地下水水源地集中開(kāi)采對(duì)咸淡水界面變化的影響研究

邢高哲,沈春強(qiáng),王萬(wàn)平,暢俊斌

(1.陜西地礦九○八環(huán)境地質(zhì)有限公司,陜西 西安 710600;2.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局,青海 西寧 810001)

1 研究區(qū)概況

1.1 地下水形成的自然條件

花土溝集中水源地位于柴達(dá)木盆地最西側(cè)的子盆地阿拉爾盆地的西北部,隸屬海西州茫崖市管轄,距花土溝鎮(zhèn)70 km。區(qū)內(nèi)北、西、南三面環(huán)山,中部及東部為沖洪積及沖湖積平原,屬典型的高原大陸性氣候。降雨稀少,多年平均降水量55.34 mm,氣候干燥,多年平均蒸發(fā)量2 856.93 mm,寒冷,風(fēng)大沙多,冬長(zhǎng)夏短,四季不分明。區(qū)內(nèi)隨著海拔高度的增加降水量逐漸增高。研究區(qū)為內(nèi)陸閉流型山間盆地。其水系不甚發(fā)育,無(wú)論是常年水流還是洪流溝谷,均呈放射狀或聚合狀分布,主要為源于山區(qū)以冰雪融水補(bǔ)給為主的常年性河流如斯巴利克河、阿達(dá)灘河,這兩條河流主要靠降雨和冰雪融水補(bǔ)給,以流量變化大,出山后即滲失斷流為特征,其滲失斷流也是本次水源地主要的補(bǔ)給來(lái)源,另為平原區(qū)泉水匯成的泉集河,最終匯聚于尕斯庫(kù)勒湖中。水源地周邊地貌劃主要為湖積、沖湖積平原、沖洪積平原、山麓斜坡堆積洪積平原、構(gòu)造剝蝕高海拔丘陵,水源地位于沖洪積平原,主要為砂泥質(zhì)砂礫石,基底巖性為泥巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

水源地南北兩側(cè)山前洪積平原及中部斯巴利克河—阿達(dá)灘河沖洪積平原的中部-后緣,為單一巨厚砂卵礫石的潛水層,從中部-前緣地帶遞變?yōu)樯喜繚撍?下部為承壓水的雙層結(jié)構(gòu),它們?yōu)橥谎a(bǔ)給來(lái)源。由于所處地貌部位、埋藏條件和含水巖性的不同,其水量水質(zhì)有明顯的差別。水源地含水層巖性為泥砂卵石、泥砂礫石及粗砂礫卵石,水位埋深沿沼澤中心向南北兩側(cè)水位埋深逐漸增大,水源地揭露潛水含水層巖性主要為砂礫卵石,水位埋深4.03～19.96 m。含水層厚度202.60～82.45 m,滲透系數(shù)28.91～37.05 m/d,單井涌水量6 955.2～8 678.02 m3/d,水質(zhì)較好(圖1)。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)構(gòu)造圖

地下水補(bǔ)給主要為南部斯巴利克河及阿達(dá)灘河地表水滲漏形成地下水徑流補(bǔ)給,滲漏補(bǔ)給量為73.36×104m3/d。北部阿哈提山基巖裂隙水側(cè)向徑流和大氣降水入滲對(duì)地下水補(bǔ)給作用較小。山前沖洪積平原是地下水的形成-徑流帶,此帶沉積巖相為洪積—沖洪積砂礫卵石層,巖性單一,顆粒粗、厚度大,透水性強(qiáng),地下水徑流速度快,水循環(huán)交替積極。地下水以水平運(yùn)動(dòng)為主。山前平原地下水流向基本與洪積扇軸線方向相一致,由盆地周邊的各個(gè)方向向盆地中心最低點(diǎn)匯集。地下水排泄方式為地下水溢出、蒸發(fā)蒸騰和人工開(kāi)采。

補(bǔ)給來(lái)源較大,根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)及抽水試驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算經(jīng)過(guò)水源地?cái)嗝鎻搅髁?4.78×104m3/d。

2 咸水倒灌的主要因素分析

根據(jù)上述區(qū)內(nèi)自然條件及水文地質(zhì)描述,水源地位于水源地阿拉爾盆地中北部,斯巴利克河—阿達(dá)灘河沖洪積平原地下水排泄的段,水源地周邊有大量的泉集河及泉點(diǎn),地下水埋深靠近排泄段較淺,由于低洼處地下水泄出形成面積不同的小湖,由于長(zhǎng)時(shí)間的蒸發(fā)效應(yīng),湖中變咸,通過(guò)采樣測(cè)試工作基本查明了地下水咸淡分區(qū)及地下水的水化學(xué)成分。研究區(qū)大部為咸水區(qū),淡水區(qū)主要分布芒崖生活區(qū)西公路以南的青海省境內(nèi)。工作區(qū)淡水區(qū)地下水類型主要以Cl·HCO3-Na·Ca和Cl·HCO3·SO4-Na·Ca型水,咸水區(qū)地下水類型主要為Cl-SO4-Na-Mg型、Cl-Na-Mg和Cl-Mg-Na型咸鹵水。

水源地地下水開(kāi)采從補(bǔ)給方面論主要源于地下水徑流補(bǔ)給,從排泄方面看主要是襲奪北側(cè)地下水蒸發(fā),由于地下水開(kāi)采的蒸發(fā)襲奪量不大,對(duì)水文-生態(tài)環(huán)境的影響較小。但是在水源地開(kāi)采過(guò)程中如果集中開(kāi)采,可能引起咸水倒灌入水源地,影響水質(zhì)。

3 水文地質(zhì)概念模型

工作區(qū)南部平原的水源地地下水?dāng)M開(kāi)采井區(qū),含水層主要為第四系砂礫卵石構(gòu)成的單層結(jié)構(gòu)的潛水含水層,地下水主要接受由南西向北東方向的地下水徑流補(bǔ)給,水源地?cái)M開(kāi)采井揭露的含水層厚度大、富水性強(qiáng),含水層分布范圍廣、具有統(tǒng)一的地下水流場(chǎng)。

根據(jù)工作區(qū)的水文地質(zhì)條件,水源地地下水?dāng)M開(kāi)采井區(qū)的水文地質(zhì)概念模型可概化為:含水層均質(zhì)、各向同性、等厚、無(wú)界、底板水平,為單層結(jié)構(gòu)的大厚度潛水含水層,天然狀態(tài)具有定常滲透流速的側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給,地下水開(kāi)采主要受控于地下水徑流量及含水層厚度與水文地質(zhì)參數(shù)等。

4 地下水流數(shù)學(xué)模型

圖2 水源地開(kāi)采井區(qū)地下水滲流平面圖

坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)后,空間M點(diǎn)的新坐標(biāo)與舊坐標(biāo)關(guān)系可表示為:

基于水文地質(zhì)概念模型及新坐標(biāo)體系,可以建立平面二維地下水流數(shù)學(xué)模型,寫為:

式中:s*為地下水位降深線性化變形參量(m);s為地下水位降深(m);H為 含水層初始厚度(潛水位基準(zhǔn)取含水層底板)(m);h為 含水層剩余厚度(潛水位基準(zhǔn)取含水層底板)(m);T為含水層導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);K為 含水層滲透系數(shù)(m/d);μ為含水層給水度;V為地下水滲透流速(m/d);I為 地下水水力坡度;ne為 含水層有效孔隙度;Q為地下水開(kāi)采量(m3/d);δ為δ函數(shù);x＇oy＇,t分別為 新系坐標(biāo)變量(m)和時(shí)間變量(d)。

求解上述數(shù)學(xué)模型可得到如下地下水單井開(kāi)采的井流公式:

圖3 水源地開(kāi)采井群與計(jì)算點(diǎn)平面位置及其關(guān)系圖

基于地下水單井開(kāi)采穩(wěn)定井流公式及舊坐標(biāo)體系,地下水井群開(kāi)采的穩(wěn)定井流公式可表示為:

5 地下水開(kāi)采方案設(shè)置

工作區(qū)共施工六眼探采結(jié)合井(ZK1～ZK6),ZK1抽水降深2.96 m的出水量7 107 m3/d,ZK2抽水降深3.00 m的出水量8 678 m3/d,ZK3抽水降深3.84 m的出水量8 544 m3/d,ZK4抽水降深8.32 m的出水量6 955 m3/d,ZK5抽水降深3.69 m的出水量7 277 m3/d,ZK6抽水降深3.35 m的出水量7 272 m3/d。ZK1～ZK6孔抽水降深3～4 m(僅ZK4孔降深大于8 m)的單井涌水量7 000～8 500 m3/d,推算降深5 m的單井涌水量均大于10 000 m3/d,探采結(jié)合孔ZK1～ZK6可以作為水源地的開(kāi)采井?？紤]到ZK3、ZK4孔距離北側(cè)地下咸水區(qū)較近,不宜作為長(zhǎng)期的地下水開(kāi)采井,以避免地下咸水倒灌進(jìn)入水源井;故設(shè)置ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔為水源地地下水的正常開(kāi)采井,ZK3、ZK4孔水源地地下水的備用開(kāi)采井。

水源地地下水開(kāi)采預(yù)測(cè)設(shè)置三個(gè)方案,具體預(yù)測(cè)方案設(shè)置如下:

方案1:水源地地下水開(kāi)采量2×104m3/d預(yù)測(cè)方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開(kāi)采量均為0.50×104m3/d;

方案2:水源地地下水開(kāi)采量3×104m3/d預(yù)測(cè)方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開(kāi)采量均為0.75×104m3/d,為本次普查水源地預(yù)設(shè)的目標(biāo)開(kāi)采量;

方案3:水源地地下水開(kāi)采量4×104m3/d預(yù)測(cè)方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開(kāi)采量均為1.00×104m3/d。

6 地下水開(kāi)采預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)

水源地地下水開(kāi)采預(yù)測(cè)模型選用具有均勻地下水徑流補(bǔ)給的井群開(kāi)采的穩(wěn)定井流公式,地下水徑流補(bǔ)給量以工作區(qū)南側(cè)a-a＇斷面地下水徑流量為基準(zhǔn),開(kāi)采井群為ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔。

水源地地下水開(kāi)采預(yù)測(cè)的參數(shù)依據(jù)勘探與試驗(yàn)成果等給出,確定的計(jì)算參數(shù):地下水流向與坐標(biāo)系水平軸(y軸)的夾角α=39°,開(kāi)采井井半徑r=0.15 m,含水層滲透系數(shù)K=31.46 m/d,含水層給水度μ=0.08,含水層有效孔隙度ne=0.2,含水層厚度H=200 m,地下水水力坡度I=0.002 5;計(jì)算的含水層導(dǎo)壓系數(shù)a=78 650 m2/d,地下水滲透流速V=0.393 3 m/d,預(yù)測(cè)模型的綜合參數(shù)B=400 000 m。

水源地地下水開(kāi)開(kāi)采預(yù)測(cè)選取了973個(gè)計(jì)算點(diǎn),將開(kāi)采井點(diǎn)(ZK1、ZK2、ZK5、ZK6)與計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)及計(jì)算參數(shù)代入水源地開(kāi)采預(yù)測(cè)模型(井群開(kāi)采的穩(wěn)定井流公式),分別對(duì)方案1(開(kāi)采量2×104m3/d)、方案2(開(kāi)采量3×104m3/d)、方案3(開(kāi)采量4×104m3/d)進(jìn)行地下水開(kāi)采降深預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果列入表1,編繪的水源地三個(gè)開(kāi)采方案的地下水降深場(chǎng)預(yù)測(cè)圖詳見(jiàn)圖4～圖6。

表1 水源地開(kāi)采布設(shè)方案環(huán)境問(wèn)題(咸水倒灌)測(cè)算表

圖4 水源地開(kāi)采方案1(開(kāi)采量2×104m3/d)的地下水降深場(chǎng)預(yù)測(cè)圖

圖5 水源地開(kāi)采方案2(開(kāi)采量3×104m3/d)的地下水降深場(chǎng)預(yù)測(cè)圖

水源地地下水開(kāi)開(kāi)采方案1(開(kāi)采量2×104m3/d)、方案2(開(kāi)采量3×104m3/d)、方案3(開(kāi)采量4×104m3/d)的開(kāi)采井井壁最大預(yù)測(cè)降深值分別為3.87 m、5.83 m、7.81 m。方案1的單井開(kāi)采量0.50×104m3/d、總開(kāi)采量2×104m3/d,區(qū)域地下水降深1.49～3.87 m,地下水降深小,但總開(kāi)采量也較小;方案2的單井開(kāi)采量0.75×104m3/d、總開(kāi)采量3×104m3/d,區(qū)域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深適中,地下水單井開(kāi)采量接近抽水試驗(yàn)抽水量,地下水總開(kāi)采量為水源地預(yù)設(shè)的目標(biāo)開(kāi)采量;方案3的單井開(kāi)采量1.00×104m3/d、總開(kāi)采量4×104m3/d,區(qū)域地下水降深3.00～7.81 m,地下水單井開(kāi)采量接近推算的單井涌水量,地下水總開(kāi)采量大,但地下水降深也大。

綜述,本次水源地允許開(kāi)采量推薦方案2,即推薦水源地開(kāi)采量3×104m3/d的預(yù)測(cè)方案。水源地地下水允許開(kāi)采量3×104m3/d僅為a-a＇斷面地下水徑流量21×104m3/d的1/7(約占14%),地下水單井開(kāi)采量0.75×104m3/d接近抽水試驗(yàn)出水量,區(qū)域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深比較適中,基本不會(huì)導(dǎo)致環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題;地下水開(kāi)采從補(bǔ)給方面論主要源于地下水徑流補(bǔ)給,從排泄方面看主要是襲奪北側(cè)地下水蒸發(fā),由于地下水開(kāi)采的蒸發(fā)襲奪量不大,對(duì)水文-生態(tài)環(huán)境的影響甚微。