干擾井群法在地下水開采中的應用分析

趙中省,李友龍

(江蘇省水文地質工程地質勘察院,江蘇 淮安 223005)

我國逐步提高城鎮化水平,中小城市迅速發展。中小城市常以地下水為主要供水水源。中小城鎮供水范圍小,供水井集中;供水水文地質單元相對獨立,在開采地下水的初期,多缺少科學開采方案、統籌規劃。地下水多年開采,常出現與地下水開采有關的一些環境地質問題。如：地下水位逐年不斷下降,地面沉降等。重新調整地下水開采,設計可持續地下水開采方案,已是這些城市地下水開采、管理的重要內容。干擾井群法適宜中小城市地下水開采方案的設計。本文以江蘇省淮陰縣城市規劃區可持續地下水開采設計方案為例,探討干擾井群法在設計地下水開采方案中的應用。

地下水是淮陰縣主要供水水源之一,年開采量 467萬 m3,占縣城供水量的 48%,隨著縣城規模的擴大及地表水污染的加重,地下水已成為縣城發展優先考慮的水源,需求量逐年增加,到 2015年規劃需地下水量 600萬 m3。因此,合理開采地下水是供水規劃實施的保證。

1 水文地質條件

1.1 含水巖組及富水性

縣城規劃區面積 50 km2,屬黃泛沖積平原區,地勢平坦,地面標高 13m左右,地表分布的第四系全新統粉土、粉砂,有利于各種外源水入滲補給地下水。

據含水介質、地層時代,規劃區存在呈面狀分布的松散巖類孔隙水及北東一南西帶狀分布的 碳酸鹽巖類裂隙、溶洞水(巖溶水)。前者按其埋藏條件分為三個含水巖組。

I含水巖組：埋藏于地下 40m以內,賦存淺層孔隙水,含水層巖性為第四系全新統(Q4)粉土、粉砂及晚更新統(Q3)含鈣質結核亞粘土,厚度 5～20m。水位埋深 1.5～6.0 m,單井涌水量一般小于 500m3/d,孔隙潛水均受到不同程度的污染。

Ⅱ含水巖組：頂板埋深 35.28～55.60 m,底板埋深55.88～97.69 m。賦存中深層孔隙承壓水,是淮陰縣地下水主要開采層。含水層由 2～3層中下更新統(Q1-2)沖湖含礫中粗砂、中細砂組成,厚度 17.89～26.43m,單井涌水量 500～1000m3/d,規劃區東部大于 1000m3/d。目前,水位埋深一般大于 20m。I、Ⅱ含水層巖組無明顯的連續隔水層,兩者地下水水力聯系密切。

Ⅲ含水巖組：賦存深層孔隙承壓水,是鄰區淮陰市的主要供水層,本區內開采較少。含水層頂板 埋深大于 150 m,由上第三系下草灣組(NX)含礫泥質中砂、中粗砂及中細砂組成,厚度約 40m。單井涌水量S大于 1 000m3/d,水位埋深45.90～55.0m,已超采。

巖溶水：呈北東—南西帶狀賦存于震旦系灰巖、鈣質千枚巖裂隙、巖溶中。分布于規劃區中部,面積約 28.61 km2,巖溶水區第Ⅲ含水巖組缺失。巖溶含水層頂板埋深 86.21～167.85m,富水性不均,多受構造、巖性控制。水位埋深 4.55m。

1.2 中深層孔隙承壓水開采現狀及水位動態

中深層孔隙承壓水是淮陰縣地下水主要開采對象,其可采資源量為 681萬 m3/a。2002年開采量為 2.55萬 m3/a,平均水位標髙 8.49m;2009年開采量達 417.93萬 m3/a,剩余資源量為 263.07萬 m3/a。縣城及楊莊棉紡廠為東、西兩個集中開采區,隨著開采量的增加,供水井水位逐年下降(圖1),兩個集中開采區均已形成常年性水位下降漏斗。目前,中深層孔隙承壓水位標高 3.3～-15.50m,平均 -10.85m(表 1),比 2002年累計下降 1.49m。東、西兩集中開采區地下水下降率分別為 1.34m/a、1.89m/a。

圖1 中深層孔隙水開采量與水位相關圖

表1 中深層孔隙承壓水水位狀況表

2 地下水開采方案確定

2.1 方法及原理

在井群開采地下水時,各井間地下水位相互影響、削減,任一井點處的水位,均為評價區井群開采地下水復合影響的結果。其水位降 S是各井對其影響的水位降值 Si的迭加。故可表示為：

當長時間開采地下水時,(2)式可簡化為：

式中：Qi為 i井開采量,m/d;S為計算井點的水位降,m;ri為計算井點到 i號抽水井的距離,m;ti為計算時間,d;W(ui)為井函數;T為導水系數,m2/d;a為壓力傳導系數m2/d.

據規劃需地下水量,設計不同的地下水開采方案,用上列各式求得不同開采方案下各井點的水位降。通過方案對比達到優化地下水開采。

2.2 水文地質參數計算

水文地質參數亦采取干擾井群法計算

由(4)式得：

當評價區有 2個以上的供水井水位降深值已知時,即可用(4)式求得 T、a。

設 j、k井水位降深分別為 Sj、Si, 由(4)式得：

T、a用(5)式解方程得。

2號、9號供水井水位降分別為 21.0m、19.10m;水位埋深相應為 26.46m、25.52m,把表2 中有關資料代入(6)式得：

表2

解方程(7)得 T為 334.30m2/d;a為 1.59×106m2/d。用此作為干擾井群法確定地下水開采方案的水文地質參數。

3 確定中深層孔隙承壓水開采方案

3.1 開采方案

依干擾井群法計算原理,確定中深層孔隙承壓水開采方案,把 2015年規劃需要地下水量(比現狀增采 133萬 m3/d)為目標函數,且各開采方案 2012年全部得到實施。據縣城的規劃布局及供水井網的分布,擬定三種開采方案。

方案 I：增采地下水量,由現在建成區(東區)17眼井承擔,每眼井增采量為 215m3/d,2015年中深層孔隙承壓水平均水位標高-22.27m(表3 ),比 2009年水位降低 11.43m,下降率為 1.90 m/a,東、西區平均水位標高分別為 -22.62m,-21.27m,相應水位下降率為 2.18m/a、1.39m/a.

表3 2015年中深層孔隙承壓水位待征統計表

方案Ⅱ：增采地下水量,由全區 23眼井承擔,每眼井增采量為 160 m/d,2015年中深層孔隙 承壓水平均水位標高-21.90m,比 2009年水位降低 11.05 m,年下降 1.84 m;東、西區平均水位標高分別為 -21.35m、-23.47 m,相應水位下降率為 1.97m/a、1.53m/a。

方案Ⅲ ：區內供水井保持現狀開采水平,于小營、果林場地增加 6眼中深層孔腺承壓水開采 井,新增井每眼開采量為610m3/d,可達到 2015需增地下水量,2015年中深層孔隙承壓水平均水位標高 -19.78m,比 2009年水位下降 8.93 m,年下降 1.49 m;東、西區平均水位標高分別為 -19.26 m、-21.18m,相應水位下降率為 1.62m/a、1.17m/a。

3.2 開采方案對比及選擇

方案 I、Ⅱ便于實施,亦有利于縣城區的經濟發展,但均有東西區地下水位下降快、降幅大,部分供水井水位到 2015年已超過含水層頂板,可導致不良環境水文地質問題的產生,不利于縣城區地下水可持續開采。方案Ⅲ解決了地下水不均勻開采不足的問題,地下水位均高于含水層頂板 5 m。因此,以選擇方案Ⅲ開采地下水為佳,有利縣城區地下水可持續開采。

4 結語

干擾井群法適于井位集中,井數不多,且開采承壓水的中小城市可持續地下水開采方案的設計。在地下水資源評價中有較高的利用價值,淮陰縣城規劃區現有供水井地下水開采量保持不變,于小營、果林場地新增 6眼井保證 2015年規劃需地下水量方案較好,此地下水開采方案,有利于區內環境水文地質條件的保護、控制地下水位下降,可使中深層孔隙承壓水得到可持續全面開發。

[1]王麗亞等.北京平原地下水可持續開采方案分析.水文地質工程地質,2010,(1).

[2]趙云云.干擾群井基坑降水設計中的水位復核.勘察科學技術,2008,(2).

[3]邵艷等.干擾群井變流量非穩定井流計算分析.安徽建筑工程學報,2000,(3).

[4]薛禹群.地下水動力學(第二版).地質出版社,1997,9.