馬長(zhǎng)慧 李 濤 李 輝

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)研究所，新疆烏魯木齊 830000)

瑪納斯河谷水源地經(jīng)過十多年的水文地質(zhì)勘察，探明是一個(gè)特大型級(jí)別的地下水庫式水源地。該水源地上游南山洼地—地下水庫分布面積約為880km2，第四系砂卵礫含水層厚度大于500m，經(jīng)計(jì)算，瑪納斯河流域南山洼地地下水庫靜儲(chǔ)量為352億m3/年，其水源地中北部河谷中泉水量 (1.2394億m3/年)和地下潛流量 (0.0132億m3/年)可作為現(xiàn)狀條件的水源地的調(diào)節(jié)開采資源量。

根據(jù)新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2012年12月初步設(shè)計(jì)報(bào)告開采方案:井群按線型布置在瑪納斯河左、右岸泉水溢出帶段中南部河床邊，布井兩排，左岸布井14眼，右岸布井22眼，井距200m左右，井排間距400～450m。

該水源地初步設(shè)計(jì)擬采用36眼機(jī)井，年開采7400萬m3地下水。開采的地下水僅占地下水庫總庫容的2.1%，約占瑪納斯河多年平均徑流量18.44億m3的4.0%，開發(fā)潛力巨大，但這種傳統(tǒng)式開采方案既不經(jīng)濟(jì)，更不環(huán)保。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地下水賦存條件

該水源地地處瑪納斯河流域南山洼地中，其夾在第一、第二排構(gòu)造之間 (第一排構(gòu)造為其南側(cè)的天山背斜構(gòu)造，第二排構(gòu)造為其北部的紅山背斜構(gòu)造)，見圖1。

圖1 瑪納斯河谷地下水庫縱向水文地質(zhì)剖面圖

洼地內(nèi)堆積了巨厚的第四系沉積物，最大厚度大于500m，為地下水的儲(chǔ)存、運(yùn)移提供了宏大的空間。流經(jīng)洼地的塔西河、瑪納斯河、寧家河及金溝河四條河河水大量滲漏，且瑪納斯河為以上四條河中海拔最低的河流，見圖2。故諸河部分滲漏河水匯至該水源地中，而水源地北部第二排構(gòu)造是構(gòu)成地下水庫的天然壩體。

圖2 瑪納斯河谷地下水庫橫向剖面圖

根據(jù)河谷右岸已施工的J1～J4號(hào)探采結(jié)合井及左岸已施工的J23～J36號(hào)機(jī)井地層資料分析，埋深29～34m黏土層之上的卵礫石含水層為潛水，因受阻于北部第二排構(gòu)造而溢出成泉水;水源地中北部埋深29～34m黏土層之下的砂卵礫石含水層具有承壓性，已施工的右岸J1～J4號(hào)與左岸J23～J28號(hào)探采結(jié)合井 (井深100～120m)均為自流井 (各井濾水管均布置于40m以下含水層中)。

自流井區(qū)潛水位埋深一般小于0～1.0m，承壓水頭一般高出地面0.60～5.41m。

1.2 含水層巖性及分布特點(diǎn)

瑪納斯河谷水源地含水層巖性:0～34m為第四系全新統(tǒng)沖積的卵礫石層，結(jié)構(gòu)松散，富水性極強(qiáng);34m以下中—上更新統(tǒng)卵礫石、砂礫石層厚度達(dá)200～300m，富水性極強(qiáng)。下更新統(tǒng)礫巖厚度100～200m，富水性弱。上更新統(tǒng)卵礫石、砂礫石含水層為該區(qū)地下水主要供水層。全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)卵礫石滲透系數(shù)為15.60～61.74 m/d，水質(zhì)礦化度小于0.5 g/L。

水源地北部因第二排構(gòu)造影響，河床Q4全新統(tǒng)含漂石卵礫石含水層厚度薄至8.0～10.0m，其下部為Q1礫巖及第三系泥巖與泥砂巖互層，為該地下水庫的天然壩體。因此，水源地中北部潛水溢出成泉，承壓區(qū)有19眼機(jī)可自流，為地下水庫地下水開發(fā)新途徑提供了有利條件。

1.3 地下水補(bǔ)給、徑流條件

瑪納斯河屬冰雪融水及混合補(bǔ)給型的山溪性河流。水量的來源以冰川和永久性積雪為主，多年平均冰川融水量為4.1422億m3(《中國(guó)冰川目錄》)，占河流總地表水的35%以上;其次為降雨、季節(jié)性融雪和淺層、深層地下水補(bǔ)給。

瑪納斯河是瑪納斯河流域最大河流，也是準(zhǔn)噶爾盆地最大的內(nèi)陸河流，它源于伊連哈比爾尕山脈的冰川，流程183km后，在該水源地下游紅山嘴處進(jìn)入平原。南山洼地與平原區(qū)的地下水通過山間河谷進(jìn)行水力聯(lián)系，該水源地上游南山洼地進(jìn)出口山口斷面徑流量見表1。

表1 洼地各河出入口徑流量 單位:億m3/年

根據(jù)對(duì)表1各河流出、入口流量數(shù)據(jù)的分析，塔西河減少0.396萬m3/年、寧家河減少0.5395萬m3/年，金溝河減少0.2312萬 m3/年，而瑪納斯河增加了0.9468萬m3/年，基本與其他3條河流量減少數(shù)據(jù)相勿合，這說明以上3條河及三個(gè)泉子地下水均匯入到瑪納河谷水源地中;而瑪納斯河自肯斯瓦特流出基巖山區(qū)到水源地南部的17km的卵礫石河床垂向滲漏補(bǔ)給為該地下水庫的主要補(bǔ)給來源，其次為少量的春融水入滲及降水入滲補(bǔ)給等。

地下水庫的排泄以泉水溢出為主，河床潛流、河谷潛水蒸發(fā)及裂隙水側(cè)滲排泄量很少 (上述第二排構(gòu)造的泥巖起阻擋作用)。說明水源地地下水補(bǔ)給穩(wěn)定。

1.4 含水層富水性

水源地9眼井自流井抽水試驗(yàn)成果表2，井深90～120m、井徑529mm、降深5m時(shí)的涌水量為4264～16807m3/d，即單位涌水量可達(dá)14.0～38.0L/m·s，為極強(qiáng)富水區(qū)。

續(xù)表

1.5 水源地地下水動(dòng)態(tài)

通過對(duì)水源地左、右岸2009～2010年施工的J1號(hào)與J24號(hào)探采結(jié)合井自流井自流水量動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)資料分析，自流量年內(nèi)及年際變化穩(wěn)定:均在230～260 m3/h左右，這對(duì)地下水開發(fā)新途徑—采取自流集水方案十分有利。

2 水源地設(shè)計(jì)開采方案

該水源地設(shè)計(jì)水平年為2015年，設(shè)計(jì)供水量為7400萬m3/年，其中石河子市供水量為5600萬m3/年，瑪納斯縣八鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水量為400萬m3/年，瑪納斯河工業(yè)園供水量為1400萬m3/年，各種用途需水量、供水量及逐月供水量見表3和圖3。其水源地采水方式為從36眼機(jī)井中用水泵將地下水抽到集水管中送至下游前池中，而后通過輸水管線送達(dá)下游各水廠。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，該工程平均日供水量為23.22萬m3，按31眼 (不含5眼備用井)機(jī)井平均每眼每年工作5468h計(jì)算，全年總耗電量為1271萬kW·h，顯然該種開采方案需要大量的電力資源。

表3 設(shè)計(jì)水平年供水區(qū)域的需水量及供水量

圖3 2015年水源工程月供水過程圖

3 水源地地下水開發(fā)新途徑

根據(jù)上述水源地水文地質(zhì)特征，該水源地可采用機(jī)井自流集水為主、水泵提水為輔的節(jié)約能源開采方案。水源地左、右岸集水管線與輸水管線自流井?dāng)M設(shè)計(jì)的兩排順河方向的36眼機(jī)井，右岸J1～J4號(hào)機(jī)井、左岸J23～J36號(hào)機(jī)井已完成。擬設(shè)計(jì)的右岸J1～J10號(hào)機(jī)井及左岸已施工的J23～28號(hào)自流井 (兩岸機(jī)井編號(hào)均由北向南)都在自流區(qū)，若將右岸布設(shè)的南端J20～J22號(hào)井移到J1號(hào)井以北地帶，且補(bǔ)打J23號(hào)井，這樣36眼機(jī)井中共有19眼機(jī)井自流。

根據(jù)左岸J24～28號(hào)機(jī)井自流井群孔抽水試驗(yàn)結(jié)果 (見表2)，管徑529mm、水位降深5m時(shí)平均涌水量為8708.7 m3/d。

由于河谷水源地自流區(qū)南端與前池之間高差為21m左右 (自流區(qū)南端地面高程為684m左右，前池處地面標(biāo)高約為663m，此段地形坡度約為8‰)，故可將自流區(qū)自流井從地面向下6m處將井壁開洞自流集水，集水管徑與原設(shè)計(jì)集水管徑相同 (管徑1200mm)，只是將自流井區(qū)集水管埋設(shè)深度在原設(shè)計(jì)埋深再向下1.5～2.0m左右 (原自流區(qū)集水管線開挖線低于4.0～4.5m左右)。

若將自流井區(qū)集水管埋設(shè)深度設(shè)置于地面下6m，則水位降深從孔口算起平均降深為6.8m(孔口平均高于地面約0.8m)，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，19眼自流井日自流集水量為8708.7÷5×6.8×19=22.50萬m3;即月自流集水可達(dá)到686.35萬m3;若考慮自流井集水時(shí)群孔干擾平均降深約1.8m，則19眼自流井日自流集水量為8708.7×19=16.55萬m3;即月自流集水量為504.67萬m3(年自流集水量為6056.04萬m3，占年供水量7400.0萬m3的81.18%)，基本達(dá)到10～次年3月月供水510.0～564.7萬m3用水要求，其各月供水量不足部分以最南部非自流井水泵抽水補(bǔ)充。

該方案與依靠電力提水相比，若按當(dāng)年電價(jià)0.5元/(kW·h)計(jì)算，每年可節(jié)約成本635.5萬元×81.18%=515.9萬元 (原全用水泵提水年用電量為1271萬kW·h，電費(fèi)為635.5萬元)。按照供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗330g標(biāo)準(zhǔn)煤/(kW·h)估算，設(shè)計(jì)50年運(yùn)行期消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為20.95萬t;采取地下水開采新方案，則折算減少消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為17.01萬t/年，年減少消耗標(biāo)準(zhǔn)煤為0.3401萬t，每年可減少CO2排放量81.18%。

4 結(jié)語

(1)瑪納斯河谷地下水庫是全疆較為良好的庫區(qū)之一，地下水庫儲(chǔ)存量大，具有多年調(diào)節(jié)功能，河谷泉水量1.2394億 m3/年和地下潛流量0.0132億m3/年可作為水源地的調(diào)節(jié)開采資源量，設(shè)計(jì)開采0.74億m3/年，開采潛力較大。水源地水質(zhì)優(yōu)良，為良好的生活飲用水及工農(nóng)業(yè)用水水源。

(2)該地下水庫式河谷水源地建成后，不僅可以解決城市供水需求，還可解決瑪納斯河流域農(nóng)業(yè)發(fā)展上存在的“卡脖子旱”問題，并避免了修建地表水庫水面蒸發(fā)造成水資源損失，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境也不會(huì)造成過大的負(fù)面效應(yīng)，為新疆建設(shè)地下水庫式水源地起到了拋磚引玉作用。

(3)該水源地初步設(shè)計(jì)擬采用36眼井進(jìn)行開采，消耗能源較大;若因地制宜采用自流集水為主、水泵抽水為輔的開采新途徑，每年可節(jié)約成本達(dá)515.9萬元，年減少消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.3401萬t，每年可減少CO2排放量81.18%。

(4)地下水庫式水源地地下水開發(fā)新思路為水利工程開發(fā)提供了新的理念，在當(dāng)前提倡環(huán)境保護(hù)、減少大氣污染、飲水安全新形勢(shì)下具有強(qiáng)大的生命力。

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