鄭州雁鳴湖地區(qū)地下水資源群抽試驗(yàn)分析

董永立 繆曉涓

(1.鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450006;2.鄭州市引黃灌溉工程管理處，河南鄭州 450045)

1 概述

鄭州雁鳴湖地區(qū)位于鄭州市中牟縣北部，區(qū)劃總面積32.21km2，是“鄭汴一體化”、“中原城市群”與“中部崛起”的重要組成部分，是集居住、工業(yè)、辦公、商貿(mào)、休閑為一體的生態(tài)型新城區(qū)。該地區(qū)規(guī)劃新建一座自來(lái)水廠，設(shè)計(jì)日取水量9980m3，供水水源為地下水，共布置6眼抽水井和1眼備用井。

為查明地下水資源的儲(chǔ)藏量和可開(kāi)發(fā)利用量，鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院于2009年8月開(kāi)始對(duì)該地區(qū)進(jìn)行水源地地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。并于2010年8月至2011年12月進(jìn)行了野外水文地質(zhì)調(diào)查、水文地質(zhì)物探、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗(yàn)和水質(zhì)分析等工作。布置100m和500m深的水文地質(zhì)孔各4孔，觀測(cè)孔各2孔。根據(jù)所取得的基礎(chǔ)資料，采用均衡法和解析法對(duì)地下水資源量分別進(jìn)行了分析計(jì)算，論證是否滿足自來(lái)水廠用水需求。

2 參數(shù)確定

2.1 潛水含水層抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)的確定

潛水含水層抽水試驗(yàn)主要為穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，采用潛水Dupuit公式進(jìn)行計(jì)算:

式中 K——滲透系數(shù)，m/d;

Q——穩(wěn)定出水量，m3/d;

H——含水層厚度，m;

S——水位降深，m;

R——影響半徑，m，根據(jù)單位涌水量法查表而得，并用經(jīng)驗(yàn)值修正;

r——鉆孔或過(guò)濾器半徑，m。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 潛水穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求參成果

2.2 承壓含水層抽水試驗(yàn)水文地質(zhì)參數(shù)的確定

2.2.1 穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

承壓含水層穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，采用承壓井Dupuit公式進(jìn)行計(jì)算:

式中 K——滲透系數(shù)，m/d;

Q——穩(wěn)定出水量，m3/d;

M——承壓含水層厚度，m;

Sw——水位降深，m;

R——影響半徑，m，根據(jù)單位涌水量法查表而得，并用經(jīng)驗(yàn)值修正;

rw——抽水孔半徑，m。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 承壓水穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求參成果

2.2.2 非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)

此次承壓含水層非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)選擇S3作為抽水井，G1作為觀測(cè)井，鉆孔基本情況見(jiàn)表3，根據(jù)調(diào)查，區(qū)域內(nèi)深層水接受中層水補(bǔ)給，同時(shí)考慮弱含水層的彈性釋水，采用配線法進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算。

表3 抽水孔、觀測(cè)孔基本情況

利用抽水試驗(yàn)觀測(cè)孔G1時(shí)間降深數(shù)據(jù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制 S－t曲線，與 W(u，β)－標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合，選配合點(diǎn)，取坐標(biāo)值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 配線法計(jì)算成果

2.3 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

考慮當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)條件以及計(jì)算的精度，結(jié)合區(qū)域抽水試驗(yàn)求參的成果，此次資源量計(jì)算選用的含水層及弱透水層水文地質(zhì)參數(shù)如下:

a.潛水含水層的滲透系數(shù)取5.39m/d，含水層厚度取區(qū)域平均值55m，給水度0.08。

b.承壓含水層的滲透系數(shù)取3.67m/d，導(dǎo)水系數(shù)240.22m2/d，貯水系數(shù) 2.78 × 10－3，導(dǎo)壓系數(shù) 8.64萬(wàn)m2/d。

弱透水層垂向滲透系數(shù)取2.15×10－3m/d，貯水率4.16×10－6L/m。

3 解析法分析

3.1 布井方案

雁鳴湖示范區(qū)水源地深層水?dāng)M開(kāi)采地下水9980m3/d，主要開(kāi)采的是250～500m深度之間的承壓水。水源地抽水井垂直地下水流向布置，布置6口抽水井，井距大于800m，呈西北—東南方向，每口井的抽水量均為1663.3m3/d。水源地布井方案設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖。

水源地深層布井方案圖

3.2 含水層的概化及計(jì)算公式的選取

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)、埋藏條件及含水層間的水力聯(lián)系，區(qū)內(nèi)深層地下水可概化為:地下水流服從達(dá)西定律;含水層為均質(zhì)各向同性的承壓水含水層，底板水平且無(wú)限延伸;假設(shè)初始水層基本水平;抽水井均為承壓完整井;有越流補(bǔ)給，并考慮到弱透水層釋放彈性儲(chǔ)量，相鄰含水層的水頭保持不變。

根據(jù)概化處理，區(qū)內(nèi)深層地下水在長(zhǎng)期抽水過(guò)程中，中心井水位降深可用泰斯井流疊加公式計(jì)算:

上式中 S——某點(diǎn)的降深值，m;

Q——單井出水量，m3;

T——導(dǎo)水系數(shù)，m2/d;

W(u，β)——井函數(shù);

u——井函數(shù)自變量;

t——抽水延續(xù)時(shí)間，d;

r——抽水井至任意一點(diǎn)的距離，m;

a——壓力傳導(dǎo)系數(shù)，m2/d。

3.3 水位降深計(jì)算及結(jié)果分析

采用上式疊加計(jì)算，水源地深層地下水增開(kāi)9980m3/d后，開(kāi)采1年、5年、10年、15年、20年中心井和邊緣井水位降深見(jiàn)表5、表6，水源地開(kāi)采20年中心開(kāi)采井地下水位降深為7.27m，邊緣井地下水位降深為6.31m。由此可以看出，水源地開(kāi)采10年以后，地下水水位趨于穩(wěn)定，補(bǔ)、排達(dá)到新的平衡。因此，水源地9980m3/d的開(kāi)采量是有保證的。

表5 水源地深層井群井抽水時(shí)中心井水位降深

表6 水源地深層井群井抽水時(shí)邊緣井水位降深

4 水量均衡法分析

4.1 均衡區(qū)的建立及均衡期選取

此次均衡法評(píng)價(jià)選取平水年條件對(duì)深層地下水資源進(jìn)行計(jì)算。均衡期為1年，均衡區(qū)即為此次論證范圍區(qū)域，面積324.5km2。區(qū)域內(nèi)地下水補(bǔ)給項(xiàng)為側(cè)向徑流補(bǔ)給、越流補(bǔ)給，排泄項(xiàng)為水源地開(kāi)采。

4.2 均衡方程的建立

依據(jù)水均衡原理，結(jié)合該區(qū)深層地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，建立均衡方程如下:

其中

以上式中 Q補(bǔ)——地下水總補(bǔ)給量，萬(wàn)m3/a;

Q排——地下水總排泄量，萬(wàn)m3/a;

μ*——貯水系數(shù);

F——均衡區(qū)面積，km2;

Δt——均衡時(shí)間段長(zhǎng)，a;

ΔH——與Δt對(duì)應(yīng)的水位變幅，m;

Q開(kāi)——水源地開(kāi)采量，萬(wàn)m3/a;

Q側(cè)——側(cè)向徑流補(bǔ)給量，萬(wàn)m3/a;

Q越——越流補(bǔ)給量，萬(wàn) m3/a。

4.3 現(xiàn)狀年深層地下水資源評(píng)價(jià)

4.3.1 補(bǔ)給量

a.側(cè)向徑流補(bǔ)給量。根據(jù)地下水位等值線，運(yùn)用達(dá)西定律計(jì)算側(cè)向徑流補(bǔ)給量，公式如下:

式中 Q測(cè)——含水層的側(cè)向流入流出量，萬(wàn)m3/a;

K——邊界附近含水層的滲透系數(shù)，m/d，取3.67m/d;

M——含水層的厚度，m，取69m;

L——邊界的長(zhǎng)度，m，取15500m;

I——邊界附近的地下水水力梯度，根據(jù)地下水位降深，參考地下水流場(chǎng)圖確定，取0.001。

經(jīng)計(jì)算，側(cè)向徑流補(bǔ)給量為143.26萬(wàn)m3/a。

b.越流補(bǔ)給量?，F(xiàn)狀條件下，深層地下水位低于中層地下水位，因此抽水時(shí)，中層地下水通過(guò)越流補(bǔ)給深層地下水，越流量計(jì)算公式如下:

式中 Q越——含水層越流補(bǔ)給量，萬(wàn)m3/a;

Δh——含水層的水位差，取區(qū)域平均值0.25m;

F——計(jì)算面積即水源地范圍內(nèi)面積，取324.5km2;

Δt——計(jì)算時(shí)間，即均衡期。

經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀條件下含水層越流流入量為444.16萬(wàn)m3/a。

4.3.2 排泄量

深層地下水的排泄量主要為側(cè)向流出，根據(jù)地下水流場(chǎng)狀態(tài)，運(yùn)用達(dá)西定律計(jì)算側(cè)向徑流排泄量，其中邊界附近含水層的滲透系數(shù)取3.67m/d，含水層的厚度取69m，邊界長(zhǎng)度取30500m，邊界附近的地下水水力梯度，根據(jù)地下水位降深，參考地下水流場(chǎng)圖確定，取0.002。

經(jīng)計(jì)算，側(cè)向徑流補(bǔ)給量為563.82萬(wàn)m3/a。

4.3.3 均衡結(jié)果分析

通過(guò)以上分析計(jì)算，深層含水層現(xiàn)狀條件下總補(bǔ)給量為587.42萬(wàn) m3/a，排泄量為563.82萬(wàn) m3/a，地下水處于正均衡狀態(tài)，均衡差為23.61萬(wàn)m3/a。

4.4 開(kāi)采條件下地下水資源評(píng)價(jià)

4.4.1 補(bǔ)給量

a.側(cè)向徑流補(bǔ)給量。根據(jù)解析法知，水源地開(kāi)采影響范圍大于此次勘察區(qū)。因此，開(kāi)采條件下，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量明顯增大。根據(jù)開(kāi)采條件下地下水流場(chǎng)狀態(tài)，運(yùn)用達(dá)西定律計(jì)算側(cè)向徑流補(bǔ)給量，其中補(bǔ)給邊界長(zhǎng)度增加為22000m，根據(jù)開(kāi)采條件下地下水位降深，參考地下水流場(chǎng)圖，地下水水力梯度取0.0015，其他參數(shù)同前。

經(jīng)計(jì)算，開(kāi)采條件下，深層地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量為305.02萬(wàn) m3/a。

b.越流補(bǔ)給量。開(kāi)采條件下深層地下水位下降，低于中層地下水位，接受中層地下水越流補(bǔ)給，計(jì)算得出含水層越流流入量為479.69萬(wàn)m3/a，其中含水層水位差取區(qū)域平均值0.27m，其他參數(shù)同前。

4.4.2 排泄量

a.側(cè)向流出量。水源地開(kāi)采條件下，地下水側(cè)向流出量明顯減少，流出量為424.49萬(wàn)m3/a，其中補(bǔ)給邊界長(zhǎng)度減少為25500m，根據(jù)開(kāi)采條件下地下水位降深，邊界附近的地下水水力梯度取0.0018，其他參數(shù)同前。

b.開(kāi)采量。深層地下水的排泄量主要為設(shè)計(jì)的水源地開(kāi)采量9980m3/d，即364.27萬(wàn)m3/a。

4.4.3 均衡結(jié)果分析

通過(guò)以上分析計(jì)算，深層含水層開(kāi)采條件下總補(bǔ)給量為784.71萬(wàn)m3/a，總排泄量為－788.76萬(wàn)m3/a，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)，均衡差為－4.05萬(wàn)m3/a。水源地的開(kāi)采動(dòng)用了一定的儲(chǔ)存量，即含水層的彈性釋水量和弱透水層的彈性釋水量，水源地屬于消耗性水源地。

4.4.4 彈性儲(chǔ)存量

彈性儲(chǔ)存量的變化采用下式計(jì)算:

式中 Q彈——含水層和弱透水層彈性釋水量，萬(wàn)m3/a;

其他符號(hào)意義同前。

計(jì)算中，承壓含水層彈性釋水系數(shù)取2.78×10－3，年水位變幅取0.2m。經(jīng)計(jì)算，含水層彈性釋水量為18.04萬(wàn) m3/a。

5 結(jié)論

分析表明:水源地開(kāi)采20年，中心開(kāi)采井地下水位降深為7.27m，邊緣井地下水位降深為6.31m，地下水位處于含水層頂板之上，水源地深層含水層的規(guī)劃開(kāi)采量是有保證的;深層含水層現(xiàn)狀條件下總補(bǔ)給量為587.42萬(wàn)m3/a，排泄量為563.82萬(wàn)m3/a，地下水處于正均衡狀態(tài)，均衡差為23.61萬(wàn)m3/a;開(kāi)采條件下總補(bǔ)給量為784.71萬(wàn)m3/a，總排泄量為－788.76萬(wàn)m3/a，地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)，均衡差為－4.05萬(wàn)m3/a。水源地開(kāi)采主要靠的是激發(fā)地下水側(cè)向流入量及越流補(bǔ)給量，襲奪地下水側(cè)向流出量，動(dòng)用了一定的儲(chǔ)存量，水源地屬于消耗性水源地。