摘要 莱城区是由国务院批准兴建的新型城区,而莱芜钢铁总厂为山东省特大型钢 铁企业,由于水资源供需矛盾日益突出,直接影响了莱钢总厂的发展和钢城区的 城市建设,受莱芜钢铁总厂的委托,深入研究莱钢水源地区的地下岩溶储水能力, 探索修建地下岩溶水库的可能性,即最大限度地拦蓄地表径流,强化对地下岩溶 水库的补给,将地表水体直接与地下裂隙岩溶含水层的储水空间联合调度,发挥 地下岩溶水库的多年调节作用,本着“以补定采,采补平衡”的原则,做到即增 加地下水的开采量,又要使地下水趋于均衡。以保持鲁中岩溶地区良好的水文地 质环境。为莱钢总厂扩大再生产及钢城区城市供水能力的提高,提供科学的决策 理论。 研究区为傅家桥水源地,该水源地是莱芜钢铁总厂最重要的水源地之一,由 于对地下水过量开采,地下水位逐年下降,在水源地附近形成了较大范围的地下 水降落漏斗,地下水补排极不均衡,严重地影响了水源地的使用。因而造成城区 供水状况日趋紧张。本报告分为四部分,第一部分从区域地质构造、区域水文地 质特征几方面论述了傅家桥地下岩溶水库的建库条件;第二部分论述了地下岩溶 水库的出水条件;第三部分为傅家桥水库地表水、地下岩溶水联合调度有限元数 值模型的建立及计算;第四部分为傅家桥水库地表水、地下水联合调度调蓄能力 分析。 为了分析论证修建地下岩溶水库的可行性,此次采用区域水文地质测绘、钻 探、稳定及非稳定流抽水试验、地下水动态观测、放射性同位素测试等多种手段, 结合长系列年地下水长观资料,从岩溶水系统观点出发,研究本区特有的岩溶含 水结构、边界条件以及裂隙岩溶水与大气降水、地表迁流之间的“三水”转换、 平衡关系。并建立地表水、地下岩溶水联合调度模型,通过有限元数值计算,科 学合理论证傅家桥地下岩溶水库建库可能性。采用有限元方法评价岩溶地区水资 源,对探索开发利用北方岩溶地区岩溶水资源是十分有益的。该报告得出有关结 论如下:1.傅家桥水源地地下岩溶受周围构造及地层岩性的控制,构成了相对封闭的 不透水边界,为一独立的水文地质单元,不存在向外流域渗漏的条件;区内中奥 陶系灰岩含水层是本区主要含水层,其分布面积广,厚度大,透水性和蓄水条件 良好:沿河分布的第四系砂砾石含水层透水性强,对裂隙岩溶水起着良好的调节 作用;中奥陶系各段裂隙岩溶含水层之间,以及地下含水层与地表水体之间水力 联系密切,有利于含水层之间互补给及地表水向地下水转化。因此,地下岩溶水 库具有良好的储水结构。地下岩溶水库可用总面积12平方公里,总库容4775.90 万立方米。 2.修建地表水库后,地表水与裂隙岩溶水联合调度效益显著。未建地表水 库时,按天然补给条件,P=97%的均衡开采量只有2.18万立方米/日,地下岩 溶水库调节库容只能利用563.52万立方米。建地表水库后,地表水与岩溶水联 全调度,各方案的每日均衡开采量及地下岩溶水库库容利用率均比天然状态下有 较大幅度地增加,废泄的地表迁流则有不同程度地减少。以n坝线地表兴利水痊 265.0米为例,P二98%的均衡开采量达到4.854万立方米/日,比建库前增加 了2.672万立方米/日,地下岩溶水库的最大调节库容达到1779.巧万立方米, 地表水库与地下水库的总库容达到2364.83万立方米。因此,供水效益显著。 3.裂隙岩溶水系统的动态平衡直接受降雨和地表迁流的控制和影响。在枯水 季、枯水年,特别是连续枯水年,地下岩溶水系统的天然补给量有限,不能满足 正常开采的需要;而在丰水季、丰水年,特别是连续丰水年,地表迁流源短流急, 形成洪水,除部分补给裂隙岩溶水外,大部分成为河川还流弃水排向下游。修建 地表水库,拦蓄部分洪水实施地表水、地下水联合调度开采,充分实现地下岩溶 水库多年调节,是解决上述问题的最佳途径。4. 水源地区东部F,断层、西部FZ断层、北部F3、F;断层构成了地下岩溶水库 的东、西、北阻水边界,在计算上为二类边界;南部山区为奥陶系、寒武系地层 出露区,地表分水岭与地下分水岭基本一致,可确定为地下岩溶水库的南部边界, 按二类边界处理,其单宽流量根据间接补给区(分水岭至南部边界区)的水均衡 计算确定。地下岩溶水库含水层为马家沟组第二至第六段灰岩,库区岩溶发育深 度为200.0米,其中埋深130.0米以上裂隙岩溶发育较均匀。因计算中主要考虑 显效库容层位(具有较大岩溶率),故本次计算中取埋深130.0米为地下岩溶库底板。 考虑到本区地下水长期开采,岩溶地下水位普遍低于第四系底板,亦显示 潜水特征。再者由本区岩溶地下水流场分析,具有统一的自由水面,故本次计算 统一概化为非均质各向同性 库区裂隙岩溶水的补给,主要来源于大气降水入渗和地表迁流(包括修建地 表水库)入渗补给,计算中分别概化戌垂向补给强度(单位时间、单位面积的补 给量)。其次在南部、东部等大面积间接补给区地下水通过构造裂隙带、风化裂 隙带和第四系松散沉积层的侧向补给,计算中统一概化成二类边界侧向补给强度 (单位时间、单位长度的补给量)。裂隙岩溶水排泄主要集中在丈八丘、傅家桥、 一铁、针1四个水源地和少量分散的开采井,分别概化成节点井开采量和垂向开 采强度参加计算。计算区的水量数学模型是由地表水水量模型与地下水水量模型 祸合而成。根据本区三次岩溶地下水统测资料,选择1988年6月9日至9月9 日共90天作为数学模型的拟合时段;1988年9月9日至1989年5月9日共245 天作为模型的验证时段。进行拟合调试,拟合结果表明,数学模型正确,边界条 件合理。 〔关键词〕有限元地下水库地表水库模型模拟验证联合调度 1研究区自然地理概况..............................2 1.1地理位置.......................、..................2 1.2气候....................................................2 1.3水文....................................................2 2傅家桥地下岩溶水库建库条件分析..................4 2.1区域地质条件.....................,................4 2.1.1地形地貌..............................................4 2.1.2地层岩性..............................................5 2.1.3地质构造..............................................7 2.2区域水文地质特征.....................................,.12 2.2.1地下水类型及特征.....................................12 2.2.2裂隙岩溶发育规律.....................................13 2.2.3岩溶水间接补给区地下水运动特征.......................17 3地下岩溶水库的储水条件.........................19 3.2地下岩溶水库的储水结构.,. 3.3库区裂隙岩溶水的运动特征. 3.3.1补给条件;.............. 3.3.2迁流条件............... 3.3.3排泄条件..…,......... 3.3.4岩脉的水文地质性质..... 3.4库区地下水动态分析....... 3.5调蓄水源及水质........... 3.5.1大气降水............... 3.5.2河川迁流............... 3.5.3调蓄水源水质论证....... 3.6地下岩溶水库的入渗途径及开采能力 3.6.1入渗途径分析........... 3.6.2开采能力分析........... 4傅家桥水库地表水、地下岩溶水联合调度模型的有限元数值计30 4.1地表水、地下岩溶水水文地质模型概化.. 4.2地表水、地下岩溶水联合调度数学模型及其解法 4.2.1数学模型的建立.................... 314.2.2数学模型的求解.......................................33 4.3参数及各项补排量的确定.................................36 4.3.1计算区剖分及参数分区.................................36 4.3.2计算区补给、排泄项的处理,..…,......,.........36 4.4数学模型的拟合与验证..........,..................40 4.5地表水、地下岩溶水联合调度均衡开采量计算...............44 4.5.1计算原则.............................................44 4.5.2均衡开采量计算.......................................44 5傅家桥水库地表水、地下水联合调度调蓄能力的分析.52 5.1傅家桥水库地下岩溶水调蓄能力与地表水库库容有关。.......52 5.2地下岩溶水库库区开采井的布局对傅家桥水库调蓄能力有一定影响…52 6地下岩溶水库环境影响评价.......................61 6.1土壤盐渍化问题.........................................61 6.2水质污染....................,...…,...........61 7结论