，2006年11月份以后日均供水35×104 t。随着黄河水的到来，太原市*实施压采措施，截止2005年2月份，全市累计关闭了124个单位的219眼自备井，压缩地下水开采量23.4×104 t/d。
下面设计的预测模拟主要的对太原市开采量的调配预测。
在GMS模型中，主要对太原南坞城区、小店区采取压采措施（关闭部分开采井），太原市压采从2004年1月份开始，模拟时间是从1990年1月1号至2010年10月10号。
地下水水位预测结果分析:
1）太原市南坞城中深层漏斗中心从2005年开始压采后到2010年水头大约上升了60m。小店中深层漏斗到2010年上升35m，几乎可以恢复到1990年的水头。
2）从漏斗中心模拟单元水头变化曲线看，开始压采的时候水位上升很快，以后逐渐地减慢。
中深层模拟水位等值线见图5-70。
图5-70 预测中深层2010年10月份水位变化（m）
2.大同盆地
引黄入晋后实现北线供水后，对大同盆地地下水位的影响按照初步供水规划，2010年引黄北干线向大同和平朔供水1.6×108 m3，2020年供水4.42×108 m3，2030年供水5.6×108 m3达到设计最终规模。
下面的模拟计算是按照供水保证率在95％的情况下的水量余缺状况进行的。我们没有考虑挤占水量，而是用引入的黄河水代替部分地下水的开采，使地下水部分得到休养生息。
当黄河水进来后，按本调配方案，大同市的几个漏斗到从2006年到2010年范围稍微有点扩大，但漏斗中心的水位却得到了恢复。像城北漏斗中模拟单元63093以每年1m左右的速度上升。到2030年水位恢复到980m左右。城北漏斗区域模拟单元62873水位上升15m左右，到2030年水位达到1 002m左右。城南漏斗模拟区域的63754水位恢复20m，到2030年水位达到988m左右。模拟单元63432、63544、63651等受到的影响很少，地下水位变化并不明显。
通过研究更多模拟单元的水位变化，分析此种水资源的调配方法对研究区域地下水位的影响。通过不断的修正获取最佳方案，应用于生产实践。
表5-36 大同盆地水资源供需情况
注:挤占水量1.65×108 m3中，大同为0.55×108 m3，平朔为1.10×108 m3。
表5-37 预测模型中引黄水量的分配调节方案（108 m3·a-1）
3.忻州盆地
方案3。在方案2基础上，对水位出现持续下降区域，进行开采量的区域调整，预测5a后研究区地下水量与水位变化。开采总量变化趋势沿用方案2中开采量变化率；降雨量采用前2个方案中的b）方案。
为了缓解地下水降落漏斗的问题，我们试将工业开采点分散在城市周围，将原来的开采井进行更加分散和合理的分布，以达到减缓地下水降落漏斗中心处地下水水位下降过快的目的。
原平县城区主要开采井水位为持续下降型，速率-3.67m/a。
忻府城区主要开采井水位变化为持续下降型，速率-1.88m/a。
由于开采量总量不变，各源汇项的量也不变，只改变了开采量的布局，故总的水均衡也不变。
结果分析。由于本方案只是将开采量进一步分散分布，并没有减少总的开采量，故对区域上的水位变化影响不大，但是还是一定程度上了缓解主要开采井中心地点的水位下降幅度（表5-38）。
4.临汾盆地
在方案2基础上，对水位出现持续下降区域，进行开采量的区域调整，预测2010年研究区地下水水位变化。但开采总量保持不变；降雨量采用前2个方案（因事先不知道井的具体开采，只知道县市的开采量，而是根据县市开采量分配到井的；另外开采井的数目统计也不完全准确，所以对开采量进行区域调整）。
图5-71 大同盆地预测浅层2010年10月份水位变化
图5-72 忻州盆地预测2010年12月份浅层地下水等值线（m）图
图5-73 忻州盆地预测2010年12月份中深层地下水等值线（m）图
表5-38 不同方案主要开采区水位下降趋势对比（预测到2010年）
参照前面2个方案模拟结果，可以看到临汾盆地地下水问题主要出现在城市的工业开采集中的区域。由于城市的不断发展，城区面积扩大，为了缓解地下水降落漏斗的问题，我们试将工业开采点分散在城市周围，将原来的开采井进行更加分散和合理的分布，以达到减缓地下水降落漏斗中心处地下水水位下降过快的目的。
图5-74 临汾盆地方案3 2010年浅层模拟水位与实测水位（m）比较
洪洞县东北部屯儿沟一带、翼城县南寿城西一带、侯马市北西庄一带、襄汾县城南一带、霍州市杜庄一带、霍州市东南阎家庄西北一带水位基本上从2004年至2010年处于下降趋势。尽管在一些地方未产生降落漏斗，但水位持续下降，应引起注意以防万一产生降落漏斗，从而引起与水环境有关的环境地质问题。侯马市驿桥一带应水源地开采，2004年水位处于持续下降，2005～2010年水位基本上处于稳定。曲沃、河津一些地方水位出现上升。
5.运城盆地
通过前面2种方案的预测分析表明，浅层区域部分地区疏干，中深层地下水资源还比较丰富；但中深层的地下水资源获得补给比较困难，建议不要过量开采。因此本方案设计研究在黄河低阶地区，布混合开采井开采浅层与中深层的地下水。
方案。永济阶地设开采井50口，单井日开采量7 000m3，盆地内部均匀压采26×104m3，模拟结果见图5-75。
结果分析。永济黄河阶地水源区域，水位一般到2011年下降8m左右，内部压采区域水位略有回升。
6.长治盆地
优化方案1:调整屯留席店区水源地的开采
通过比较前两种开采方案，可以看到在位于屯留席店的水源地水位下降幅度较大，下降速度为4m/a；而且随着开采量的逐年增加，降落漏斗的面积在进一步的扩大，对该地区环境将产生不良影响。
在第2个方案的基础上，保持水源地开采总量不变，在水源地附近的模拟单元增加开采井数量，比较增加不同数量开采井水源地附近水位变化。模拟结果见图5-76、图5-77。
图5-75 运城盆地黄河阶地水源地模拟等值线（m）
a）水源地所在模拟单元的临近单元增加1口开采井，将水源地的开采量平均分配到这2口井。
b）在水源地所在模拟单元的临近的3个单元分别增加1口开采井，将水源地的开采量平均分配到这4口井。
图5-76 长治盆地方案a2010年12月份第1层等水位线（m）
图5-77 长治盆地方案b2010年12月份第1层等水位线（m）
优化方案2:增加近河地区地下水开采
长治盆地地下水的主要补给来源为大气降雨，在近河地区，包气带渗透性好，水位埋深浅，地下水接受大量的降雨补给；在这些地区雨量充沛时地下水水位会上升，蒸发量也会随之增加，增加近河岸地区地下水开采可以减少蒸发引起的地下水不必要损失。
以长治市为例，保持长治市郊区农业生活用水总开采量不变的情况下，在长治市附近近河区增加开采，在远河岸区减少开采。方案c），在近河区域分配60％的总开采量；方案d），在近河区分配80％的总开采量。
图5-78、图5-79分别为调整方案c），调整方案d）预测的2010年12月份浅层地下水位等值线图，比较两种方案的流场和部分模拟单元的水位变化可以看到:方案d）较方案c）在近河岸地区地下水位有所下降，但下降幅度不大，在远河岸地区水位则略有上升，流场变化不明显。
图5-78 长治盆地调整方案c）2010年12月份第1层等水位线（m）
图5-79 长治盆地调整方案d）2010年12月份第1层等水位线（m）
