陜北佳縣木頭峪水源地管井開采方案設計

鄭新崳

摘 要：木頭峪水源地的建成、運行能夠有效緩解陜北佳縣的水資源供需矛盾。研究區內第四系厚度多在10～15 m之間，所以，可以考慮采用管井開采方式開采區內地下水。為了減少水源地的建設運行成本，保證出水量比較大，在統計、分析了研究區水文地質條件的基礎上，建立了研究區地下水流數值模型。根據單井開采量的不同和開采井間距的不同，共設計出了9種可行的管井開采方案，并對比、分析了各可行方案的模擬結果。綜合考慮了出水量、降深等因素，確定的優選方案為：開采井間距100 m，單井開采量700 m3/d，總開采量10 500 m3/d。

關鍵詞：二維數值模型；管井；方案設計；單井開采量

中圖分類號：P641.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.005

陜西省榆林市佳縣水資源嚴重短缺，水質較差，而其境內的木頭峪水源地坐落于黃河漫灘上，地表水可補給地下水資源，并且水力交替快，水質良好。此水源地的建成、運行能夠在很大程度上緩解研究區的水資源供需矛盾，還可以為佳縣境內正在規劃建設的王家砭工業園區輸送數量可觀的優質水資源。為此，如何制訂合理的開采方案，降低水源地的建設運行成本，同時，還要保證有較大的出水量和較高的供水保證率，這已經成為了水源地建設前亟需解決的問題。

1 水文地質條件

木頭峪水源地位于黃河河漫灘上，含水層為第四系沖積層和風化基巖構成的統一含水巖組。其中，第四系沖積層含水層巖性為砂卵礫石、中粗砂等，孔隙率大，與下部基巖含水層間無相對隔水層存在。該含水層受地表水的補給作用比較明顯，含水層富水性豐富，并且水質較好，具有集中開采的價值，再加上地形地貌特征為其提供了較好的開采條件，可用于大規模開采。根據收集的水文地質資料，研究區含水層厚度多在10～15 m，平均厚度為11.2 m，可以考慮采用傍河管井取水結構開采地下水。

2 地下水流二維數值模型

研究區東部邊界為黃河，在未開采的條件下，地下水流場將由天然條件下的排泄改為接受地表水體反向補給，所以，將東部邊界概化為第三類河流邊界。北、西、南三邊界以黃土層為界，該層水平滲透性較差，概化為隔水邊界。研究區底部邊界為中、微風化基巖，巖體比較完整，透水性較差，可將其概化為隔水邊界。研究區頂面為潛水面，存在大氣降水、蒸發等補給、排泄的作用，可概化為潛水面邊界。

研究區擬采用管井方式開采地下水，地下水流服從達西定律。由此可建立研究區地下水二維非穩定流數學模型：

式（1）中：x，y為坐標，m；h為地下水位，m；μ為潛水含水層給水度；K為含水層滲透系數，m/d；t為時間，d；Kr為河流底質層垂向滲透系數，m/d；Mr為河流底質層厚度，m；n為研究區邊界外法線方向；Γ2為第二類邊界；D為此次計算區的范圍。

由上述數學模型可知，此次計算將采用國際上通用的地下水流數值模擬軟件Modflow模擬研究區地下水流。為了方便建立模型，將模型區沿逆時針旋轉45°后采平行于X軸、Y軸等間距網格剖分，共剖分為186行、498列、68 305個活動單元，代表面積約1.708 km2。

根據模型區1∶1萬數字高程模型（DEM）可獲得模型區地面標高，如圖1所示。地面以下40 m為風化帶范圍，即同一含水體的范圍，也是計算范圍。

圖1 計算區數字高程模型（DEM）影像圖

根據含水層在空間上的分布特征，將木頭峪水源地劃分為2個參數區，并且根據區內含水層參數計算相關結果。各水平向滲透系數分別為0.977 m/d和12.303 m/d，垂向滲透系數分別為4.127 m/d和6.000 m/d。

3 開采方案設計

根據勘查資料可知，受含水層泥質含量的影響，宜在研究區下游黃河岸邊布設開采井，所以，應在該地段選擇合適的位置設置井排進行開采。

3.1 設計原則

管井開采方案設計的原則是：抽水量盡可能大，研究區最大水位降深不得超過含水層厚度的1/2，供水保證率盡可能高，運行管理成本盡可能低。

3.2 可行方案

該區管井開采擬采用定流量抽水，考慮到井間干擾會對各個開采井的水位降深產生影響，所以，根據開采井數量、井間距設計了不同的開采方案。井位置布設圖如圖2所示。

根據富水性等級可以確定不同地段開采井的合理抽水量，研究區的富水性分區如圖3所示。對比圖2和圖3可知，布井地段基本屬于同一個富水性等級，所以，可以將布設井抽水量統一分類設計，參照含水層滲透性特征，設計了600 m3/d、700 m3/d和800 m3/d共3種單井開采量。

圖2 木頭峪管井布井位置圖

圖3 木頭峪水源地富水性分區圖

由此可知，按井間距的不同和單井開采量的不同設計了9種開采方案，如表1所示。

表1 木頭峪水源地管井設計方案（開采量單位：m3/d）

3.3 方案優選

將各個可行方案在平水期進行穩定流模擬，得到了各開采方案下的最大降深和總出水量，如圖4所示。

圖4 各方案最大降深與總開采量關系圖

由計算結果可知，各開采井水位降深隨著總開采量的增大而增大，小單井開采量方案比較大，井開采量方案降深幅度小，這說明適宜采用多數量的小單井開采量方案。所以，采取方案8開采研究區內地下水可得到比較好的結果，即采用M2、M4、M6、M8…M40共15眼開采井，單井開采量為700 m3/d，總開采量為10 500 m3/d。在推薦方案的作用下，地下水穩定降深場如圖5所示。

以上都是在平水期進行穩定流模擬的結果，并未考慮枯水期地表水位下降對開采方案造成的影響。所以，采用管井開采的非穩定流數值模型模擬方案8在枯水期地下水流場的特征，

模擬期為60 d。將平水期模擬的穩定流場作為該模擬的初始流場，地表水邊線參照枯水期監測資料確定。將預定方案代入非穩定流計算模型，模擬結果如表2所示。根據計算結果可知，在枯水期，該方案抽水降深雖然比平水期穩定降深有一定的增大，如圖6所示，但是，在不發生大的水位降深的情況下，仍能達到預定的開采規模。這表明，方案8在枯水期可以滿足開采要求。

圖5 平水期管井推薦方案末刻降深圖

綜合考慮管井出水量、降深等因素，當采用管井開采區內地下水時，在木頭峪模型區推薦采用井間距為100 m，總井數15眼，單井開采量為700 m3/d的開采方案，建議開采量為10 500 m3/d。此時，雖然最大降深比平水期有所增加，但是，僅略微大于含水層厚度的1/2（含水層厚11.2 m），并且枯水期持續時間比較短，短期內以10 500 m3/d的開采強度開采不會引發明顯的環境地質問題。

4 結論

在對研究區水文地質條件進行比較詳細的分析的基礎上，建立了研究區的地下水流二維數值模型。根據單井開采量的不同和開采井間距的不同，共設計了9種可行的管井開采方案，并分別在平水期和枯水期模擬了地下水流二維數值。對比、分析了各可行方案的模擬結果，綜合考慮了出水量、降深等因素，確定了優選方案作為設計開采方案。

參考文獻

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