山間谷地采用干擾井群法評價集中供水水源地

張家好

(青海煤炭地質局，青海 西寧 810029)

水源地位于柴達木盆地南部的小灶火中游河谷區(qū)，為典型的山間河谷型水源地，為第四系松散巖類孔隙潛水，含水層主要巖性為砂卵礫石，徑流條件較好。擬建水源地處水位埋深為22～24 m，含水層厚度為24～32 m，涌水量為3532～6076 m3/d，降深為2.43～3.33 m，地下水動態(tài)類型為水文-徑流型，水化學類型以Cl-Na·Ca、Cl-Na型水為主，礦化度為1.270～1.480 g/L。

為解決小灶火河中上游夏日哈木鎳鈷礦采選項目的供水需求，在小灶火中游河谷區(qū)開展了調查及水文地質詳查工作，以期在河谷區(qū)尋找到可供開發(fā)利用水源地，為礦業(yè)開發(fā)提供供水方案[1-4]。

1 天然資源量計算及評價

(1)河水入滲法。該地區(qū)地下水主要補給來源為地表河水的入滲補給，采用測流工作確定了河水不同流量時的滲漏規(guī)律，通過勘查年1個水文年的動態(tài)觀測工作確定了河流的流量，采用河水入滲法確定出勘查區(qū)天然資源量為7.217萬m3/d。

(2)達西斷面法。采用斷面法用抽水試驗資料及地下水動態(tài)長觀資料確定參數(shù)，計算出勘查區(qū)天然補給量為6.380萬m3/d。通過上述兩種方法對比分析論證，最終采用斷面法計算的數(shù)值作為勘查區(qū)的天然資源量。

2 擬開采量評價

當兩口或兩口以上的水井同時抽水，而水井間距又小于兩口井的影響半徑之和時，水井的水位和流量發(fā)生相互干擾的現(xiàn)象。發(fā)生此現(xiàn)象的水井稱“干擾井”。當井中水位降深相同時，干擾井的單井涌水量小于同樣條件下非干擾井的單井涌水量。反之，當涌水量相同時，干擾井的水位降深大于同樣條件下非干擾井的水位降深。其作用為可降低建筑基坑和礦坑的地下水位。采用井群干擾法，該方法適用于開采井不多、抽水井較集中、開采面積不大的集中供水水源地評價，結合本地區(qū)的條件，采用該方法進行評價[5]。

2.1 計算區(qū)模型概化

勘查區(qū)河流滲漏補給地下水后，向開采區(qū)徑流。東西兩側分別為基巖山區(qū)與河谷區(qū)界限，概化為隔水邊界。南部邊界定在河水滲失處，處理為定流量補給邊界，考慮需預留足夠的向北部的徑流排泄量，以保證對下游出山口泉集河不造成太大的影響，將北部邊界處理為定流量排泄邊界，強制進行排泄[6-8]。根據(jù)以上條件概化后，可認為含水層是近似水平、均值、各向同性的有界含水層，隔水邊界處做一次映射，將有界含水層處理為無界含水層，按勢疊加原理，各開采井降深可用非穩(wěn)定干擾井群法解析式求解， 如式(1)：

(1)

式中：S為各井點的水位降深，m；H為開采區(qū)含水層厚度，m；k為滲透系數(shù)，m/d；Qi為第i口井的涌水量(抽水井為正，注水井為負)，m3/d；W(ui)為井函數(shù)。

2.1.1 概化模型

根據(jù)前述布井方案和開采區(qū)的水文地質條件，可概化成東西寬1200.00 m，南北長4500.00 m，厚27.84 m的單層潛水含水層。

2.1.2 參數(shù)的確定

含水層平均厚度取本次勘探線鉆孔揭露深度內枯水期平均含水層厚度為27.84 m。通過非穩(wěn)定流抽水試驗，滲透系數(shù)k取本次勘探線上鉆孔的平均滲透系數(shù)為159 m/d，導水系數(shù)T取擬建水源地區(qū)勘探線上鉆孔的平均滲透系數(shù)與平均含水層厚度的乘積為4427 m2/d，給水度采用漏斗法用早期數(shù)據(jù)獲取的數(shù)值為0.092，擬開采區(qū)面積為1200 m×1200 m。

2.2 現(xiàn)狀條件水均衡

勘查區(qū)主要補給為上游地表河水的入滲補給，排泄為向下游徑流排泄，二者處于平衡狀態(tài)。

2.3 擬建水源地設定原則

(1)勘查區(qū)北部出山口為已建的小灶火灌區(qū)引水工程，該工程年均取水量為2.690×104m3/d，預留至少大于該引水量的向北部排泄量，以保證泉集河的正常泄出量，不影響該取水工程。(2)擬建中型水源地應選擇在平坦易“三通”、避開沙漠的地區(qū)；若降深條件允許，宜集中布井，以降低基建和提水費用，便于施工、維護與運行管理等。(3)擬建中型水源地距離用水礦區(qū)12 km，二者有170 m加壓高程，開采井揚程直接影響運行費用。結合當?shù)厮Y源緊缺現(xiàn)實與施工、運行費用等情況，開采井最大地面參照揚程設定為：“平水年不超過37 m，特枯水年不超過40 m”，使水源地的施工與運行費用在較合理區(qū)間，選泵也較方便、容易，此揚程對開采井造成的擾動相對較小，能長時間保證井的正常使用。

2.4 源匯項處理

由于上游河流只進行了一個水文年的觀測，無法確定上游河水豐枯水期的來水量，因此，采用水文比擬法來設置河流水徑流量，以作為預測模型之外部環(huán)境。以枯水期斷面資源量作為河谷區(qū)多年天然補給量，將天然資源量6.380×104m3/d平均分配到B01～B07補給井中，為9114.29 m3/d。C1～C6開采井流量從2400 m3/d逐級增加到3500 m3/d，排泄井流量為天然資源量減去開采量平均分配到P01～P07號排泄井中，同時要求排泄總量至少>1.3倍下游引水工程量。

2.5 開采位置確定

擬定的開采區(qū)位于小灶火河中游的夏日阿哈木河與蘇海圖河交匯處東側的一級洪積階地，選在此處一方面該點處河谷寬度為3.0 km，為小灶火中游河谷區(qū)最寬處，調蓄空間大。另一方面靠近現(xiàn)代河床，可最大程度的接受河流的滲漏補給，綜上兩方面的因素，適宜建較集中小型水源地，可集中布設開采井，交通較為便利，便于管理。

2.6 開采方案的確定

開采井沿垂直地下水流方向呈梅花狀布置，初步確定井間距200～500 m，共2排，每排各3口井，共6口井。井結構為完整井，鉆孔深度為揭露至基巖，井徑φ550 mm，下入35.56 cm(φ377 mm)井壁管和纏絲濾水管并填礫。濾水管長度控制在30～40 m，下至含水層底部。開采井選用200QJ80—100/10型號的潛水泵，單井涌水量控制在2400～3500 m3/d左右，各開采方案具體見表1。

表1 不同開采方案

按上述4種開采方案，論證在不同井間距200 m、300 m、400 m、500 m時井群中心區(qū)域水位下降是否滿足開采要求。

3 擬建水源地允許開采量評價

3.1 開采降深分析

擬建的開采區(qū)現(xiàn)狀地下水位埋深22.62 m，在開采井的地面參照潛水泵揚程不超過37.00 m的開采技術條件下，推算開采區(qū)漏斗開采井總水位允許降深值，平水年平均總允許降深取9.38 m，同時限定總允許降深不能超過1/2含水層厚度，為13.92 m，二者取小值為9.38 m。

采用上述4種開采方案，對開采區(qū)中心的C2號進行降深預測，預測開采時間為30 d、183 d、1 a、3 a、5 a、8 a、10 a、15 a、20 a、30 a時的井群中心區(qū)域水位降深值，詳見圖1。

圖1 開采區(qū)中心區(qū)域不同開采時間下的C2號井水位降深

由圖1可知，當井間距為200 m、300 m、400 m、500 m時，水源地運行30 a后，開采井降深分別為5.316～7.673 m、5.206～7.488 m、5.145～7.362 m、5.164～7.337 m，均小于設定的允許降深，滿足要求。

3.2 開采技術條件分析

開采井結構為完整井，鉆孔深度揭露至基巖，井徑φ450～550 mm，下入30.48 cm(φ325 mm)井壁管和纏絲濾水管，并填礫。開采井選用200QJ100/10～200QJ150/10型號的潛水泵。為考察集中水源地的開采能力，在單井開采量控制在2400～3500 m3/d，井距離200～500 m條件下，在允許降深分析的基礎上，同時考慮年內水位動態(tài)變幅、枯水期及特枯水年對水源地安全運行的影響，年變幅選取開采區(qū)勘探剖面水位動態(tài)變化最大鉆孔(K04)的年變幅，為2.40 m，小灶火中游河谷區(qū)河流為多年季節(jié)性山岳河流，年內及年際變化大，豐水期6—9月補給量占總補給量高達80%以上，所以預留2 m作為枯水期調節(jié)水位，預留3 m作為特枯水年調節(jié)水位，以提升供水保障度。據(jù)本次勘探剖面上鉆孔多落程抽水試驗曲線，涌水量為1566～4336 m3/d時，開采井降深2.089～7.432 m，根據(jù)該曲線推算開采井開采量為2440～3500 m3/d時的降深，考慮上述四方面因素后匯總水源地運行30 a后的開采技術條件，詳見表2～表3。

表2 開采30年后開采技術條件匯總

表3 開采30年后不同井間距的開采技術條件匯總

由表2～表3可知，當開采量>19 200 m3/d時，各方案特枯水年均不能正常開采；當開采量<14 400 m3/d時，各方案均能滿足正常開采；當開采量為17 160 m3/d，井間距≥400 m時，特枯水年能正常開采。因此選取最接近設定的開采揚程(平水年不超過37 m，特枯水年不超過40 m)，同時考慮河谷區(qū)地形的約束，適當?shù)募械脑瓌t，綜合上述因素，選取方案2(井間距為400 m，單井開采量為2680 m3/d)作為地下水合理的開采方案。水源地運行后中心點區(qū)域水位降深隨時間變化見圖2，從圖看出，水源地開采8 a后逐步趨于穩(wěn)定，井群中心開采30 a后區(qū)域水位下降6.070 m，單井流量為2800 m3/d，開采井降深為3.900 m，開采井總降深為9.970 m，<1/2含水層厚度。

4 結 論

通過不同的開采方案，采用干擾井群法確定擬建水源地區(qū)允許開采量為1.716萬m3/d，允許開采量占天然資源量的27%，從水資源開采系數(shù)看，擬建水源地有充分的資源保證，地下水降深與揚程處于較經(jīng)濟的合理區(qū)間，技術經(jīng)濟合理、取水方案可行，特枯水年也能正常開采，水源地保證程度較高。因此，推薦采用方案2作為地下水的合理開發(fā)利用方案。