山前地區(qū)地下水資源論證要點分析
——以河南漢榮飲品項目為例

高 亮，馮琳偉

(1.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南省鄭州市鄭東新區(qū)萬通街72號 450000；2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南省鄭州市鄭東新區(qū)康平路16號 450016)

河南漢榮飲品有限公司(衛(wèi)輝廠區(qū))年產(chǎn)2000萬件易拉罐飲料灌裝項目[1]，位于衛(wèi)輝市唐莊鎮(zhèn)，年取水量19.008萬m3，日最大取水量為528m3，主要開采碎屑巖類裂隙水。分析論證范圍西北邊界以青羊口斷層為界，該斷層呈北東向分布于鶴壁市東-新鄉(xiāng)市太公泉一帶，全長大于100km，走向北東25°～40°，傾向南東，為高角度正斷層，垂直斷距大于1000m。該斷層近時期仍有活動，因位于平原與山區(qū)銜接地帶，使斷層?xùn)|側(cè)新近系泥灰?guī)r與斷層西側(cè)的砂泥巖相接觸，起到了阻水作用。論證范圍即小張王屯-小谷駝-馮莊一線；西邊界為李士屯-山彪-馮莊一線；東至下園-郝莊-東寺門；北至小張王屯-西寺門-東寺門；南至共產(chǎn)主義渠即李士屯-石駱駝-下園一線，長約10km，寬約7km，面積約73km2，如圖1。

圖1 論證區(qū)范圍圖Fig.1 Utilization area of water resources

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類型及富水性

根據(jù)含水層埋藏深度、巖性、時代結(jié)構(gòu)特征，將本區(qū)地下水劃分為2類即：松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水。富水程度的分級與評價，主要依據(jù)現(xiàn)有開采能力，松散巖類孔隙水統(tǒng)一換算成5m降深的單井出水量；碎屑巖類裂隙水統(tǒng)一換算成15m降深的單井出水量，依據(jù)計算出的單井出水量進(jìn)行富水程度的劃分[2-4]。

1.1.1 松散巖類孔隙水

遍布全區(qū)，主要為潛水或者微承壓水。第四系松散層中夾有較多的中細(xì)砂，地下水位埋深為6-40m不等，含水層厚度10m左右，可直接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給，形成較豐富的孔隙水。根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果，利用單井涌水量的大小可將區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水的富水性劃分為富水區(qū)和弱富水區(qū)2種類型。

富水區(qū)：分布于溫寺門-河洼-尚莊一線以東至邊界，含水層主要由第四系細(xì)砂、中細(xì)砂和粉細(xì)砂構(gòu)成，部分地區(qū)含砂礫石薄層，含水層厚度10m左右，單井涌水量1000～1500m3/d。

弱富水區(qū)：分布于小張王屯村、南司馬及山莊一帶，含水層主要為顆粒較細(xì)的第四系細(xì)紗、粉細(xì)砂組成，厚度一般小于10m，單井涌水量小于500m3/d。

1.1.2 碎屑巖類裂隙水

遍布全區(qū)，埋藏于第四系松散巖類孔隙含水層組之下，西部埋深較淺，頂板埋深一般為50～70m；東部埋深較深，由本次物探地質(zhì)解譯結(jié)果可知，項目區(qū)碎屑巖類裂隙含水層組頂板可達(dá)130m左右。

主要含水層為隱伏的新近系泥灰?guī)r和砂巖，一般多為厚層狀，上段質(zhì)地較純，裂隙發(fā)育，可間接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給。根據(jù)單井涌水量的大小可將區(qū)內(nèi)碎屑巖類裂隙水含水層的富水性劃分為富水區(qū)、中等富水區(qū)、弱富水區(qū)3種類型。

富水區(qū)：分布于東寺門-郝莊-代莊一帶，含水層主要由細(xì)砂、粉細(xì)砂膠結(jié)層、鈣核以及泥灰?guī)r構(gòu)成，厚度45m左右，單井涌水量大于1000m3/d。

中等富水區(qū)：分布于下園-龍王廟-南社一帶，含水層主要由厚層的泥灰?guī)r和細(xì)砂巖構(gòu)成，厚度45m左右，單井涌水量500～1000m3/d。

弱富水區(qū)：分布于小張王屯-大司門-石瓶一帶，含水層由新近系泥巖、粉細(xì)砂巖及少量泥灰?guī)r構(gòu)成，厚度較薄，單井涌水量小于500m3/d。

1.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

1.2.1 松散巖孔隙水的補(bǔ)給、徑流、排泄

補(bǔ)給：地表巖性多為黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土，垂直節(jié)理較發(fā)育，第四系孔隙水主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，其次是灌溉回歸水和少量側(cè)向徑流補(bǔ)給。

徑流：地下水整體流向為西北向南東，水力坡度變化較大，為1.25‰～6‰，山前水力坡度較大，向平原區(qū)逐漸變緩。

排泄：該區(qū)主要排泄方式為農(nóng)田灌溉和生活飲用水開采地下水，其次為側(cè)向徑流排泄。

1.2.2 碎屑巖類裂隙水的補(bǔ)給、徑流、排泄

補(bǔ)給：隱伏于第四系松散層下的新近系泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，在開采狀態(tài)下，主要靠大氣降水的間接補(bǔ)給，即大氣降水通過上覆含水層再補(bǔ)給隱伏的泥灰?guī)r地下水，其次是側(cè)向徑流補(bǔ)給。

徑流：地下水整體流向為西北向南東，水力坡度在1.5‰～10‰之間。

排泄：碎屑巖類裂隙水的主要排泄方式為人工開采及側(cè)向徑流排泄。

1.3 地下水的動態(tài)特征

松散巖類孔隙水動態(tài)為降水入滲補(bǔ)給-農(nóng)業(yè)開采型，總體水位特征表現(xiàn)為：1-4月份水位逐漸下降，5-7月份出現(xiàn)全年最低水位，隨著雨季到來，9-10月份水位逐漸回升，水位上升趨勢一直持續(xù)到翌年春天。

碎屑巖類裂隙水隱伏于松散層之下，地下水動態(tài)影響因素較少，其動態(tài)類型為補(bǔ)給-開采型。主要表現(xiàn)為地下水接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，人工開采和側(cè)向徑流流出則是主要排泄形式。

2 地下水允許開采量計算

2.1 概化數(shù)學(xué)模型

概化水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究區(qū)含水層均質(zhì)各向同性，等厚，側(cè)向無限延伸，產(chǎn)狀水平；完整井定流量抽水，井徑無限??；含水層中水流服從Darcy定律；水頭下降引起的地下水從貯存量中的釋放是瞬時完成的。在上述假設(shè)條件下，單井定流量的承壓完整井流的數(shù)學(xué)模型如式(1)。

(1)

式中,s為降深，m；r為井徑，m；Q為涌水量，m3/d；T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；t為時間，d；μ*為貯水系數(shù)，無量綱。

2.2 確定水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)模型的概化，本次計算選用AquiferTestv3.0軟件Theis(配線法)及Cooper-Jacob(直線解析法)兩種方法進(jìn)行計算。計算數(shù)據(jù)選用河南寶鋼制罐有限公司取水井S09抽水試驗數(shù)據(jù)。

2.2.1 Theis(配線法)

(2)

(3)

(4)

式中,T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Q為穩(wěn)定出水量，m3/d；W(μ)為井函數(shù)；S為水位降深，m；M為承壓含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；a為導(dǎo)壓系數(shù)，m2/d。

2.2.2 Cooper-Jacob(直線解析法)

由軟件自動繪制生成抽水階段s-lg(t)曲線，軟件系統(tǒng)由式(5)、式(6)和式(7)計算有關(guān)參數(shù)，在直線上取兩點進(jìn)行計算。運用AquiferTestv3.0-Cooper-Jacob(直線解析法)求得導(dǎo)水系數(shù)T=17.9m2/d。

(5)

(6)

(7)

式中,T為導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Q為穩(wěn)定出水量，m3/d；S為t時刻的降深，m；M為承壓含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；a為導(dǎo)壓系數(shù)，m2/d；t0為S等于0時的時間，d。

2.2.3 水文地質(zhì)參數(shù)結(jié)果確定

根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)(見表1)，運用軟件配線法計算的T=14.4m2/d，彈性釋水系數(shù)μ=0.004；軟件直線解析法計算的T=17.9m2/d，計算結(jié)果詳見表2。兩種計算方法參數(shù)基本相當(dāng)，導(dǎo)水系數(shù)取兩種方法的平均值，即T=16.15m2/d。計算結(jié)果為T=16.15m2/d，K=0.135m/d，μ=0.004，a=3600m2/d。

表1 抽水試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Pumping test data

2.3 地下水允許開采量計算

降水入滲補(bǔ)給是論證巖溶水的主要補(bǔ)給源之一，式(8)如下。大氣降水補(bǔ)給量為469.1萬m3/a。

Q雨補(bǔ)=α·F·X

(8)

式中，Q雨補(bǔ)為降雨入滲補(bǔ)給量，萬m3/a；α為年大氣降水入滲系數(shù)，取0.1；F為計算區(qū)面積，取7.3×107m2；X為多年平均降水量，取642.6mm。

側(cè)向徑流補(bǔ)給根據(jù)所繪制的地下水位等值線，運用達(dá)西定律計算地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量，式(9)如下。計算得地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量為0.02萬m3/a。

Q側(cè)=K·M·I·L

(9)

式中，Q測為含水層的側(cè)向流入量，萬m3/a；K為徑流補(bǔ)給邊界附近含水層的滲透系數(shù)(采用西側(cè)500m寶鋼制罐有限公司井抽水試驗)，取0.135m/d；M為含水層有效厚度，由本次物探結(jié)果取含水層厚度平均值110m；L為邊界的長度，取論證范圍西邊界長度5500m；I為邊界附近的地下水水力梯度(根據(jù)地下水流場圖采用西側(cè)水力坡度確定)，取0.0025。綜上，論證范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水總補(bǔ)給量Q補(bǔ)為469.12萬m3/a。

排泄量包括現(xiàn)狀開采量及側(cè)向徑流排出量，通過調(diào)查，論證區(qū)范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水開采井共23眼，平均單井開采量約為200m3/d，即論證范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水現(xiàn)狀開采量為167.9萬m3/a；由碎屑巖類裂隙水等水位線圖可知，該層地下水側(cè)向徑流排出量基本為零，即論證范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水總排泄量為167.9萬m3/a。補(bǔ)給量論證范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水主要接受大氣降水的間接補(bǔ)給，其次是論證范圍西邊界側(cè)向徑流補(bǔ)給。

允許開采量采用水量均衡法計算。均衡區(qū)取論證范圍區(qū)域，均衡期計180d(根據(jù)資料掌握情況，均衡期取2014年9月至2015年5月之間，共計6個月，合計180d)，計算式(10)如下。計算得地下水允許開采量Q允開為301.28萬m3/a。

(10)

式中,Q允開為地下水的允許開采量，m3/d；Δh為均衡期內(nèi)地下水水位變化量(據(jù)本次調(diào)查)，取0.36m；Δt為均衡期時間，取180d；μ*為彈性釋水系數(shù)，取0.004；F為均衡區(qū)面積，取7300萬m2。

2.4 地下水資源量分析

根據(jù)物探解譯項目區(qū)水文地質(zhì)條件，項目區(qū)250～450m之間含水層巖性為粘土與細(xì)砂互層，主要含水段有2層，分別為260～300m、350～420m，含水層厚度110m，巖性為細(xì)砂；設(shè)計井深430～450m，單井出水量在7～13m3/h左右。

由地下水資源量計算結(jié)果，地下水補(bǔ)給量為469.12萬m3/a，地下水排泄量為167.9萬m3/a，地下水的允許開采量為301.28萬m3/a。本項目取水19.008萬m3/a(528m3/d)是可行的。綜上所述，項目取水22m3/h(528m3/d，19.008萬m3/a)是可行的。

3 采后地下水水位

3.1 布井方案的確定

本項目擬建取水井2眼，井深450m，取水層位250～450m，設(shè)計取水量每井每小時11m3，共取水22.0m3/h，528m3/d，19.008萬m3/a。根據(jù)物探解譯結(jié)果[5]，物探點2號、8號、16號含水層較多，水量較為豐富，考慮運行后的相互影響，本項目選取物探點2號(擬建井Z1，位于1號生產(chǎn)車間西南角)、物探點16號(擬建井Z2，位于廠區(qū)內(nèi)東南角)作為擬建井位置。井位布置見圖2。

圖2 布井方案示意圖Fig.2 Well spacing pattern

由實際量測結(jié)果，距本項目較近且取水層位相近的寶鋼制罐有限公司井S09，距本項目擬建井Z1為400m，距本項目擬建井Z2為700m；擬建井Z1、Z2相距350m。

3.2 含水層的概化及計算公式的選取

根據(jù)本次野外調(diào)查，本項目附近3km范圍內(nèi)，僅有一眼井與該項目取水段相近，即項目西側(cè)500m處的寶鋼制罐有限公司取水井，取水相互有所影響；3km范圍內(nèi)其他井取水層位均在250m以內(nèi)，取水段在本項目取水段上部，無共同取水層，取水直接影響小。因此，本次地下水水位預(yù)測分析，將寶鋼制罐有限公司已建井S09及本項目兩眼擬建井Z1、Z2進(jìn)行同時開采情況下的降深預(yù)測分析[6]。

參與分析預(yù)測的3眼井中，Z1井處于相對中心位置，降深最大，所以僅對Z1井進(jìn)行降深預(yù)測分析[7-8]。降深預(yù)測采用承壓完整井無越流泰斯公式近似式計算，分別計算中心井Z1單獨開采自身降深、Z2單獨開采對Z1降深影響及已有井S09單獨開采對Z1的降深影響，最后通過疊加計算相對中心井Z1未來不同時間的降深。根據(jù)概化處理，采用地下水承壓完整井無越流泰斯公式的近似式(11)進(jìn)行預(yù)測計算：

(11)

式中,Q為開采量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；M為取水層厚度，m；r為計算點到抽水井的距離，m；μ為彈性釋水系數(shù)，無量綱；t為開采年限內(nèi)單井累計抽水天數(shù)，d。

3.3 水位降深的計算及結(jié)果分析

擬建井Z1(取Q為11.0m3/h，M為110m，r為0.108m，K為0.135m/d，μ為0.004)和Z2(取Q為11.0m3/h，M為110m，r為350m，K為0.135m/d，μ為0.004)分別進(jìn)行單采降深預(yù)測。已建寶鋼制罐有限公司井S09(取Q為20.0m3/h，M為120m，r為400m，K為0.135m/d，μ為0.004)單獨開采對擬建井Z1水位降深影響預(yù)測(見表3)。

表3 水位降深影響預(yù)測表Tab.3 Groundwater level prediction

根據(jù)綜合疊加計算，得出現(xiàn)狀開采條件下，本項目地下水開采1a、5a、10a、15a、20a開采井水位降深分別為39.06m、41.41m、51.01m、53.11m、54.61m(見表2)?？梢钥闯觯叵滤_采20年開采井地下水位降深為54.61m，降深小于含水層厚度的1/2。水源地開采10a以后，地下水位趨于穩(wěn)定，地下水的補(bǔ)給和排泄達(dá)到新的平衡。因此，水源地528m3/d的開采量是有保證的。

4 結(jié)論

根據(jù)以上計算結(jié)果分析，本項目設(shè)計井深450m，布井2眼，取水層位250～450m，單井取水量11m3/h，日取水量528m3/d，年取水量19.008萬m3/a。取水水源擬采用新近系碎屑巖類裂隙水，采用AquiferTestv3.0軟件Theis(配線法)及Cooper-Jacob(直線解析法)兩種方法進(jìn)行率定水文地質(zhì)參數(shù)，采用水量均衡法計算得出地下水補(bǔ)給量為469.12萬m3/a，地下水排泄量為167.9萬m3/a，地下水的允許開采量為301.28萬m3/a，滿足項目水源要求。運用解析法預(yù)測了開采1a、5a、10a、15a、20a開采井水位降深分別為39.06m、41.41m、51.01m、53.11m、54.61m，開采10a以后，地下水的補(bǔ)給和排泄達(dá)到新的平衡。