解析法計(jì)算水泉汪水源地中深層地下水允許開采量

杜紅磊，劉雙才

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001)

近年，西平縣國民經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，現(xiàn)有的水源地供水能力已難以滿足城市生產(chǎn)和生活需要，為此迫切尋找新的水源地，建立新的供水廠。西平縣位于洪河沖積平原，中深層地下水富水性好，補(bǔ)給條件好，水質(zhì)優(yōu)良，因此水源地選址在縣城西側(cè)的水泉汪。利用建立的水文地質(zhì)模型，運(yùn)用解析法計(jì)算水源地中深層地下水的允許開采量。

1 水源地水文地質(zhì)條件

水泉汪水源地位于西平縣城西部的洪河沖積平原上，地表為褐黃色粉質(zhì)粘土?？h域多年平均降水量為856 mm、蒸發(fā)量為1 478 mm。區(qū)內(nèi)河流屬于淮河水系，其中洪河為主要常年性流水河流，平均流量為8.35 m3/s，流量最大為855 m3/s，最小流量0.01 m3/s。

中深層地下水是主要開采層，含水層頂板埋深60 m左右，底板埋深250 m左右；含水層巖性主要為第四系冰湖相(Q11g1)的粉細(xì)砂、中粗細(xì)砂及含礫中粗砂，可見2～6層，砂層累計(jì)厚度50～65 m。依據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分考慮含水層厚度，同時(shí)結(jié)合鉆孔單位涌水量的大小(見表1)，將研究區(qū)中深層地下水富水性統(tǒng)一按300 mm口徑，在降深15 m時(shí)，按照單井涌水量大小劃分為強(qiáng)富水區(qū)和富水區(qū)。

表1 試驗(yàn)孔單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)成果表

水源地中深層地下水頂板隔水層埋藏深度較大，分布連續(xù)且厚度較大，阻斷大氣降水的入滲補(bǔ)給，中深層地下水與上覆淺層地下水由于粘土隔水層的存在而使得兩者之間的水力聯(lián)系微弱。天然條件下，地下水由西向東緩慢徑流；現(xiàn)狀條件下由于大規(guī)模開采地下水致使在周范水源地形成一個(gè)面積約為3 km2的降落漏斗，地下水流向改變?yōu)橛芍苓吜飨蚵┒分行膹搅鳎宜ζ露茸兇蟆，F(xiàn)狀人工開采(水源地開采量2.0萬 m3/d)為水源地地下水的主要排泄方式?，F(xiàn)漏斗中心處最大水位埋深達(dá)到26.10 m，年際水位最大變幅1.15～2.20 m。地下水水位變動(dòng)主要受周范水源地開采強(qiáng)度的影響，水位呈周期性上下浮動(dòng)，一般每年7-8月水位埋深較大，1-3月水位回升，但總體水位呈緩慢下降趨勢(shì)。地下水化學(xué)類型為主要為HCO3-Ca型水、HCO3-Ca·Na·Mg型水及HCO3-Ca·Mg型水。

2 中深層地下水水文地質(zhì)參數(shù)的選擇

為準(zhǔn)確求取水源地主要開采層位的水文地質(zhì)參數(shù)，利用研究鉆孔分別進(jìn)行單孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)、多孔抽水試驗(yàn)和群孔抽水試驗(yàn)。其中多孔非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算采用降深—時(shí)間量板法、直線圖解法和水位恢復(fù)法三種不同的方法分別求取各項(xiàng)參數(shù)(計(jì)算結(jié)果見表2)。

表2 利用多孔抽水試驗(yàn)求取水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果表

群孔抽水試驗(yàn)確定參數(shù)，采用正演實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，即首先給出一組參數(shù)初值，然后代入群井干擾計(jì)算公式，分別計(jì)算各觀測(cè)井各時(shí)段的水位降深值，同時(shí)對(duì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)觀測(cè)降深進(jìn)行擬合分析，調(diào)整參數(shù)使其擬合誤差達(dá)到最小為止，這樣就得到一組具有代表性的參數(shù)。采用Theis單井計(jì)算公式如下:

(1)

式中：S為觀測(cè)井降深；T為含水層導(dǎo)水系數(shù)；Q為抽水井流量；W(U)為泰斯井函數(shù)

其中：

式中：r為抽水井至觀測(cè)井距離；u為開采層位彈性釋水系數(shù)；t為抽水時(shí)間

由單井泰斯井函數(shù)可構(gòu)造群井抽水的干擾井流公式如下：

(2)

式中：Qi為第i個(gè)抽水井流量；ri為抽水井到觀測(cè)井的距離。

其他符號(hào)意義同前。

利用干擾井流公式對(duì)大型群孔干擾抽水試驗(yàn)抽水孔及有關(guān)觀測(cè)井的水位進(jìn)行了計(jì)算與擬合。擬合過程中，充分考慮的天然水位變化及局部水位變化對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，擬合情況較好。需要說明的是，抽水孔降深實(shí)測(cè)值包括了井中附加降深，把附加降深減掉，與計(jì)算值擬合也較好。通過對(duì)參數(shù)反復(fù)調(diào)整、計(jì)算值和觀測(cè)值擬合對(duì)比分析，最終獲得了一組具有代表性的水文地質(zhì)參數(shù)(見表3)。

表3 大型群孔抽水試驗(yàn)求取水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算成果匯總表

綜合考慮兩種計(jì)算的方法的適用性、計(jì)算結(jié)果等因素，計(jì)算區(qū)綜合取值如下：

T=1 200(m2/d)，a=0.95×106(m2/d)。

3 解析法計(jì)算中深層地下水允許開采量

3.1 數(shù)學(xué)模型的建立

計(jì)算區(qū)位于洪河沖積平原上，中深層地下水在區(qū)內(nèi)廣泛穩(wěn)定分布，含水層巖性以砂卵石、含礫中粗砂、中細(xì)砂為主，砂卵礫石顆粒粒徑大、沉積厚度大且分布連續(xù)，為區(qū)內(nèi)地下水儲(chǔ)存提供了良好的空間。中深層地下水頂板為粘土層，該粘土層厚度大且分布連續(xù)，隔斷了與上覆淺層地下水的水力聯(lián)系?？蓪⒊袎汉畬悠涓呕癁榫|(zhì)各項(xiàng)同性、等厚，無限延伸，不考慮越流補(bǔ)給。

計(jì)算公式采用無限含水層承壓水泰斯井流公式進(jìn)行計(jì)算，單井公式為公式(1)；根據(jù)迭加原理，可導(dǎo)出其群井抽水泰斯干擾井流公式為公式(2)。

3.2 允許開采量計(jì)算及水位預(yù)報(bào)

按照設(shè)計(jì)要求及供水廠實(shí)際情況，本次中深層地下水開采擬定2套開采方案。第1方案是在新建水泉汪水源地新增3.00萬 m3/d的開采量，同時(shí)保持城區(qū)現(xiàn)有開采量不變；第2方案在新建水泉汪水源地新增3.00萬 m3/d的開采量，同時(shí)關(guān)閉城區(qū)全部自備井。根據(jù)抽水試驗(yàn)確定單井涌水量，按照總開采量設(shè)計(jì)水源地開采井18眼。利用解析法計(jì)算、評(píng)價(jià)水源地在設(shè)定降深條件下的允許開采量，設(shè)定設(shè)計(jì)開采年限為20 a。第1方案，在第20 a末新建水泉汪水源地中心處水位降深為22.50 m，水位埋深為46.54 m；現(xiàn)有水源地(周范水源地)中心處水位降深為15.53 m，水位埋深為40.51 m；中心城區(qū)處水位降深為14.22 m，水位埋深為43.72 m。第2方案，在第20年末新建水泉汪水源地中心處水位降深為22.11 m，水位埋深為46.15 m；老水源地(周范)中心處水位降深為15.12 m，水位埋深為40.51 m；中心城區(qū)處水位降深為12.41 m，水位埋深41.91 m。第1開采方案和第2開采方案時(shí)各觀測(cè)井水位總降深曲線見圖1和圖2。

圖1 第1開采方案各井水位總降深歷時(shí)曲線

圖2 第2開采方案各井水位總降深歷時(shí)曲線

根據(jù)上述計(jì)算，兩種方案開采20 a后各井中水位均高于含水層頂板，因此水位下降情況在允許范圍內(nèi)，兩種開采方案均可行。

4 結(jié)語

本文利用水文地質(zhì)試驗(yàn)(單孔、多孔及群孔抽水試驗(yàn))，含水層參數(shù)計(jì)算利用多種計(jì)算分別求取，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、比較和相互驗(yàn)證；采用解析法計(jì)算開采量，選用數(shù)學(xué)模型合理，通過計(jì)算兩種方案在20 a后井中水位在允許范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生地質(zhì)環(huán)境問題。本成果對(duì)類似條件水源地水文地質(zhì)參數(shù)求取、預(yù)測(cè)地下水允許開采量及水源地保護(hù)方案的確定具有一定的借鑒作用。