厄立特里亞扎拉河地下水資源評價(jià)與可開采潛力分析

林國慶，吳先勇，龐紅璐，陳小蘭，李文娟，閆鑫宇

（1.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；2.上海外經(jīng)集團(tuán)控股有限公司，上海市200032）

厄立特里亞扎拉河地下水資源評價(jià)與可開采潛力分析

林國慶1，吳先勇2，龐紅璐1，陳小蘭1，李文娟1，閆鑫宇1

（1.中國海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；2.上海外經(jīng)集團(tuán)控股有限公司，上海市200032）

為了確?？瓶ń鸬V項(xiàng)目可以獲得持續(xù)性供水，避免過度抽水導(dǎo)致周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境失衡，通過抽水試驗(yàn)、地震勘探等方法對地下水資源進(jìn)行評價(jià)，并建立了水均衡模型，探究該地區(qū)地下水的可開采潛力。結(jié)果表明：該地區(qū)含水層具有高滲透性，出水量超過20 L/s，總存儲量計(jì)算值為5.3 Mm3；較厚的沖積含水層可滿足該項(xiàng)目運(yùn)行8年的用水需求。水均衡分析結(jié)果顯示，平水年的河道徑流可以提供足夠的入滲補(bǔ)給，使含水層恢復(fù)至最大儲量；模擬3種氣候條件下，含水層出現(xiàn)的平均降深為2.21～2.65 m，平均地下水位約為15.1 m，且從含水層中抽取水對周圍環(huán)境并無顯著影響。

含水層；抽水試驗(yàn)；地震勘探；水均衡模型

0 引言

水是人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的重要物質(zhì)資源之一，水在自然環(huán)境和社會環(huán)境中，都是極為重要而活躍的因素。地下水是地球水資源的重要部分，與大氣降水資源和地表水資源密切聯(lián)系，互相轉(zhuǎn)化。采礦活動往往需要消耗大量的水資源，會對地下水水位以及周圍環(huán)境造成一定的影響，因此在礦區(qū)建立給水模型以保證采礦項(xiàng)目獲得持續(xù)性供水且通過一定方法確定沖積含水層的潛在水量以及從含水層中抽取水對周圍環(huán)境所帶來的影響是非常必要的[1,2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用不同的方法對水資源的供給與均衡進(jìn)行了研究。例如，運(yùn)用解析法和數(shù)值法預(yù)測礦床涌水量及影響范圍[3]；運(yùn)用多種地下水?dāng)?shù)值模型，如 FEFLOW、Visual-Modflow和GMS等，來模擬不同人類活動對地下水動態(tài)的影響[4～6]；運(yùn)用隨機(jī)-確定地下水動態(tài)預(yù)測模型，揭示地下水的作用機(jī)制[7]等。

科卡金礦項(xiàng)目位于厄立特里亞北部扎拉地區(qū)，是一個(gè)擬定的露天金礦開采項(xiàng)目，由于缺少該區(qū)域相關(guān)流域的詳細(xì)徑流數(shù)據(jù)和氣象資料，難以滿足某些模擬計(jì)算的要求。水均衡模型運(yùn)用水均衡法能夠具象地反映地下水抽取補(bǔ)給與地下水水位以及含水層水量的關(guān)系，方法簡便，原理清晰，所需要的區(qū)域水文資料要求相對較低[8,9]。本文主要進(jìn)行了扎拉項(xiàng)目礦區(qū)的區(qū)域特征調(diào)查，鉆孔抽水試驗(yàn)、地震勘探等旨在建立水均衡模型的研究，以便為采礦活動能夠獲得持續(xù)性供水以及分析抽取地下水對周圍環(huán)境的影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概述

科卡金礦項(xiàng)目位于厄立特里亞首都阿斯馬拉(Asmara)北部約165 km處，距最近的居民區(qū)Rikeb村大約7 km，其地理位置如圖1所示。該地區(qū)年平均氣溫為17～45℃，年降水量為260～350 mm，而年總蒸發(fā)量高達(dá)1 940 mm，是典型的地表水不發(fā)育、地下水不豐富、少雨干旱貧水地區(qū)。礦區(qū)坐落在與扎拉河平行的山脈內(nèi)，區(qū)內(nèi)沒有終年不旱的河流或溪流，即使在雨季，一些主要季節(jié)性河流諸如扎拉河、費(fèi)赫河和科卡河等河流的徑流期也是十分短暫的。

2 地下水資源評價(jià)

2.1 抽水試驗(yàn)

在2010年6月雨季開始前，采用逐步降深抽水試驗(yàn)對鉆井ZAWP010和ZAWP011B進(jìn)行了為期 2 d的定流速抽水試驗(yàn)，通過 Hantush[10]和Bierschenk[11]法確定井孔的穩(wěn)定抽水量；在2011年2月旱季結(jié)束之前，進(jìn)行了為期7 d(10 800 min)的定流量抽水試驗(yàn)和8.6 d(12 420 min)水位恢復(fù)監(jiān)測。定流量抽水試驗(yàn)采用泰斯公式和Cooper-Jacob[12]算法來確定鉆孔的穩(wěn)定抽水量以及含水層的儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)，再由含水層的儲水系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù)來確定鉆井ZAWP010和ZAWP011B的潛在抽水量。抽水試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

表1 鉆井ZAWP010和ZAWP011B的抽水試驗(yàn)結(jié)果

潛在給水分析結(jié)果表明，鉆井ZAWP010含水層的導(dǎo)水系數(shù)和儲水系數(shù)分別為834 m2/d和0.1，鉆井ZAWP011B含水層的導(dǎo)水系數(shù)和儲水系數(shù)分別為2 122 m2/d和0.1。鉆井ZAWP010的穩(wěn)定抽水量為15.0 L/s（1 296 m3/d），7 d穩(wěn)定開采引起的水位降深僅為1.44 m。鉆井ZAWP011B的穩(wěn)定抽水量為15.3 L/s（1 322 m3/d），7 d穩(wěn)定開采引起的水位降深僅為 2.47 m。鉆井 ZAWP010和ZAWP011B的導(dǎo)水系數(shù)較高，短期內(nèi)其抽水量受井的抽水能力所控，對于一個(gè)年計(jì)劃需水量為0.97× 106m3的礦山而言，1～3年預(yù)計(jì)需水量為31 L/s；4～8年期間，若年計(jì)劃需水量增至1.07×106m3時(shí)，則需水量達(dá)到34 L/s。由抽水試驗(yàn)可知，水的需求量短期內(nèi)可以通過2個(gè)井孔來滿足，前提是該地區(qū)含水層能夠提供無限的地下水資源，因此還需要考慮扎拉河段的地下水儲存量和年補(bǔ)給量。

2.2 地震勘探

采用折射波地震勘探法評估扎拉河流沖積層的橫剖面，以此來評估地下水存儲量。勘探區(qū)域沿扎拉河延伸18.6 km，從瑞科比河上游開始，在扎拉河和安瑟巴河匯合處的上游大約4 km處結(jié)束。地震勘探橫斷面如圖2所示，根據(jù)飽和沖積物質(zhì)的寬度以及厚度，可以將地震勘探區(qū)域分為3個(gè)部分(從下游至上游)。第一部分長7.3 km，飽和沖積物的平均厚度為15.1 m，平均寬度為499 m，含水層的蓄水量約為5.3×106m3，是礦井供水開采的優(yōu)選供水水源地。第二部分長6.2 km，飽和沖積物的平均厚度為8.0 m，平均寬度為204 m，含水層的蓄水量約為1.01×106m3。第三部分長5.5 km，飽和沖積物的平均厚度為6.7 m，平均寬度為279 m，含水層的蓄水量約為1.03×106m3。

圖2 物探勘察線路圖

3 水均衡分析

3.1 水均衡模型

水均衡模型基于以下假設(shè)：（1）除了徑流期間的滲漏補(bǔ)給和礦山人工抽水之外，含水層系統(tǒng)是封閉的，進(jìn)出含水層系統(tǒng)的水量為0或者可以忽略；（2）地震勘探結(jié)果顯示的地下水水位值已獲得鉆孔實(shí)測水位驗(yàn)證，作為含水層的最大水位高程值。目標(biāo)含水層飽和沖積物的平均厚度為15.1 m，平均寬度為499 m，長度為7.3 km，含水層的蓄水能力相當(dāng)于地下水的儲存量，為5.3 Mm3。河流有水時(shí)，沿扎拉河床入滲補(bǔ)給下伏沖積含水層。河流橫斷面呈現(xiàn)V型剖面，梯度為1∶100，選用15 mm/h的河流入滲系數(shù)用于含水層的河流入滲補(bǔ)給，入滲補(bǔ)給發(fā)生在整個(gè)濕潤周接觸面上。

從確定的整個(gè)河段（7.3 km）抽取含水層的水來提高含水層的利用率，該模型允許每天從含水層中抽取水，有水流經(jīng)時(shí)可進(jìn)行補(bǔ)給。每天都要計(jì)算含水層的儲水量，并且將該體積轉(zhuǎn)換成含水層中的水位。模型輸出顯示徑流量數(shù)據(jù)，計(jì)算得到含水層的地下水位以及含水層剩余儲水量。

3.2 扎拉河日流量估算

因扎拉河瑞科比（Rikeb）水文站的徑流數(shù)據(jù)記錄太短，而相鄰的安瑟巴河（Anseba River）流域Haleb-Mentel水文站距離研究區(qū)只有110 km，氣候和自然地理?xiàng)l件都非常相近，同時(shí)具有足夠長的徑流資料，因此，參照Watkins等[13]提出的徑流比擬方法，可以利用該水文站13年（1997年～2009年）日徑流系列數(shù)據(jù)來比擬瑞科比（Rikeb）水文站日徑流量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示?；陲L(fēng)險(xiǎn)分析方程得到，扎拉河金礦項(xiàng)目的設(shè)計(jì)運(yùn)行年限為8年，項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)超標(biāo)值設(shè)為15%。也就是說，某河流斷面設(shè)計(jì)洪水的年超越概率（AEP）為2%，則其重現(xiàn)期（ARI）為50年。

圖3 瑞科比（Rikeb）水文站的日均徑流量

依據(jù)安瑟巴河(Anseba River)流域Haleb-Mentel水文站的13年(1997年～2009年)日徑流系列數(shù)據(jù)計(jì)算得到累計(jì)年徑流系列數(shù)據(jù)。由于2004年、2005年和2007年雨季資料缺失，上述年份不參與平水年統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

模型中選擇2000年為平水年進(jìn)行典型年分析計(jì)算，平水年的日均徑流量系列見圖4（a）；模型中選擇2001年為豐水年進(jìn)行典型年分析計(jì)算，豐水年的日均徑流量系列見圖4（b）；設(shè)計(jì)重現(xiàn)期50年一遇的枯水年（橫型選擇2008年為枯水年進(jìn)行典型年徑流量分析計(jì)算）的年徑流量頻率曲線見圖4（c）；50年一遇的枯水年日均徑流量值見圖4（d）。

圖4 流量變化及頻率分析

3.3 模型場景設(shè)置

模型分為以下4種場景：

（1）平水徑流狀態(tài)：采用平水年2000年的扎拉河徑流資料，分析礦山開發(fā)周期內(nèi)，連續(xù)8年平水年河道徑流條件下，人工開采對含水層地下水埋深的影響。

（2）枯水/平水循環(huán)徑流狀態(tài)：枯水年和平水年循環(huán)出現(xiàn)的情況，分析礦山開發(fā)周期內(nèi)，在低于平水徑流狀態(tài)的情況下，人工開采對含水層地下水埋深的影響。

（3）2枯水/1豐水循環(huán)徑流狀態(tài)：在礦山開發(fā)周期內(nèi)，2個(gè)連續(xù)枯水年接著1個(gè)豐水年循環(huán)出現(xiàn)的情況，了解極端干旱后豐水年的含水層恢復(fù)狀況。

（4）最大開采狀態(tài)：為了評估含水層對最大開采速率的響應(yīng)，不斷增加模型中的連續(xù)開采速率，直到達(dá)到最小水位，即含水層容量的2/3。這表明除去開采井的需求外，還可為其他用戶提供可利用的水資源。開采速率和總抽水量可能會發(fā)生改變，這取決于最低水位的選擇。

3.4 模擬結(jié)果分析

（1）只供給礦山開采

只有礦山運(yùn)營時(shí)的模擬結(jié)果如圖5、圖6和表2所示。由模擬結(jié)果可看出在河道徑流期間含水層補(bǔ)給迅速，經(jīng)過1年至少典型平水年大小的徑流后，含水層完全可回復(fù)至最大水位。一般來說，模型運(yùn)行4～8年期間將會出現(xiàn)最大開采量，這會導(dǎo)致水位下降2.21 m，可用含水層儲量減少14%。若枯水年后接著是平水年，模擬的水位降深為2.65 m，有效含水層儲量減少17%。

圖5 河道徑流模擬值圖

圖6 只存在礦山抽水時(shí)含水層響應(yīng)曲線

表2 只存在礦山抽水時(shí)含水層對開采量的響應(yīng)

（2）存在其他用戶用水需求

表3顯示了在考慮其他開采者未來需求量情況下使用開采井的結(jié)果。一系列的模擬結(jié)果表明，與僅有開采井時(shí)相比，再外加3 L/s開采量時(shí)，則可利用的含水層儲水量將減少約1.4%，預(yù)計(jì)的降深平均增加0.21 m。經(jīng)過1年的典型豐水年或平水年大小的徑流后，含水層儲量可完全恢復(fù)，與前面情況一致，該場景的模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 存在其他供水需求條件

表3 考慮其他使用者需求量時(shí)含水層對礦井開采的響應(yīng)

（3）極限開采量

運(yùn)行該模型，評估在平水、枯水/平水循環(huán)，以及2枯水/1豐水循環(huán)的徑流狀態(tài)下，在一定程度上開采量的可增加量，以確定可能分配給未來其他潛在用戶的備用開采量。選定導(dǎo)致地下水位最大降深達(dá)到含水層容量的2/3，即水位減少1/3時(shí)的開采量作為最低值。評價(jià)結(jié)果見表4。

表4 可增加的開采量

模擬結(jié)果表明，在該項(xiàng)目運(yùn)行期間可供其他使用者利用的水量可能限制在10 L/s左右。

4 結(jié)論

（1）含水層具有高滲透性，在有無限地下水資源的情況下，水的需求量短期內(nèi)可通過ZAWP010和ZAWP011B兩個(gè)鉆井滿足。

（2）研究區(qū)具有相對較厚的沖積含水層，按預(yù)計(jì)用水量計(jì)算，該含水層能夠滿足科卡金礦項(xiàng)目運(yùn)行8年的用水需求。用作水源地的河段遠(yuǎn)離現(xiàn)有的人類居住區(qū)，不會引起其他環(huán)境生態(tài)問題。

（3）模擬平水年的河道徑流可以提供足夠的入滲補(bǔ)給，供含水層恢復(fù)至最大儲量。模擬平水年連續(xù)出現(xiàn)、桔水年和平水年循環(huán)出現(xiàn)，以及連續(xù)出現(xiàn)2個(gè)50年一遇的枯水年和1個(gè)豐水年的情景，則含水層出現(xiàn)的平均降深為2.21～2.65 m，平均地下水位約為15.1 m。

（4）含水層的總存儲量計(jì)算值為5.3 Mm3，在1～3年，礦區(qū)每年的開采量為0.97 Mm3，在4～8年時(shí)增加到每年1.07 Mm3。即使某一年河道沒有徑流，含水層大約20%的儲存量也足以保證科卡金礦項(xiàng)目的進(jìn)行。

[1]張海波.礦區(qū)資源可持續(xù)利用評價(jià)指標(biāo)體系研究—以唐山為例[J].礦業(yè)快報(bào),2007(3):41-44.

[2]陳雷,王伯鐸,蔣立榮，等.露天采礦對地下水的影響及保護(hù)對策[J].地下水,2010,32(5):3-5.

[3]陳斌,祝怡斌,李青.某金礦采礦活動對地下水的影響分析[J].有色金屬,2013,65(1):70-74.

[4]SARWAR A,EGGERS H.Development of a conjunctive use model to evaluate alternative management options for surface and groundwater resources [J].Hydrogeology Journal,2006,14(8): 1676-1678．

[5]DONG Donglin,SUN Wenjie,XI Sha.Optimization of mine drainage capacity using FEFLOW for the No.14 coal seam of China's Linnancang CoalMine [J].Mine Waterand the Environment,2012,31(4):353-360.

[6]李彩梅,楊永剛,秦作棟，等.基于FEFLOW和GIS技術(shù)的礦區(qū)地下水動態(tài)模擬及預(yù)測[J].干旱區(qū)地理,2015,38(2):359-367.

[7]賀屹,祝田多娃.基于隨機(jī)-確定模型的渠井結(jié)合灌區(qū)用水優(yōu)化配置[J].干旱區(qū)研究,2011，28(3):421-426．

[8]李建承,魏曉妹,鄧康婕.基于地下水均衡的灌區(qū)合理渠井用水比例[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,33(3):260-266.

[9]HORNERO,MANZANO M,ORTEGA L.Integrating soil water and tracer balances,numerical modelling and GIS tools to estimate regional groundwater recharge:Application to the Alcadozo Aquifer System (SE Spain)[J].Science of the Total Environment,2016 (518):415-432.

[10]CHOW V T.Advances in hydroscience [M].New York and London:Academic Press,1964：281-432.

[11]BIERSCHENK W H.Determining well efficiency by multiple step drawdown tests[J].Intern Assoc Sci Hydrol Publ,1963:493-507.

[12]COOPER H H,JACOB C E.A generalized graphical method for evaluating formation constants and summarizing well field history [J].Am Geophys Union Trans,1963(27):526-534.

[13]WATKINS L H,FIDDES D.Highway and urban hydrology in the tropics[M].London:Pentech Press,1984:20-27.

河北省石邢線正式通車

河北省石邢線（石家莊—邢臺）近日正式通車，除107國道、京港澳高速外，直接連接石家莊和邢臺的公路又多了一條。

該工程是邢臺市與省會石家莊相連接的又一條重要通道。始于石家莊與邢臺交界處臨城縣西瀆村西，與石家莊紅旗大街南延段相銜接，終于邢昔公路，與邢汾高速公路邢臺市西環(huán)連線對接。

該工程通車后，將成為邢臺西部交通干線的主骨架，使邢昔公路、隆昔公路、南郝公路等連接成網(wǎng)，使該區(qū)域公路由帶狀形成完善的網(wǎng)絡(luò)，有利于邢臺主城區(qū)車輛便捷駛出市區(qū)，有效緩解邢臺市區(qū)和107國道的交通壓力。

X82

A

1009-7716（2017）09-0176-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.054

2017-06-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40902066）

林國慶(1977-)，男，山東威海人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事地下水資源評價(jià)與污染修復(fù)研究工作。