(壹)確定開采方案的原則
從理論上講，開采方案的設計要考慮地區經濟發展、產業結構調整、人民生活水平提高指數等因素，需要多個部門提供各種信息。由於資料有限，本次開采方案設計主要考慮以下原則。
1)首先考慮現有開采方案的合理性，因為目前的開采情況在壹定程度上反映了區域經濟和人民生活的需要，遵循了當地經濟發展的規律。
2)擬定的開采方案具有可操作性，應結合實際。
3)對當地地下水資源的開發利用和環境保護起到指導作用。
4)充分考慮政府未來五年、十年或更長時間的發展規劃，為政府決策提供科學依據。
(2)采礦方案的確定和模擬
1.在2004年維持目前產量的情況下，預測為2010。
利用建立的各流域地下水數值模型，模擬預測2010年的地下水位動態，維持各流域2004年的地下水開采模式。初始水位以5438年6月+2004年10月測得的統壹水位為準，從5438年6月+10月25日算起。
2.預測到2010，以產量增加3%或5%的速度，地下水流場的變化。
原則是地下水流場中已出現降落漏鬥的地方要減少開采量，未出現降落漏鬥的地方要適當增加開采量，年均增加0.5%。
3.根據目前地下水開采可能引發的地質環境問題，調整各流域地下水開采方案，並對調整方案進行預測。
其原理是根據各流域地下水不合理開采引起的特殊環境地質問題，確定地下水開采方案的調整措施，並對調整後的開采方案進行模擬、預測和評價。在此基礎上，提出了合理的開采建議。
二是各盆地不同開采方案的優化和比較
(1)當前開采方案的模擬和預測
1.太原盆地
利用太原盆地地下水流數值模型，模擬和預測了當前開采條件下的地下水頭動態。初始條件為當前地下水水頭分布，邊界條件、模型參數和各種源匯項均為模型識別的參數。圖5-48和圖5-49為部分模擬預測結果，可見淺層地下水位和中深層地下水位均不同程度地呈逐年下降趨勢，尤其是中深層地下水位。
2.大同盆地
目前大同市漏鬥繼續擴大，漏鬥中心水位繼續下降，2000年至2010年每年約1.6m。到2010，漏鬥中心水位下降到1年6月的985m左右。在非重點礦區，深部地下水位變化不明顯。模擬結果如圖5-50所示。
朔州重點礦區深漏鬥中心水位以每年1.1m的速度下降。到2010，將下降到1 090m左右。在非重點礦區，朔縣和殷珊的深層地下水位也有緩慢下降的趨勢。
3.忻州盆地
方案1。維持現有開采量、開采方式和分布不變，預測5年後研究區地下水數量和水位的變化。
a)取近5年(1998 ~ 2002)的月平均降雨量，預測5年後流域地下水位的變化；
b)采用近10a的枯水年月平均降雨量預測5年後流域地下水數量和水位的變化。
為便於模型計算和輸入，方案b)中的實際輸入降雨量為枯水期年平均降雨量與正常季節年平均降雨量之比(取0.827)，由方案a)中的降雨量相乘得到。
圖5-48 2010至1，產量不變的太原盆地淺層等水位線。
圖5-49 2010至1太原中深層等水位線(M)，開采量相同。
方案1模擬及其結果。
方案1a。保持現有開采狀態不變，繼續開采至2010和12。模擬結果:平面等壓線圖5-51和圖5-52。
方案1b。與方案1a相比，降雨量為近10a的枯水年平均降雨量，預測5a後研究區地下水數量和水位的變化。
結果分析。結合等壓線圖和水位變化曲線(圖5-53和圖5-54)可以看出，忻州盆地地下水位呈下降趨勢，水位下降有兩種模式:壹種是主城區，即主工礦區。由於大量集中開采，這些地區水位下降特別明顯，存在不同程度的地下水降落漏鬥，問題比較嚴重；另壹種是在除市區以外的其他地區。地下水位雖然下降，但趨勢相對平緩穩定。
4 .臨汾盆地
利用臨汾盆地地下水流數值模型，模擬和預測了當前開采條件下的地下水頭動態。初始條件為當前地下水水頭分布，邊界條件、模型參數和各種源匯項均為模型識別的參數。圖5-55至圖5-58為部分模擬預測結果，可見淺層地下水位和中深層地下水位均呈不同程度的逐年下降趨勢，尤其是中深層地下水位。至2010時，霍州市、侯馬市、臨汾、襄汾出現大範圍登陸漏鬥。
圖5-50 2010年大同盆地淺層水位等值線(M)變化。
圖5-51忻州盆地淺層地下水預測等值線圖(M)2010年2月。
圖5-522010和12忻州盆地中深層地下水等值線圖(M)。
5.運城盆地
保持目前開采狀態，預測2011年初淺、中深層水位等值線變化。參見圖5-59。
模擬結果表明，地下水位下降，部分淺層區域排水。壹些地區的中層和深層水位也有所下降。
圖5-53忻州盆地2010和12淺層地下水等值線預測(米)
圖5-54 2010年2月忻州盆地中深層地下水預測等值線圖(M)。
圖5-552010年5月臨汾盆地1層等水位線(M)。
圖5-56 2005年5月臨汾盆地第5層等水位線(M)
6.長治盆地
在維持目前的開采量和開采方式，降雨量接近10a的情況下，預測了長治盆地5年後地下水數量和水位的變化。
圖5-60是長治盆地地下水等壓線的計算結果。圖中實線代表2005年6月5438+10月統壹實測水位，虛線代表2010年2月模擬計算水位。可以看出，在目前的開采狀態下，屯留西店地區水源地附近的工業開采水位下降很快，從2005年到2010，每年以4m的速度下降。
圖5-572010年9月臨汾盆地1層等水位線(M)。
圖5-58 2010年5月臨汾盆地5層等水位線(M)。
圖5-59 2011(δ:幹單位)運城盆地淺層水位等值線圖(M)
(2)開采量緩慢增長的模擬和預測
1.太原盆地
山西省中小城市經濟仍以粗放式發展為主。如果全國平均經濟增長率為6%，用水量也在增加1%，我們預測太原盆地11個縣市(太原市不在預測範圍內)重點礦區地下水位變化。
淺水位740m和750m等值線變化明顯，表明平原非重點礦區也將受到明顯影響。這將導致農業生產區地下水位明顯下降，對當地農業生產造成嚴重危害。中深層720m等效封閉區擴展非常明顯，預示著更大面積的承壓含水層將被疏幹。因此，必須禁止這種采礦方法。
圖5-60 2010，12長治盆地淺層模擬等值線與2005，10實測等值線對比。
圖5-61 2010年2月太原盆地淺層水位變化預測(米)
2.大同盆地
根據當地經濟和人口的增長速度，用水量逐年增加，5年開采量增加3%，即平均開采量每年增加0.6%。當降雨量仍為多年平均降雨量時，預測5年後研究區地下水數量和水位的變化。
從圖5-62可以看出，大部分地區的深層水位等值線變化不大，保持穩定下降趨勢，但漏鬥區明顯擴大加深，變化更劇烈，必須采取措施。
漏鬥區保持快速下降趨勢，開采較少的地區也在下降，但下降量較少。因此，這樣繼續開采是不可能的，必須調整開采方案，否則地下水可開采資源將逐年減少，漏鬥區地下水位將迅速下降。
圖5-62 2010年6月大同盆地水位變化預測。
3.忻州盆地
選項2。根據當地經濟、人口增長和用水量逐年增加的情況，預測了研究區5年後地下水數量和水位的變化。
a)取近5年(1998 ~ 2002)的月平均降雨量，預測5年後流域地下水水量和水位的變化；
b)采用近10a的枯水年月平均降雨量預測5年後流域地下水數量和水位的變化。
方案2a。當平均降雨量為近5年(1998 ~ 2002)時，預測5年後研究區地下水數量和水位的變化；
根據忻州盆地經濟發展和人口增長，開采量逐年增加，其依據是2010 ~ 12的地下水流模擬。
主要根據忻州盆地各縣市的經濟增長速度和忻州盆地1991至2004年的開采量對比分析，地下水開采量逐年增加情況見表5-35。
按年開采量逐年增加計算，工業開采量的年增長率為1.56%，而農業開采量的年增長率為0.99%。用於預測2005年以後的產量，然後用於模擬計算。
表5-35地下水開采量年增加量(104 m3)
圖5-63 2010年2月淺層(左)和中深層(右)地下水等值線(M)預測。
備選方案2b。與方案2a相比，降雨量為近10a的枯水年平均降雨量，預測了5a後研究區地下水數量和水位的變化。
模擬結果分析:與方案1相比，該方案同比例增加了開采量，對流域整體等壓線形態影響不大，但主城區地下水下降速率增加，其中原平縣水位下降速率為4.2m/a，忻府市為3.2m/a，定襄市為-2.68m/a；非礦區水位基本沒有變化或變化不明顯。由於產量的增加，方案1中水位波動機組的波動幅度有略微減小的趨勢，但變化不顯著。總的來說，方案2和方案1沒有太大區別。
4 .臨汾盆地
原則是地下水流場中已出現降落漏鬥的地方要減少開采量，未出現降落漏鬥的地方要適當增加開采量，年均增加0.5%。
經過加大開采，2010年5月，臨汾西南1層出現墜鬥，漏鬥逐年擴大。稷山縣和侯馬市東北部的水位也有逐年下降的趨勢。2004年5月第五層臨汾南部出現下降漏鬥，漏鬥逐年向西擴展。2004年5月9日，霍州市西南部、臨汾南部、新絳縣、侯馬市西南部出現下降漏鬥。至2010年5月，臨汾北部地下水位下降，西南部漏鬥逐年擴大，稷山縣水位下降。總之，臨汾市西南部、稷山縣、新絳縣和侯馬市的淺層和中深層地下水位有逐年下降的趨勢，應控制該地區的開采量，防止漏鬥狀排水。參見圖5-64、圖5-65、圖5-66和圖5-67。
圖5-64 2004年5月臨汾盆地1層等水位線(M)
圖5-652010年5月臨汾盆地1層等水位線(M)。
圖5-66 2004年5月臨汾盆地第5層等水位線(M)
圖5-67 2010年5月臨汾盆地第5層等水位線(M)。
5.運城盆地
到2011，沿黃及鹽湖地區開采量將增加5%，並預測水位變化(見圖5-68)。
地下水位下降較快，淺排水區面積增大(圖中三角形符號區域為排水區)，必須采取調整措施。
圖5-68運城盆地方案二淺層2011等水位線(M)
6.長治盆地
根據當地經濟和人口的增長速度，用水量逐年增加，5年開采量增加2%，即平均開采量每年增加0.4%。在降雨量仍接近10a時，預測了研究區5年後地下水數量和水位的變化。
圖5-69為2010年6月增加開采預測的淺層地下水位等值線圖(實線為2005+00年6月統壹實測水位，虛線為2010年2月增加開采預測的模擬計算水位)。將兩種方案得到的流場圖與模擬單元的水位變化圖進行對比，可知在采礦產量增加2%的情況下，5年的降雨量仍接近10a。與目前開采條件相比，屯留西店水源地附近的降落漏鬥進壹步擴大，模型反映出占店水源地的漏鬥擴大了0.02km2，模擬單元水位變化不大，位於長子和長治地區的模擬單元水位略有下降。
圖5-69方案二2010年6月長治盆地淺層模擬等值線與2005年6月+00實測等值線對比。
(3)開采方案初步調整的模擬和預測
1.太原盆地
引黃入晉後太原盆地地下水開采量的調整與預測
根據引黃工程實施進度，2004年10月至2005年10月太原市日平均供水量為21×104 t，2005年至2006年6月為11t。隨著黃河水的到來，太原市政府實施了壓采措施。截至2005年2月，全市共關閉自備井124口，壓縮地下水開采量23.4×104 t/d..
以下設計的預測模擬主要預測太原市的開采量分配。
GMS模型中，主要對太原市南武市和小店區采取壓產措施(部分開采井關閉)。太原市壓產從2004年10月65438+開始，模擬時間從1990 1到2010 10。
地下水位預測結果分析；
1)太原市南武市深漏鬥中心頭從2005年開始壓采到2010增加了約60m。小店的中深漏鬥到2010會漲35m，差不多可以恢復到1990的頭了。
2)從漏鬥中心模擬單元的水頭變化曲線來看，壓力開采開始時水位上升很快，之後逐漸變緩。
中深層模擬水位等值線見圖5-70。
圖5-70 2010和10中深層水位變化預測(米)
2.大同盆地
根據初步供水計劃，2010年，引黃北幹線向大同、和平朔供水1.6×108 m3，2020年4.42×108 m3，2030年5.6×65438+。
以下是在供水保證率為95%的情況下，根據缺水情況進行的模擬計算。我們沒有考慮排擠水，而是用輸入的黃河水來替代壹部分地下水開采，讓壹部分地下水得以休養生息。
黃河水進來，按照這個分配方案，大同市的幾個漏鬥範圍從2006年到2010略有擴大，但漏鬥中心水位有所恢復。城北漏鬥中的模擬單元63093以每年1m左右的速度上升。到2030年，水位將恢復到約980m。北部漏鬥區的模擬單元62873的水位將上升約15m，到2030年將達到約1 002m。南漏鬥模擬區63754水位將恢復到20m，到2030年將達到988m左右。模擬單元63432、63544、63651受影響較小，地下水位變化不明顯。
通過研究多個模擬單元的水位變化，分析了這種水資源配置方式對研究區地下水位的影響。通過不斷修正，得出最佳方案，並應用於生產實踐。
表5-36大同盆地水資源供需情況
註:1.65×108 m3占用水量中，大同為0.55×108 m3，平朔為1.10×108 m3。
表5-37預測模型(108m3 A-1)引黃水量分配調整方案
3.忻州盆地
選項3。在方案二的基礎上，對水位持續下降的區域進行了開采量的區域調整，並對研究區5年後的地下水數量和水位變化進行了預測。總開采量的變化趨勢遵循方案二的開采量變化率；降雨采用前兩個方案中的方案b)。
為了緩解地下水降落漏鬥問題，我們嘗試將工業開采點分散在城市周圍，將原有的開采井分布得更加分散合理，以減緩地下水降落漏鬥中心地下水位的快速下降。
原平縣主要采礦井水位持續下降，下降速度為-3.67米/年
忻府城區主要采礦井水位變化為持續下降，速率為-1.88 m/a。
因為開采總量不變，各源匯量不變，只改變開采布局，所以總量水平衡不變。
結果分析。由於該方案只是進壹步分散了開采量，並沒有減少總開采量，對區域水位變化影響不大，但仍在壹定程度上緩解了主要開采井中心的水位下降(表5-38)。
4 .臨汾盆地
在方案二的基礎上，對水位持續下降的區域進行了開采量的區域調整，預測了2010年研究區地下水位的變化。但是，開采總量不變；降雨采用前兩種方案(由於事先不知道井的具體開采量，只知道縣市開采量，但按照縣市開采量分攤到井；另外，開采井數統計不完全準確，所以開采量是分區域調整的)。
圖5-71大同盆地2010和10年淺層水位變化預測。
圖5-72 2010和12忻州盆地淺層地下水等值線圖(M)。
圖5-73 2010和12忻州盆地中深層地下水等值線圖(M)。
表5-38不同方案主要礦區水位下降趨勢對比(預測至2010)
參考前面兩個方案的模擬結果，可以看出臨汾盆地的地下水問題主要出現在城市工業開采集中的區域。由於城市的不斷發展，城區的不斷擴大，為了緩解地下水降落漏鬥的問題，我們盡量將工業開采點分散在城市周圍，將原有的開采井分布得更加分散合理，以減緩地下水降落漏鬥中心地下水位的快速下降。
圖5-74臨汾盆地方案3 2010模擬淺水水位與實測水位(m)對比。
洪洞縣東北部的土爾溝地區、翼城縣南首市西部、侯馬市西莊北部、襄汾縣南部、霍州市杜莊、霍州市東南部閆家莊西北部水位2004年至2010基本呈下降趨勢。有些地方雖然沒有降落漏鬥，但水位持續下降，萬壹出現降落漏鬥就要引起註意，從而引發與水環境相關的環境地質問題。侯馬市喬伊地區應由水源地開采，2004年水位繼續下降，2005年至2010基本穩定。曲沃、河津部分地方水位上漲。
5.運城盆地
通過對前兩個方案的預測分析，表明淺層部分地區有排水，中深層地下水資源相對豐富；但中深層地下水資源補給困難，建議不要過度開采。因此，本方案在黃河低序區設計研究，布置混采井開采淺層和中深層地下水。
方案。永濟階地有50口生產井，單井日產7 000m3，盆地內均壓產量為26×104m3。模擬結果見圖5-75。
結果分析。永濟黃河階地水源區2011水位普遍下降8m左右，內壓產區水位略有上升。
6.長治盆地
優化方案1:調整屯留西電區水源開采。
通過對比前兩種開采方案可以看出，位於屯留西店的水源地水位下降速度較大，為4m/a；而且隨著開采量的逐年增加，下落漏鬥的面積進壹步擴大，會對該地區的環境產生負面影響。
在方案二的基礎上，保持水源地開采總量不變，增加水源地附近模擬單元的開采井數量，增加開采井數量不同的水源地附近水位變化。模擬結果如圖5-76和圖5-77所示。
圖5-75運城盆地黃河階地水源地模擬等高線(m)
a)水源所在的模擬單元相鄰單元增加1口生產井，水源的產量平均分配給這兩口井。
b)在水源所在的模擬單元相鄰三個單元增加1口生產井，將水源的產量平均分配給這四口井。
圖5-76長治盆地方案a 2065438+65438 00+2月1層等水位線(M)
圖5-77長治盆地方案B2065438+65438在00+02層的等水位線(M)
優化方案二:增加河流附近的地下水開采量。
長治盆地地下水補給的主要來源是大氣降水。在靠近河流的地區，包氣帶滲透性好，水位淺，地下水接受大量的降雨補給。當這些地區雨量充沛時，地下水位會上升，蒸發量也會增加。增加河岸附近的地下水開采量，可以減少蒸發造成的地下水不必要的損失。
以長治市為例，在保持長治市郊區農業生活用水開采總量不變的情況下，加大近江開采，減少遠河岸開采。方案c)將總開采量的60%分配到靠近河流的區域；方案d)將總開采量的80%分配到靠近河流的區域。
圖5-78和圖5-79分別為2010年2月調整方案c)和調整方案d)預測的淺層地下水位等值線圖。通過比較兩個方案的流場和部分模擬單元的水位變化可以看出，方案d)的地下水位比方案c)低，但下降幅度不大，而遠河岸區的水位略高。
圖5-78長治盆地調整方案c)2月1層等水位線(M)c)2010。
圖5-79長治盆地調整方案d)2月1層等水位線(M)d)2010。