解析
—均衡法在淮河流域河南平原地下水水源地中的應(yīng)用

吳祖成

(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)

?

解析
—均衡法在淮河流域河南平原地下水水源地中的應(yīng)用

吳祖成

(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)

[摘要]近年來，在淮河流域河南平原區(qū)，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化建設(shè)進(jìn)程不斷加快，城區(qū)人口迅速增加，工業(yè)產(chǎn)值和人們生活水平日益提高，城市的工業(yè)及居民生活需水量將隨之大增，水資源緊缺和供水不足已成為制約淮河流域河南平原城市經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。因此，為促進(jìn)淮河流域河南平原主要城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局責(zé)成河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院開展淮河流域河南平原主要城市地下水水源地選址論證工作。水資源計算對于水源地?zé)o論是選址還是勘察設(shè)計等都致關(guān)重要，針對淮河流域河南平原第四系含水層水文地質(zhì)特征，本方法較為適用可行。

[關(guān)鍵詞]水源地；含水層組；越流；水資源

1典型區(qū)域的選取

本次以淮濱縣城臺頭北部的后大莊—東圍子一帶為典型區(qū)域，以中深層供水能力2萬m3/a水源地為例，根據(jù)選取區(qū)水文地質(zhì)條件概化邊界條件和計算模型，進(jìn)行開采降深模擬計算，水資源保障程度分析，來闡述本方法在地下水水源地建設(shè)中的應(yīng)用。

2選取區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1含水層組特征及富水性

區(qū)內(nèi)地下水按含水介質(zhì)空隙性質(zhì)劃分為松散巖類孔隙水，其含水層組為松散巖類孔隙含水層組。依據(jù)含水層組的埋藏條件、水力性質(zhì)，以上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)較連續(xù)的一層穩(wěn)定隔水層為界，上部為淺層水含水層組，下部為中深層水含水層組。

2.1.1淺層水含水層組

遍布全區(qū)，其巖性為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)的泥質(zhì)粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂、砂礫石及粉土、粉質(zhì)粘土。底板埋深20～50 m，含水砂層的空間分布較穩(wěn)定，局部呈透鏡體狀?？梢?層砂層，單層厚度4～18 m，累計厚度9～20 m。其富水程度可分為富水區(qū)及中等富水區(qū)，其富水區(qū)分布于方莊、黑寺、徐腰莊等地，含水層巖性主要由細(xì)砂、中粗砂、砂礫石組成，底板埋深20～50 m，含水層厚9～20 m，單井出水量1 026.67～2 775.6 m3/d。中等富水區(qū)分布在南部馬集、臺頭一帶，含水層巖性主要由上更新統(tǒng)細(xì)砂、粉細(xì)砂及中更新統(tǒng)含礫中砂、砂礫石組成，底板埋深24～55 m，含水層厚9～32 m，單井涌水量540～891 m3/d。

2.1.2中深層水含水層組

區(qū)內(nèi)普遍分布，其巖性為中更新統(tǒng)砂礫石層及下更新統(tǒng)泥質(zhì)中粗砂、泥質(zhì)中砂、泥質(zhì)中細(xì)砂、砂礫石。含水層頂板埋深50～70 m，砂層的厚度較穩(wěn)定，可見7～9層砂，單層厚度6～12 m，累計厚度達(dá)60～70 m。單井涌水量1 151.92～2 235.38 m3/d，屬富水區(qū)。

2.2地下水補給徑流和排泄條件

2.2.1淺層地下水的補給、徑流、排泄

區(qū)內(nèi)淺層地下水的補給來源主要有大氣降水入滲補給、灌溉回滲補給、地下水徑流補給；地下水的徑流緩慢，方向主要為自西向東。在區(qū)內(nèi)東南角，徑流方向近似垂直于淮河河道；淺層地下水的排泄方式有蒸發(fā)，人工開采及河流排泄。

2.2.2中深層地下水的補給、徑流、排泄

區(qū)內(nèi)中深層地下水的補給以接受西部深層地下水的側(cè)向徑流補給及上部淺層地下水的越流補給。

中深層地下水的徑流相對較微弱，滲透系數(shù)1.98～9.84 m/d。地下水總體流向為自西向東。

中深層地下水的排泄方式主要有人工開采和徑流排泄。人工開采主要是村民集中供水井、農(nóng)業(yè)灌溉井的開采，以及臺頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水井、工業(yè)用水井的開采，一般為以鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采井為中心的微型降落漏斗，但僅是局部地帶改變了地下水徑流條件。其它地段無開采，中深層地下水的補給、徑流、排泄條件仍保持天然狀態(tài)。

3計算評價原則

本次選取的擬建水源地大部分面積為沖湖積緩傾斜平原，根據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，選擇布井區(qū)為富水區(qū)，參照《河南省淮濱縣1：10萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告》選取水文地質(zhì)參數(shù)，使用解析法進(jìn)行定流量開采降深預(yù)測，以確定擬建水源地開采方案；利用均衡法及靜態(tài)儲存量的計算來驗證地下水資源補給與消耗的差額和可調(diào)節(jié)程度，進(jìn)而評價擬建水源地地下水補給保障程度，中深層隔水頂板作弱透水層考慮。

4邊界條件的概化及計算模型的建立

4.1邊界條件的概化

選取區(qū)中深層含水層分布廣泛，將其概化為無限均質(zhì)含水層。

4.2計算模型的建立

淺層地下水對深層地下水有一定的越流補給，采用第一類越流系統(tǒng)干擾井公式進(jìn)行計算。

公式：

(1)

5計算參數(shù)的確定

根據(jù)本區(qū)水文地質(zhì)條件，由于開采井布置在富水區(qū)，單井出水量Q可以取平均值為2 000 m3/d；由于淮濱縣圍子水源地緊鄰本區(qū)東部，水文地質(zhì)條件與本區(qū)相似，水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)實際驗證較為可靠，所以根據(jù)《河南省淮濱縣城圍子水源地普查報告》，含水層導(dǎo)水系數(shù)T取425.0(m2/d)，含水層彈性釋水系數(shù)μ取5×10-5，弱透水層厚度MZ取35 m，弱透水層垂向滲透系數(shù)KZ取1.0×10-4m/d。

6布井方案及開采量的確定

6.1開采方案

根據(jù)水文地質(zhì)條件及參考淮濱縣圍子水源地布井方案，擬定布井方案為：南北向布井兩排共10眼，井排距800 m，井距500 m，單井流量根據(jù)水文地質(zhì)條件及緊鄰本區(qū)東部的淮濱縣圍子水源地取2 000 m3/d，擬建水源地開采量2.0萬 m3/d。

6.2解析法預(yù)報擬建水源地開采降深

現(xiàn)有條件下，中深層的開采量與其水位已達(dá)到相對平衡。本次降深計算是在現(xiàn)有水位的基礎(chǔ)上，新增開采而產(chǎn)生的水位下降值。

綜上所述條件下，對上述開采方案應(yīng)用第一類越流系統(tǒng)干擾井流公式(1)，分別計算各井的降深結(jié)果見表1。

表1　各開采井降深計算成果表

根據(jù)中深層含水層頂板埋深(老城區(qū)50.55 m，開發(fā)區(qū)64.49 m)和本次枯水期統(tǒng)調(diào)水位(HB14K)靜水位埋深16.67 m，引用附近淮濱縣圍子水源地經(jīng)驗值，附加降深取5.81 m，計算上述布設(shè)井中的最大水位埋深均小于44.31 m，小于含水層頂板埋深，日開采量2.0萬 m3/d可行。

7水資源保障程度分析

7.1補給量的計算

選取區(qū)中深層地下水的補給有：周邊的徑流補給與淺層水越流補給。

7.1.1周邊徑流補給量計算

采用達(dá)西公式進(jìn)行多年平均計算，按布井方案擬定條件，按選取區(qū)(矩形)外接圓區(qū)域擬定條件，取進(jìn)入選取區(qū)(矩形)過水?dāng)嗝嬗嬎闫鋸搅髁?，東斷面視為排泄邊界，計算結(jié)果見表2。

7.1.2淺層水越流補給量計算

公式：

Q=A·△h·Kz/Mz

(2)

式中：A為面積(取120 km2)；Kz為隔水頂板(弱透水層)垂向滲透系數(shù)，參考淮濱縣圍子水源地，取1×10-4m/d；Mz為隔水頂板(弱透水層)厚度，取35 m；△h為淺、中深層水位差，取12.0 m；Q為越流補給量(m3/d)。

依據(jù)上式及擬定參數(shù)計算得越流補給量為4 114.29 m3/d。

表2　周邊徑流補給量、排泄量計算成果表

7.2彈性儲存量計算

根據(jù)含水砂層的埋深、厚度及巖性結(jié)構(gòu)等條件，本區(qū)劃為一個區(qū)，見表3。

表3　中深層水資源計算說明表

本區(qū)中深層地下水儲存量計算采用公式：

Q彈為μe·Mcp·△h·F

(3)

式中：Q彈為彈性儲存量，m3；μe為比彈性釋水系數(shù)；Mcp為平均厚度，m；△h為允許水位降深，m；F為計算區(qū)面積，m2。

用式(5-2)計算出含水層、弱透水層可采彈性儲存量，見表4。

表4　中深層水彈性儲存量計算表

7.3開采量評價

經(jīng)上述計算，補給量接近于消耗量，基本達(dá)到相對平衡，見表5。

表5　補給量與消耗量對照表

從表5看出，補給量以徑流補給為主，即水源地開采的深層水主要來自計算區(qū)外。區(qū)內(nèi)中深層水越流補給量(4 114.29 m3/d)僅占補給量(42 603.99 m3/d)的9.66%，即淺層地下水不是中深層地下水的主要補給來源；計算區(qū)在區(qū)域上是淮河沖湖積平原，廣闊無垠，面積較大；且西邊、北邊、南邊沒有大的集中開采量，其對計算區(qū)的徑流補給是有保證的。

另外計算區(qū)中深層水的靜儲量(3 428.04萬 m3)，目前擬定條件下動用調(diào)節(jié)量較小，為24.71 m3/d。

綜合上所述，中深層地下水補給較充足，且補給量接近于消耗量，以中深層地下水徑流補給為主，有充分的補給保證。擬建水源地允許開采量2.0 m3/d是有充分補給保證的。

8結(jié)語

本次計算是采用10眼開采井同時連續(xù)開采30 a而引發(fā)的降深，同時考慮了開采井間的相互干擾作用，并通過均衡法計算水資源的保障程度，布井方案與設(shè)計開采量基本合理可靠。

實際水源地開采過程中是不連續(xù)的，若按本次布井方案，達(dá)到2萬 m3/d供水量，單井日出水量大于本次設(shè)計值，應(yīng)采取優(yōu)良的成井工藝，同時注意開采井間的合理采、停調(diào)節(jié)，以延長開采井的使用壽命。

在水源地周圍，尤其是上游補給區(qū)劃定水源地保護(hù)區(qū)，嚴(yán)禁淺層、中深層混采，同時中深層采取限制性開采的辦法，對水源地進(jìn)行保護(hù)。

以上僅供參考，在實際水源地應(yīng)用中，仍需要做大量的勘查工作及布設(shè)井深、成井工藝要求等。

參考文獻(xiàn)

[1]張海嬌，等.河南省淮河流域主要城市應(yīng)急(后備)地下水水源地論證報告[R].河南省地礦局第五地質(zhì)勘查院.2013.

[2]羅文金，等.河南省淮濱縣城圍子水源地普查報告[R].河南省地礦局第一地質(zhì)工程院.2002.

[3]河南省地礦廳水文地質(zhì)三隊.河南省淮濱縣(1：10萬)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告[R].河南省地礦廳水文地質(zhì)三隊.1996.

[4]供水水文地質(zhì)手冊編寫組.供水水文地質(zhì)手冊第三冊[M].地質(zhì)出版社.1983.

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]吳祖成(1980-)，男，河南信陽人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。

[中圖分類號]P641.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)01-0042-03