神火工業園備用水源地地下水資源計算與評價

唐石山，徐玲俊

(1.河南省地質礦產勘查開發局第十一地質隊，河南 商丘 476000;2.河南地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053)

神火工業園備用水源地地下水資源計算與評價

唐石山1，徐玲俊2

(1.河南省地質礦產勘查開發局第十一地質隊，河南 商丘 476000;2.河南地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南 鄭州 450053)

永城市神火工業園備用水源地地下水資源計算與評價主要是對中深層地下水允許開采量進行計算與評價，采用均衡法、解析法和開采抽水試驗法進行評價中深層地下水允許開采量，通過計算結果對比，地下水允許開采量差別較小，按水源地擬定的開采量開采是可行的。在現有開采條件下，水源地開采20 a中心井的最大井壁動水位埋深97.88 m，位于含水層頂板之上，故在規劃年限內開采1.80×104m3/d是可行的。因此，該水源地的允許開采量是完全可靠的。

水源地;計算;評價

永城市神火工業園備用水源地地下水資源計算與評價主要是對中深層地下水允許開采量進行計算與評價，允許開采量是指在限定的開采期內，開采井群中心管井動水位埋深在允許降深范圍內所獲得的最大開采量，且不發生環境地質問題。根據水源地中深層地下水的水文地質條件，其評價原則是:①開采期年限為20年;②開采井群中心管井動水位埋深不超過100 m;③開采地下水不致于產生地面沉降、水質污染、水源嚴重干擾等環境地質問題，④采用多種方法進行計算與評價。

永城市神火工業園備用水源地詳查陳官莊水源地采用均衡法、解析法和開采抽水試驗法進行評價中深層地下水允許開采量。

1 計算參數的確定

根據各類型抽水試驗所求得水文地質參數，陳官莊水源地計算采用 T=274.2 m2/d，μe=3.71 ×10－4，a=8.75 ×105m2/d，綜合考慮以陳官莊水源地探采井求取的水躍值為主，水躍值取平均值7.52 m。

2 均衡法計算中深層地下水允許開采量

2.1 地下水補給量的計算

2.1.1 水源地開采后補給帶寬度的確定

陳官莊水源地補給帶的寬度即開采后降落漏斗的周邊長度，只要求出陳官莊水源地開采后降落漏斗的半徑即可求出補給帶的寬度，水源地開采降

落漏斗為一近似圓形，其補給周長可由下式計算求得:

式中:C為補給周長(m);R為水源地影響半徑(m)

水源地的影響半徑R采用層流完整井裘布依承壓水“大井法”計算公式:

得

式中:R為影響半徑(m);K為滲透系數(m/d)，各孔抽水試驗平均值取2.34 m/d;M為含水層厚度(m)，取值39.0 m;Sw為水位降深(m)，取值48.64m(為開采15年的預測降深);Q為水源地開采量18 000 m3/d;rw為水源地概化為大井的半徑(m)，取值3 000 m。

通過解析法計算擬建水源地開采15年后，下降趨于緩慢(年降幅0.15 m)，可視為近似穩定，故開采時間(t)按15年計算。通過計算，陳官莊水源地開采后的影響半徑R=14 125.38 m。代入(1)式，求得補給周長為:

2.1.2 中深層地下水降落漏斗周邊徑流補給量

1)計算公式:

2)參數確定

B:地下水周邊徑流補給帶的周長，為88 707.39 m;

I:水力坡度，為漏斗周邊的平均水力坡度，取值為1/1 500;

T:導水系數(m2/d)，取值為:274.2 m2/d;

將以上參數代入(3):

2.2 可利用彈性儲存量的計算

區內中深層地下水水位埋深平均約為15.80 m，水源地設計動水位埋深為100 m，則地下水水位變幅(△s)為84.20 m。由下式計算可以利用彈性儲存量。

計算公式:

式中:Q彈儲為地下水可利用彈性儲存量(m3/d);F為計算面積(km2)，取值 3.14 ×14 125.382 m2;μe:彈性釋水系數，3.71 ×10－4;△s為水位變幅(m)，84.20 m;△t為計算時間(d)，365 ×20 d。

將以上參數代入(4):

2.3 地下水排泄量的計算

通過調查，內區及附近中深層地下水目前基本沒有開采，僅劉河礦有1眼供水管井，開采量約為200 m3/d。

2.4 地下水允許開采量的計算

由中深層地下水的補給、徑流和排泄條件，建立中深層地下水均衡方程。

計算公式:

式中:Q允為地下水允許開采量(m3/d);Q補為地下水補給量(m3/d);Q彈儲為地下水可利用彈性儲存量(m3/d);Q開為地下水現狀開采量(m3/d)

將以上參數代入(5)式:

2.5 地下水資源量評價

通過對陳官莊水源地中深層地下水均衡計算，水源地在開采條件下漏斗周邊補給量為16 215.71 m3/d，排泄量為200 m3/d，可動用設計動水位埋深范圍內的彈性儲存量2 680.97 m3/d，通過計算，陳官莊水源地中深層地下水允許開采量為18 696.68 m3/d，故陳官莊水源地按1.80×104m3/d開采是可行的。

3 解析法計算中深層地下水允許開采量

3.1 數學模型的概化及計算公式的選取

根據含水層結構、埋藏條件及含水層間的水力聯系，區內中深層地下水可以概化如下:

1)水流服從達西定律。

2)含水層為均質，各向同性的承壓含水層，底板水平且無限延伸。

3)假設初始水面基本水平。

4)抽水孔均為承壓完整井。

5)無越流補給。

根據概化處理，區內中深層地下水采用承壓完整井無越流泰斯公式計算。

a:單井無越流計算公式:

b:群井干擾無越流計算公式:

式中 S為某點的降深值(m);Q為出水量(m3/d);T為導水系數(m2/d);W(ui)為井函數;u為井函數自變量;μ為彈性釋水系數;t為抽水延續時間(d)

3.2 允許開采量的計算

3.2.1 開采方案的確定

根據陳官莊水源地探采井實際抽水資料，管徑Φ325 mm時，單位涌水量為 1.86～4.65 m3/h·m，換算成 20 m 降深時，單井出水量37.2～93.1 m3/h，設計單井出水量為 1 200 m3/d。

陳官莊水源地勘探孔均為完整井，中深層地下水含水層頂板埋深90～100 m，考慮目前抽水設備能力，本次水源地勘探設計動水位埋深按100 m考慮。

3.2.2 水位下降值計算

水源地在井群干擾抽水條件下，設單井出水量不變，水位則因各井同時抽水相互干擾而下降，因而在設計井數時，只考慮水位的削減，而不考慮水量的減少。

通過對本區中深層地下水實際開采量、神火工業園區水源地、陳官莊水源長觀資料及葛店煤礦生活飲用供水井的水位調查，地下水水位年下降速率為0.22 m，目前周邊僅有神火工業園水源地集中開采中深層地下水，允許開采量為15 000 m3/d，位于陳官莊水源地西南12 km處及陳集水源地東南13 km處，因而在計算周邊開采對該水源地的影響降深時，僅考慮神火工業園區水源地的影響，其余按下降速率遞增。

依據水源地井位布設方案，計算20年內不同時間中心井(陳官莊水源地S5探采井和陳集水源地3號井)的最大動水位埋深(見表1)。

區內中深層地下水屬消耗型水源地，在現有開采條件下，陳官莊水源地開采20年中心井(S5探采井)的最大井壁動水位埋深97.88 m，在目前深井抽水設備允許降深范圍內和井壁動水位埋深位于含水層頂板之上，在規劃年限內開采1.80×104m3/d是可行的。

4 開采試驗法計算中深層地下水允許開采量

4.1 計算公式的選取

本次開采性抽水試驗是按設計允許開采量18 000 m3/d的開采條件進行試驗的，參加抽水試驗的探采結合孔共13眼，抽水延續時間為 30 d，恢復水位 10 d，平均總出水量為16 802.4 m3/d，為設計開采量的93.3%，滿足規范要求。

在抽水第14 d后，水位變化微小，短時間內趨于穩定，長時間看處于微小等幅下降趨勢，至抽水結束，平均下降速率每日0.10 m，故允許開采量計算采用下式:

式中:Q抽為試驗的抽水量(m3/d);Q補為開采條件下的補給量(m3/d);△s為△t時間段的水位下降值(m);μF為水位下降1 m時消耗的儲存量，簡稱單位儲存量(m3/m)。

計算方法是用不同的抽水量及水位降速資料，分別代入(9)式解聯立方程可求出 μF和 Q補。本次計算采用不同的抽水量Q抽1和Q抽2及對應的水位降速和可建立聯立方程式:

計算 Q補后，即可求出 Q允開:

表1 陳官莊水源地中深層地下水擬定開采方案地下水水位下降值一覽表

4.2 允許開采量的計算

4.2.1 補給量的計算

根據抽水試驗資料，水位開始等幅下降劃分為三個時段，各時段平均水量及平均降速見表2。

表2 開采性抽水試驗結果表

利用表2中的資料可列出3個方程式:

解聯立方程求得平均補給量(Q補)為16 613.03 m3/d。

4.2.2 水源地開采后補給面積的確定

陳官莊水源地補給面積即水源地開采后降落漏斗的范圍，只要求出開采后(20年)的影響半徑即可計算出補給面積，水源地近似圓形，其補給面積按下式計算:

水源地影響半徑采用層流完整井裘布依承壓水“大井法”計算公式:

式中:R為影響半徑(m);K為滲透系數(m/d)，各孔抽水試驗平均值取2.34 m/d;M為含水層厚度(m)，取值39.0 m;Sw為水位降深(m)，取值48.64 m(為開采15年的預測降深);Q為水源地開采量18 000 m3/d;rw為水源地概化為大井的半徑(m)，取值3 000 m。

通過解析法計算，陳官莊水源地開采15年后，下降趨于緩慢(年降幅約0.15 m)，可視為近似穩定，故水位降深(Sw)采用15年的水位降深值48.64 m。將以上數據代入公式(14)求得水源地開采后的影響半徑 R=14 125.38.0 m。

根據(13)式，求得補給面積為:

4.2.3 彈性儲存量的計算

區內中深層地下水靜止水位埋深平均為15.80 m，水源地勘探設計動水位埋深按100 m考慮，則在規劃年限(20年)內，地下水位變幅(△s)為84.20 m。

由下式計算:

4.2.4 地下水現狀排泄量

通過調查，內區及附近中深層地下水目前基本沒有開采，僅劉河礦有1眼供水管井，開采量約為200 m3/d。

4.2.5 地下水允許開采量的計算

由中深層地下水的補給、徑流和排泄條件，建立中深層地下水均衡方程。

計算公式:

式中:Q允為地下水允許開采量(m3/d);Q補為地下水補給量(m3/d);Q彈儲為地下水可利用彈性儲存量(m3/d);Q開為地下水現狀開采量(m3/d)。

將以上參數代入(15)式:

通過計算，水源地在開采條件下形成降落漏斗，周邊補給量為16 613.03 m3/d，排泄量為 200 m3/d，故需動用設計動水位埋深范圍內的彈性儲存量，通過計算地下水允許開采量為 19 094.0 m3/d，故擬建水源地按 1.80×104m3/d開采是可行的。

5 結論與建議

不同方法的計算結果較為接近，水源地投產后，每日按擬定開采量1.80×104m3/d開采是可行的。

對中深層地下水實行全面統一規劃，應加強對地下水的動態監測工作，以掌握地下水水量、水位、水質動態變化 趨勢，進一步論證開采區水資源的可靠程度。

［1］水文地質手冊.編寫委員會［M］.水文地質手冊(第一版).地質出版社.1985.

［2］房佩賢等.專門水文地質學［M］.北京:地質出版社.2005.

［3］劉兆昌等.供水水文地質(第三版)［M］.北京:中國建筑工業出版社.2000.

［4］馮億年等.河南省永城市神火工業園區陳官莊水源地供水水文地質勘探報告.2005.

Calculation and Evaluation on Groundwater Resource of The Shenhuo Industrial Park Reserve Water Source

TANG Shi－shan，XU Ling－jun
(1.11th Geological team，Exploration and Development Bureau of Henan provincial Geology＆ Mineral Resources，Shangqiu 476000，Henan;2.The Geological team of the 2nd hydrogeological Engineering，Exploration and development bureau of Henan provincial Mineral Resources，Zhengzhou 450053，Henan)

The calculation and evaluation of groundwater resources in the reserve－water－ source of Shenhuo industrial park in Wing city mainly confirm how much the allowable withdrawal quantity of the middle and deep groundwater is.Using the balance method，the analytical method and the exploitation pumping test method，the paper evaluates deep groundwater allowable withdrawal volume. Contrast to the calculating results，the difference of the allowable groundwater exploitation quantity is little. The proposed exploitation quantity according to the source situation is feasible. The water exploitation for 20 years，the maximum sidewall dynamic water level of the central well is depth of 97.88 m，located above the aquifer roof，the exploitation in the plan is 1.80 × 104m3/d. Therefore，it allows the extraction of the water source is completely reliable.

The water－resource place;to calculate and to evaluate

P641.2

A

1004－1184(2012)05－0059－03

2012－06－11

唐石山(1975－)，男，湖南東安人，工程師，主要從事水文地質、工程地質及環境地質工作。