青?，斍呖h水源地地下水資源評價及可開采潛力

羅銀飛，高 源，孫語彤，羅平平

(1. 青海省環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，青海 西寧 810008； 2. 四川省華地建設(shè)工程有限責任公司 四川省地礦局成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610000； 3. 長安大學 環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

本次對瑪沁縣水源地進行水資源評價，可保證本區(qū)域水資源的可持續(xù)利用，促進區(qū)域社會經(jīng)濟更好更快的可持續(xù)發(fā)展，合理地評價該區(qū)域地下水資源量及可開采量，對合理規(guī)劃、配置該區(qū)域水資源有重要的指導意義。

1 水文地質(zhì)條件概況

調(diào)查區(qū)位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣，為縣境內(nèi)大武鎮(zhèn)軍牧場—大武鄉(xiāng)政府段格曲河谷與兩側(cè)中高山區(qū)組成的河谷盆地。區(qū)內(nèi)主要含水層為河谷第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及野馬灘和果芒納構(gòu)造裂隙帶。區(qū)內(nèi)4種含水層間水利聯(lián)系密切，凍結(jié)層水補給古生界碳酸巖類和中生界碎屑巖類含水層，古生界碳酸巖類含水層和中生界碎屑巖類含水層補給上更新統(tǒng)洪積含水層，上更新統(tǒng)洪積含水層地下水又排泄至河谷區(qū)沖洪積含水層，構(gòu)成了依次補排的含水層系統(tǒng)(見圖1)。區(qū)內(nèi)野馬灘和果芒納地段賦存構(gòu)造承壓水并出露成泉[1-2]。

1 角礫；2 砂礫卵石；3 粉土；4 石英砂巖；5 礫巖；6 不整合線；7 潛水位線

2 地下水天然資源量計算

2.1 水文地質(zhì)參數(shù)確定

根據(jù)所取得的鉆孔抽水試驗數(shù)據(jù)采用不同的計算方法計算滲透系數(shù)(K)、給水度(μ)等水文地質(zhì)參數(shù)，為確保參數(shù)的準確性，首先利用前期工作施工的鉆孔抽水試驗資料。再結(jié)合土樣分析測試結(jié)果優(yōu)選不同計算方法所得結(jié)果最終確定評價所用值。大氣降水入滲補給系數(shù)主要依據(jù)經(jīng)驗值和鄰區(qū)資料以及以往成果選定。

2.2 天然補給量計算

區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水入滲補給、地下水側(cè)向徑流補給以及區(qū)內(nèi)格曲河上游地段地表水的滲漏補給。

2.2.1 大氣降水入滲補給量

大氣降水入滲補給量計算采用瑪沁縣大武氣象站1971-2013年系列降雨資料。計算公式為：

(1)

式中Q降——多年平均大氣降水入滲補給量，m3；

αi——各計算分區(qū)大氣降水入滲系數(shù)；

Pi——各計算分區(qū)多年平均降水量，m；

Fi——各計算分區(qū)面積，m2。

經(jīng)計算，區(qū)內(nèi)多年平均大氣降水入滲補給量為44 630.137 m3/d；其中河谷區(qū)補給量為28 898.47 m3/d。

2.2.2 地下水側(cè)向徑流量

1)側(cè)向補給量

地下水側(cè)向補給量發(fā)生在調(diào)查區(qū)的東邊界及格曲河主要支流入口處，可分段采用達西定律計算，其公式為：

Q斷=∑KiIiAi

(2)

式中Q斷——地下水側(cè)向徑流補給量，m3/d；

Ki——第i分段含水層滲透系數(shù)，m/d；

Ii——第i分段斷面的法向水力坡度；

Ai——第i分段含水層斷面面積，m2。

式中各分段的滲透系數(shù)采用控制性鉆孔抽水試驗求參結(jié)果，水力坡度可在流場圖上量取，斷面面積在剖面圖上量取。計算可知，區(qū)內(nèi)通過各支溝及河流上游斷面產(chǎn)生的側(cè)向徑流補給總量為3.050×104m3/d。

2)側(cè)向排泄量

區(qū)內(nèi)地下水主要從格曲調(diào)查出口處4號斷面(見圖2)及東側(cè)支溝1號斷面徑流排出，分段采用達西定律計算，計算方法與側(cè)向補給量相同，經(jīng)計算，通過下游斷面和劃定邊界產(chǎn)生的側(cè)向徑流排泄總量為0.628×104m3/d。

2.2.3 河流滲漏補給量

根據(jù)2013年10月1日地表水流量分段觀測資料，分析了德勒尼和格曲河地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系并計算了轉(zhuǎn)化量，得到區(qū)內(nèi)河流滲漏補給量為0.326×104m3/d。

圖2 地下水側(cè)向徑流斷面位置

綜上，區(qū)內(nèi)地下水多年平均補給量為7.211×104m3/d，其中大氣降水入滲補給量為4.463×104m3/d，占總補給量的61.89%，地下水側(cè)向補給量為2.422×104m3/d，占總補給量的33.59%，河流滲漏補給量為0.326×104m3/d，占總補給量的4.52%。

2.3 斷面徑流量

分別計算過ZK3、ZK4、ZK5斷面1-1′及過ZK8、ZK9斷面2-2′徑流量，分段采用式(2)計算。

計算得1-1′斷面徑流量為63 785.570 m3/d，2-2′斷面徑流量為28 308.108 m3/d。

2.4 區(qū)內(nèi)河谷區(qū)地下水資源量均衡分析

選擇河谷區(qū)第4含水層為對象進行均衡對象。補給量主要包括大氣降水入滲補給量Q降水、側(cè)向補給量Q側(cè)補及河流滲漏補給量Q滲漏；排泄量主要包括側(cè)向徑流排泄Q側(cè)排、向河流溢出排泄Q溢出、向野馬灘泉蒸發(fā)排泄Q蒸發(fā)。除蒸發(fā)排泄量和向野馬灘泉排泄量外，其余各項與前文已計算。

河谷區(qū)潛水蒸發(fā)排泄量可根據(jù)阿維揚諾夫斯基公式采用離散化方法進行計算：

E=E0×0.62

(3)

(4)

根據(jù)實測的地下水流場，采用離散化方法可計算出區(qū)內(nèi)潛水蒸發(fā)排泄量為3.221×104m3/d。

向野馬灘泉排泄是河谷區(qū)地下水的一個重要排泄項，野馬灘泉主要依靠北側(cè)區(qū)外低山丘陵區(qū)及區(qū)內(nèi)河谷區(qū)地下水的補給，要分析河谷區(qū)地下水的均衡狀況，須對泉水的兩個補給源的補給量進行分割，求取河谷區(qū)地下水對泉水的補給量。通過前文分析，河谷區(qū)地下水對泉水的補給段主要位于調(diào)查區(qū)入口至“地下阻水壩位置”。因此，調(diào)查區(qū)入口處的斷面經(jīng)流量與格曲河水流量及補給段各匯入支溝流量的總和減去“阻水壩”下游附近ZK10號水文孔處的斷面徑流量及格曲河水流量，即可求得河谷區(qū)地下水對泉水的補給量，計算求得補給量約1.781×104m3/d。

據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果，區(qū)內(nèi)地下水資源天然總補給量、天然總排泄量分別為：

天然總補給量Q總補=Q降水+Q側(cè)補+Q滲漏=14.434×104m3/d

天然總排泄量Q總排=Q側(cè)排+Q溢出+Q蒸發(fā)+Q泉=13.798×104m3/d

由獨立統(tǒng)計出的水資源天然補給量與天然泄出量基本相等，相對均衡誤差為4.41%，在允許范圍之內(nèi)，說明所選取的水文地質(zhì)與氣象參數(shù)是可靠的。

3 地下水允許開采資源量計算

3.1 開采地段選取

河谷區(qū)第四系沖洪積層孔隙含水層是區(qū)內(nèi)最具開采意義的含水體，考慮到便于向縣城和擬建飛機廠供水，同是照顧到調(diào)查區(qū)東段區(qū)域用水，并且為準確取定水文地質(zhì)參數(shù)以保證評價計算結(jié)果可靠，將施工了ZK3、ZK4、ZK5及ZK8、ZK9號水文地質(zhì)孔的兩處地段選擇為供水靶區(qū)。

3.2 開采方式

根據(jù)水文地質(zhì)條件并考慮經(jīng)濟性，擬采用管井開采方式，設(shè)計6眼供水井，井徑0.152 4 m，均為穿透第四系沖洪積層完整井。沿斷面1-1′布設(shè)W-01、W-02、W-03，井間距為1 000 m，井距河谷區(qū)邊界1 100 m；沿斷面2-2′布設(shè)W-04、W-05、W-06(見圖3)，井間距為600 m，井距河谷區(qū)邊界600 m。單井出水量控制在4 000 m3/d以內(nèi)。

圖3 開采井布置

3.3 地水開采方案干擾井群計算

3.3.1 評價模型及數(shù)學表達

根據(jù)前述開采技術(shù)條件和開采區(qū)水文地質(zhì)條件，開采區(qū)概化為長23 441 m，寬4 525 m，平均厚約65.1 m帶狀含水層。水源地東北側(cè)和西南側(cè)均為中高山區(qū)與格曲河河谷區(qū)分界線，基巖透水性差，可以概化為隔水邊界；西北及東南側(cè)均為格曲河河谷區(qū)，巖性為第四紀砂卵石礫，透水性好，河床介質(zhì)為沖積砂礫卵石層，可將其概化為測向流入和流出邊界。根據(jù)以上條件概化后，開采區(qū)可認為是具有水力坡度和匯源項的無限含水層，開采井可看成抽水井。根據(jù)以上條件概化后，按疊加原理可用非穩(wěn)定流干擾井群法解析式求解，其數(shù)學模型為：

為滿足上述數(shù)學模型，沿兩條隔水邊界分別做一次映射，用仿泰斯公式計算降深，公式為：

(6)

(7)

(8)

式中：s為各井點的水位降深，m；μ為給水度；K為滲透系數(shù)，m/d；H為開采區(qū)含水層厚度，m；Qi為第i口井組的涌水量(抽水井為正，注水井為負，m3/d)；W(ui)為井函數(shù)；r為距井距離；n=1,2,…i口井組；T為導水系數(shù)；t為抽水持續(xù)時間。

3.3.2 水位降深預測

在6口井同時開采情況下，分別預測不同開采方案下6眼井中心處的降深。以24 000 m3/d的開采量持續(xù)開采20年后開采中心降深為7.96 m；開采18 000 m3/d時，開采中心降深值為5.97 m；開采12 000 m3/d時，開采中心降深值為3.98 m；在不大于12 000 m3/d的開采方式下，最大降深更小；故各開采方式下降深均滿足設(shè)計要求。本著在滿足降深要求下盡可能取得更大開采量的原則，推薦采用單井開采量4 000 m3/d，總開采量24 000 m3/d的開采方案。

4 結(jié) 語

青?，斍呖h格曲河河谷區(qū)地下水多年平均補給量為14.434×104m3/d，排泄量為 13.798×104m3/d，整體上處于正均衡狀態(tài)，地下水資源量較為豐富。

根據(jù)解析計算和頻率分析計算結(jié)果，河谷區(qū)第四系沖洪積層潛水采用管井開采方式，開采量2.40×104m3/d，開采潛力2.40×104m3/d；需要注意的是，雖然研究區(qū)地下水資源較為豐富，對區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展十分有利，但是在發(fā)展的同時仍要將水資源保護放在首位，節(jié)約水資源，合理規(guī)劃地下水開采量，杜絕肆意開采行為，避免出現(xiàn)地下水超采現(xiàn)象。