不同开采方案的数值模拟与预测

(一)确定开采方案的原则

从理论上讲，开采方案的设计要考虑地区经济发展、产业结构调整、人民生活水平提高指数等因素，需要多个部门提供各种信息。由于资料有限，本次开采方案设计主要考虑以下原则。

1)首先考虑现有开采方案的合理性，因为目前的开采情况在一定程度上反映了区域经济和人民生活的需要，遵循了当地经济发展的规律。

2)拟定的开采方案具有可操作性，应结合实际。

3)对当地地下水资源的开发利用和环境保护起到指导作用。

4)充分考虑政府未来五年、十年或更长时间的发展规划，为政府决策提供科学依据。

(2)采矿方案的确定和模拟

1.在2004年维持目前产量的情况下，预测为2010。

利用建立的各流域地下水数值模型，模拟预测2010年的地下水位动态，维持各流域2004年的地下水开采模式。初始水位以5438年6月+2004年10月测得的统一水位为准，从5438年6月+10月25日算起。

2.预测到2010，以产量增加3%或5%的速度，地下水流场的变化。

原则是地下水流场中已出现降落漏斗的地方要减少开采量，未出现降落漏斗的地方要适当增加开采量，年均增加0.5%。

3.根据目前地下水开采可能引发的地质环境问题，调整各流域地下水开采方案，并对调整方案进行预测。

其原理是根据各流域地下水不合理开采引起的特殊环境地质问题，确定地下水开采方案的调整措施，并对调整后的开采方案进行模拟、预测和评价。在此基础上，提出了合理的开采建议。

二是各盆地不同开采方案的优化和比较

(1)当前开采方案的模拟和预测

1.太原盆地

利用太原盆地地下水流数值模型，模拟和预测了当前开采条件下的地下水头动态。初始条件为当前地下水水头分布，边界条件、模型参数和各种源汇项均为模型识别的参数。图5-48和图5-49为部分模拟预测结果，可见浅层地下水位和中深层地下水位均不同程度地呈逐年下降趋势，尤其是中深层地下水位。

2.大同盆地

目前大同市漏斗继续扩大，漏斗中心水位继续下降，2000年至2010年每年约1.6m。到2010，漏斗中心水位下降到1年6月的985m左右。在非重点矿区，深部地下水位变化不明显。模拟结果如图5-50所示。

朔州重点矿区深漏斗中心水位以每年1.1m的速度下降。到2010，将下降到1 090m左右。在非重点矿区，朔县和殷珊的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年后研究区地下水数量和水位的变化。

a)取近5年(1998 ~ 2002)的月平均降雨量，预测5年后流域地下水位的变化；

b)采用近10a的枯水年月平均降雨量预测5年后流域地下水数量和水位的变化。

为便于模型计算和输入，方案b)中的实际输入降雨量为枯水期年平均降雨量与正常季节年平均降雨量之比(取0.827)，由方案a)中的降雨量相乘得到。

图5-48 2010至1，产量不变的太原盆地浅层等水位线。

图5-49 2010至1太原中深层等水位线(M)，开采量相同。

方案1模拟及其结果。

方案1a。保持现有开采状态不变，继续开采至2010和12。模拟结果:平面等压线图5-51和图5-52。

方案1b。与方案1a相比，降雨量为近10a的枯水年平均降雨量，预测5a后研究区地下水数量和水位的变化。

结果分析。结合等压线图和水位变化曲线(图5-53和图5-54)可以看出，忻州盆地地下水位呈下降趋势，水位下降有两种模式:一种是主城区，即主工矿区。由于大量集中开采，这些地区水位下降特别明显，存在不同程度的地下水降落漏斗，问题比较严重；另一种是在除市区以外的其他地区。地下水位虽然下降，但趋势相对平缓稳定。

4 .临汾盆地

利用临汾盆地地下水流数值模型，模拟和预测了当前开采条件下的地下水头动态。初始条件为当前地下水水头分布，边界条件、模型参数和各种源汇项均为模型识别的参数。图5-55至图5-58为部分模拟预测结果，可见浅层地下水位和中深层地下水位均呈不同程度的逐年下降趋势，尤其是中深层地下水位。至2010时，霍州市、侯马市、临汾、襄汾出现大范围登陆漏斗。

图5-50 2010年大同盆地浅层水位等值线(M)变化。

图5-51忻州盆地浅层地下水预测等值线图(M)2010年2月。

图5-522010和12忻州盆地中深层地下水等值线图(M)。

5.运城盆地

保持目前开采状态，预测2011年初浅、中深层水位等值线变化。参见图5-59。

模拟结果表明，地下水位下降，部分浅层区域排水。一些地区的中层和深层水位也有所下降。

图5-53忻州盆地2010和12浅层地下水等值线预测(米)

图5-54 2010年2月忻州盆地中深层地下水预测等值线图(M)。

图5-552010年5月临汾盆地1层等水位线(M)。

图5-56 2005年5月临汾盆地第5层等水位线(M)

6.长治盆地

在维持目前的开采量和开采方式，降雨量接近10a的情况下，预测了长治盆地5年后地下水数量和水位的变化。

图5-60是长治盆地地下水等压线的计算结果。图中实线代表2005年6月5438+10月统一实测水位，虚线代表2010年2月模拟计算水位。可以看出，在目前的开采状态下，屯留西店地区水源地附近的工业开采水位下降很快，从2005年到2010，每年以4m的速度下降。

图5-572010年9月临汾盆地1层等水位线(M)。

图5-58 2010年5月临汾盆地5层等水位线(M)。

图5-59 2011(δ:干单位)运城盆地浅层水位等值线图(M)

(2)开采量缓慢增长的模拟和预测

1.太原盆地

山西省中小城市经济仍以粗放式发展为主。如果全国平均经济增长率为6%，用水量也在增加1%，我们预测太原盆地11个县市(太原市不在预测范围内)重点矿区地下水位变化。

浅水位740m和750m等值线变化明显，表明平原非重点矿区也将受到明显影响。这将导致农业生产区地下水位明显下降，对当地农业生产造成严重危害。中深层720m等效封闭区扩展非常明显，预示着更大面积的承压含水层将被疏干。因此，必须禁止这种采矿方法。

图5-60 2010，12长治盆地浅层模拟等值线与2005，10实测等值线对比。

图5-61 2010年2月太原盆地浅层水位变化预测(米)

2.大同盆地

根据当地经济和人口的增长速度，用水量逐年增加，5年开采量增加3%，即平均开采量每年增加0.6%。当降雨量仍为多年平均降雨量时，预测5年后研究区地下水数量和水位的变化。

从图5-62可以看出，大部分地区的深层水位等值线变化不大，保持稳定下降趋势，但漏斗区明显扩大加深，变化更剧烈，必须采取措施。

漏斗区保持快速下降趋势，开采较少的地区也在下降，但下降量较少。因此，这样继续开采是不可能的，必须调整开采方案，否则地下水可开采资源将逐年减少，漏斗区地下水位将迅速下降。

图5-62 2010年6月大同盆地水位变化预测。

3.忻州盆地

选项2。根据当地经济、人口增长和用水量逐年增加的情况，预测了研究区5年后地下水数量和水位的变化。

a)取近5年(1998 ~ 2002)的月平均降雨量，预测5年后流域地下水水量和水位的变化；

b)采用近10a的枯水年月平均降雨量预测5年后流域地下水数量和水位的变化。

方案2a。当平均降雨量为近5年(1998 ~ 2002)时，预测5年后研究区地下水数量和水位的变化；

根据忻州盆地经济发展和人口增长，开采量逐年增加，其依据是2010 ~ 12的地下水流模拟。

主要根据忻州盆地各县市的经济增长速度和忻州盆地1991至2004年的开采量对比分析，地下水开采量逐年增加情况见表5-35。

按年开采量逐年增加计算，工业开采量的年增长率为1.56%，而农业开采量的年增长率为0.99%。用于预测2005年以后的产量，然后用于模拟计算。

表5-35地下水开采量年增加量(104 m3)

图5-63 2010年2月浅层(左)和中深层(右)地下水等值线(M)预测。

备选方案2b。与方案2a相比，降雨量为近10a的枯水年平均降雨量，预测了5a后研究区地下水数量和水位的变化。

模拟结果分析:与方案1相比，该方案同比例增加了开采量，对流域整体等压线形态影响不大，但主城区地下水下降速率增加，其中原平县水位下降速率为4.2m/a，忻府市为3.2m/a，定襄市为-2.68m/a；非矿区水位基本没有变化或变化不明显。由于产量的增加，方案1中水位波动机组的波动幅度有略微减小的趋势，但变化不显著。总的来说，方案2和方案1没有太大区别。

4 .临汾盆地

原则是地下水流场中已出现降落漏斗的地方要减少开采量，未出现降落漏斗的地方要适当增加开采量，年均增加0.5%。

经过加大开采，2010年5月，临汾西南1层出现坠斗，漏斗逐年扩大。稷山县和侯马市东北部的水位也有逐年下降的趋势。2004年5月第五层临汾南部出现下降漏斗，漏斗逐年向西扩展。2004年5月9日，霍州市西南部、临汾南部、新绛县、侯马市西南部出现下降漏斗。至2010年5月，临汾北部地下水位下降，西南部漏斗逐年扩大，稷山县水位下降。总之，临汾市西南部、稷山县、新绛县和侯马市的浅层和中深层地下水位有逐年下降的趋势，应控制该地区的开采量，防止漏斗状排水。参见图5-64、图5-65、图5-66和图5-67。

图5-64 2004年5月临汾盆地1层等水位线(M)

图5-652010年5月临汾盆地1层等水位线(M)。

图5-66 2004年5月临汾盆地第5层等水位线(M)

图5-67 2010年5月临汾盆地第5层等水位线(M)。

5.运城盆地

到2011，沿黄及盐湖地区开采量将增加5%，并预测水位变化(见图5-68)。

地下水位下降较快，浅排水区面积增大(图中三角形符号区域为排水区)，必须采取调整措施。

图5-68运城盆地方案二浅层2011等水位线(M)

6.长治盆地

根据当地经济和人口的增长速度，用水量逐年增加，5年开采量增加2%，即平均开采量每年增加0.4%。在降雨量仍接近10a时，预测了研究区5年后地下水数量和水位的变化。

图5-69为2010年6月增加开采预测的浅层地下水位等值线图(实线为2005+00年6月统一实测水位，虚线为2010年2月增加开采预测的模拟计算水位)。将两种方案得到的流场图与模拟单元的水位变化图进行对比，可知在采矿产量增加2%的情况下，5年的降雨量仍接近10a。与目前开采条件相比，屯留西店水源地附近的降落漏斗进一步扩大，模型反映出占店水源地的漏斗扩大了0.02km2，模拟单元水位变化不大，位于长子和长治地区的模拟单元水位略有下降。

图5-69方案二2010年6月长治盆地浅层模拟等值线与2005年6月+00实测等值线对比。

(3)开采方案初步调整的模拟和预测

1.太原盆地

引黄入晋后太原盆地地下水开采量的调整与预测

根据引黄工程实施进度，2004年10月至2005年10月太原市日平均供水量为21×104 t，2005年至2006年6月为11t。随着黄河水的到来，太原市政府实施了压采措施。截至2005年2月，全市共关闭自备井124口，压缩地下水开采量23.4×104 t/d..

以下设计的预测模拟主要预测太原市的开采量分配。

GMS模型中，主要对太原市南武市和小店区采取压产措施(部分开采井关闭)。太原市压产从2004年10月65438+开始，模拟时间从1990 1到2010 10。

地下水位预测结果分析；

1)太原市南武市深漏斗中心头从2005年开始压采到2010增加了约60m。小店的中深漏斗到2010会涨35m，差不多可以恢复到1990的头了。

2)从漏斗中心模拟单元的水头变化曲线来看，压力开采开始时水位上升很快，之后逐渐变缓。

中深层模拟水位等值线见图5-70。

图5-70 2010和10中深层水位变化预测(米)

2.大同盆地

根据初步供水计划，2010年，引黄北干线向大同、和平朔供水1.6×108 m3，2020年4.42×108 m3，2030年5.6×65438+。

以下是在供水保证率为95%的情况下，根据缺水情况进行的模拟计算。我们没有考虑排挤水，而是用输入的黄河水来替代一部分地下水开采，让一部分地下水得以休养生息。

黄河水进来，按照这个分配方案，大同市的几个漏斗范围从2006年到2010略有扩大，但漏斗中心水位有所恢复。城北漏斗中的模拟单元63093以每年1m左右的速度上升。到2030年，水位将恢复到约980m。北部漏斗区的模拟单元62873的水位将上升约15m，到2030年将达到约1 002m。南漏斗模拟区63754水位将恢复到20m，到2030年将达到988m左右。模拟单元63432、63544、63651受影响较小，地下水位变化不明显。

通过研究多个模拟单元的水位变化，分析了这种水资源配置方式对研究区地下水位的影响。通过不断修正，得出最佳方案，并应用于生产实践。

表5-36大同盆地水资源供需情况

注:1.65×108 m3占用水量中，大同为0.55×108 m3，平朔为1.10×108 m3。

表5-37预测模型(108m3 A-1)引黄水量分配调整方案

3.忻州盆地

选项3。在方案二的基础上，对水位持续下降的区域进行了开采量的区域调整，并对研究区5年后的地下水数量和水位变化进行了预测。总开采量的变化趋势遵循方案二的开采量变化率；降雨采用前两个方案中的方案b)。

为了缓解地下水降落漏斗问题，我们尝试将工业开采点分散在城市周围，将原有的开采井分布得更加分散合理，以减缓地下水降落漏斗中心地下水位的快速下降。

原平县主要采矿井水位持续下降，下降速度为-3.67米/年

忻府城区主要采矿井水位变化为持续下降，速率为-1.88 m/a。

因为开采总量不变，各源汇量不变，只改变开采布局，所以总量水平衡不变。

结果分析。由于该方案只是进一步分散了开采量，并没有减少总开采量，对区域水位变化影响不大，但仍在一定程度上缓解了主要开采井中心的水位下降(表5-38)。

4 .临汾盆地

在方案二的基础上，对水位持续下降的区域进行了开采量的区域调整，预测了2010年研究区地下水位的变化。但是，开采总量不变；降雨采用前两种方案(由于事先不知道井的具体开采量，只知道县市开采量，但按照县市开采量分摊到井；另外，开采井数统计不完全准确，所以开采量是分区域调整的)。

图5-71大同盆地2010和10年浅层水位变化预测。

图5-72 2010和12忻州盆地浅层地下水等值线图(M)。

图5-73 2010和12忻州盆地中深层地下水等值线图(M)。

表5-38不同方案主要矿区水位下降趋势对比(预测至2010)

参考前面两个方案的模拟结果，可以看出临汾盆地的地下水问题主要出现在城市工业开采集中的区域。由于城市的不断发展，城区的不断扩大，为了缓解地下水降落漏斗的问题，我们尽量将工业开采点分散在城市周围，将原有的开采井分布得更加分散合理，以减缓地下水降落漏斗中心地下水位的快速下降。

图5-74临汾盆地方案3 2010模拟浅水水位与实测水位(m)对比。

洪洞县东北部的土尔沟地区、翼城县南首市西部、侯马市西庄北部、襄汾县南部、霍州市杜庄、霍州市东南部闫家庄西北部水位2004年至2010基本呈下降趋势。有些地方虽然没有降落漏斗，但水位持续下降，万一出现降落漏斗就要引起注意，从而引发与水环境相关的环境地质问题。侯马市乔伊地区应由水源地开采，2004年水位继续下降，2005年至2010基本稳定。曲沃、河津部分地方水位上涨。

5.运城盆地

通过对前两个方案的预测分析，表明浅层部分地区有排水，中深层地下水资源相对丰富；但中深层地下水资源补给困难，建议不要过度开采。因此，本方案在黄河低序区设计研究，布置混采井开采浅层和中深层地下水。

方案。永济阶地有50口生产井，单井日产7 000m3，盆地内均压产量为26×104m3。模拟结果见图5-75。

结果分析。永济黄河阶地水源区2011水位普遍下降8m左右，内压产区水位略有上升。

6.长治盆地

优化方案1:调整屯留西电区水源开采。

通过对比前两种开采方案可以看出，位于屯留西店的水源地水位下降速度较大，为4m/a；而且随着开采量的逐年增加，下落漏斗的面积进一步扩大，会对该地区的环境产生负面影响。

在方案二的基础上，保持水源地开采总量不变，增加水源地附近模拟单元的开采井数量，增加开采井数量不同的水源地附近水位变化。模拟结果如图5-76和图5-77所示。

图5-75运城盆地黄河阶地水源地模拟等高线(m)

a)水源所在的模拟单元相邻单元增加1口生产井，水源的产量平均分配给这两口井。

b)在水源所在的模拟单元相邻三个单元增加1口生产井，将水源的产量平均分配给这四口井。

图5-76长治盆地方案a 2065438+65438 00+2月1层等水位线(M)

图5-77长治盆地方案B2065438+65438在00+02层的等水位线(M)

优化方案二:增加河流附近的地下水开采量。

长治盆地地下水补给的主要来源是大气降水。在靠近河流的地区，包气带渗透性好，水位浅，地下水接受大量的降雨补给。当这些地区雨量充沛时，地下水位会上升，蒸发量也会增加。增加河岸附近的地下水开采量，可以减少蒸发造成的地下水不必要的损失。

以长治市为例，在保持长治市郊区农业生活用水开采总量不变的情况下，加大近江开采，减少远河岸开采。方案c)将总开采量的60%分配到靠近河流的区域；方案d)将总开采量的80%分配到靠近河流的区域。

图5-78和图5-79分别为2010年2月调整方案c)和调整方案d)预测的浅层地下水位等值线图。通过比较两个方案的流场和部分模拟单元的水位变化可以看出，方案d)的地下水位比方案c)低，但下降幅度不大，而远河岸区的水位略高。

图5-78长治盆地调整方案c)2月1层等水位线(M)c)2010。

图5-79长治盆地调整方案d)2月1层等水位线(M)d)2010。