解析法評價有越流補給含水層水源地開采方案

王寬 楊德貴

摘 要：針對武陟縣規(guī)劃設(shè)計備用水源地供水量6萬m3/天的需求，本文在通過一系列調(diào)查及試驗成果的基礎(chǔ)上，初步查明了武陟縣水文地質(zhì)條件，對擬建水源地進行了開采方案設(shè)計，采用有越流補給水文地質(zhì)模型和漢圖什公式，運用解析法對水源地開采方案進行了合理性評價。

關(guān)鍵詞：越流補給；解析法；水源地評價；武陟縣

0 引言

武陟縣位于河南省北部，黃河北岸，與鄭州隔河相望，屬焦作市?？h域面積860km2，人口71.1萬。為滿足城區(qū)快速發(fā)展的需要，規(guī)劃設(shè)計并評價供水量6萬m3/d備用水源地，用于城區(qū)居民生活及工業(yè)用水。

1 工作概述

為初步查明武陟縣水文地質(zhì)條件，在武陟縣范圍內(nèi)進行了資料收集、水文地質(zhì)測繪、地球物理勘探、水樣采集、水文地質(zhì)鉆探、抽水試驗等水文地質(zhì)工作，基本查明工作區(qū)內(nèi)150m以淺的含水層的巖性結(jié)構(gòu)、埋藏條件、分布規(guī)律及富水性特征；基本查明地下水的補給、徑流、排泄條件及其動態(tài)變化規(guī)律；通過單孔、多孔抽水試驗，求取了淺層（0～60m）及中深層（60～150m）含水層水文地質(zhì)參數(shù)。

水文地質(zhì)條件：勘察區(qū)地表被第四紀(jì)地層所覆蓋。地下水賦存于細(xì)砂、中砂、粗砂、卵礫石孔隙中。地下水類型屬于松散巖類孔隙水。根據(jù)地下水埋藏條件、成因類型、水力特征，結(jié)合地下水開采現(xiàn)狀，將區(qū)內(nèi)地下水劃分為淺層水、中深層水及深層水。淺層水系指埋藏于地表下約60m以淺的承壓含水巖組，砂層厚度約40m。中深層水系指埋藏于地表下約60～150m深度的承壓含水巖組，砂層厚度約54m。深層水為150m以下承壓含水層。其中淺層與中深層水之間隔水層不連續(xù)，淺層水越流補給中深層水，中深層與深層水之間具有穩(wěn)定隔水層，無補給關(guān)系。

通過已查明的水文地質(zhì)條件，初步確定水源地開采井沿沁河呈條帶狀布置，開采中深層（60～150m）承壓含水層地下水。

以下將采用解析法，對擬建水源地開采方案進行設(shè)計并用解析法對設(shè)計方案進行評價。

2 水源地開采方案設(shè)計

本次水源地擬開采中深層地下水6萬m3/d。水源地開采井沿沁河線型布置于沁河大堤臨河側(cè)，采用井群集中供水方式，設(shè)置150m深完整井28眼，取水層厚度均為54m，其中同步開采井26眼，備用井2眼，井間距均為300m，開采量平均每眼井為2400 m3/d。擬建井位布置設(shè)計如圖1所示。

3 水源地開采方案評價

3.1 水文地質(zhì)模型

根據(jù)勘探孔抽水試驗觀測數(shù)據(jù)及求參結(jié)果，中深層含水層為越流承壓含水層，接受上部淺層含水層的越流補給。所以，本次將工作區(qū)概化為第一類越流系統(tǒng)，即弱透水層的彈性儲水釋水可忽略不計，且在主含水層抽水期間相鄰含水層的水頭保持不變。

假定條件：主含水層抽水期間，相鄰含水層的水頭保持不變，弱透水層的彈性儲釋水可忽略不計。主含水層與相鄰含水層初始水頭面水平且相等。主含水層地下水水平徑向二維流動，相鄰含水層中地下水越流補給主含水層水，地下水在弱透水層中水呈垂直一維流動。相鄰含水層在與主含水層的初始水頭面水平卻相等。其他條件同泰斯假定：含水層均質(zhì)，各項同性，無限延伸；滲流服從達(dá)西定律；承壓完整井；主含水層中地下水瞬時釋放。

單井定流量有越流承壓完整井流的數(shù)學(xué)模型如下：

（1-1）

定義為越流系數(shù)。此定解問題可解得降深方程（漢圖什公式）：

（1-2）

W（u）—泰斯井函數(shù)；1/B—越流補給系數(shù)，取1.1×10-4；W（u，r/B）—第一類越流系統(tǒng)的定流量井函數(shù)；Q—設(shè)計開采量（m3/d），取2400m3/d；K-滲透系數(shù)（m/d），取25.5m；M-取水段厚度（m），取54m；r-計算點與井心距離（m）；a-導(dǎo)壓系數(shù)，2.68×106m2/d；t-開采年限內(nèi)單井累計開采天數(shù)（d）。

3.2 水位預(yù)測

經(jīng)過對中間若干擬建井水位降深逐個計算，確定30年后ZK19井降深最大，設(shè)為擬建水源地中心井。在此對中心井19號井水位降深進行預(yù)測。

采用抽水試驗求取的水文地質(zhì)參數(shù)與開采數(shù)據(jù)，求得u，r/B后查表求得W（u，r/B），帶入公式（1～2），得水源地所有開采井對中心開采井ZK19的疊加干擾降深。最終計算得：開采井對中深層地下水增開6萬 m3/d后，第1年末、第5年末、第10年末、第15年末、第20年末、第30年末中心井ZK19預(yù)測降深分別為：14.93m，15.21 m，15.43 m，15.78 m，15.85 m，15.88 m。

4 結(jié)論

由水位預(yù)測數(shù)據(jù)可知，該開采方案下開采后，地下水水位很快趨于穩(wěn)定，并隨著開采時間的增加，水位下降速度逐漸變慢，20年以后地下水水位基本穩(wěn)定，補、排達(dá)到新的平衡。另現(xiàn)狀靜水位埋深24.00m，即水源地開采30年后中心開采井動水位埋深為39.88m，小于含水層的頂板埋深60m；因此，使用該方案情況下，擬建水源地開采中深層地下水6萬 m3/d的開采量是有保證的，此開采方案合理。

另經(jīng)對比，當(dāng)設(shè)計同步開采井24眼時，單井開采量增大，計算預(yù)測30年后中心井動水位埋深大于60m，低于含水層頂板，含水層疏干，設(shè)計方案不合理。

所以設(shè)計同步開采井26眼，另配備2眼備用井，水量有保證，且30年后預(yù)測動水位高于取水含水層頂板，該開采方案合理。

參考文獻(xiàn)

[1]沈照理.水文地質(zhì)學(xué)[M].科學(xué)出版社，1991.

[2]史長春.水文地質(zhì)勘察（上下冊）[M].水利電力出版社，1999.

（作者單位：河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院）