鄭州雁鳴湖地區地下水資源群抽試驗分析

董永立 繆曉涓

(1.鄭州市水利建筑勘測設計院，河南鄭州 450006;2.鄭州市引黃灌溉工程管理處，河南鄭州 450045)

1 概述

鄭州雁鳴湖地區位于鄭州市中牟縣北部，區劃總面積32.21km2，是“鄭汴一體化”、“中原城市群”與“中部崛起”的重要組成部分，是集居住、工業、辦公、商貿、休閑為一體的生態型新城區。該地區規劃新建一座自來水廠，設計日取水量9980m3，供水水源為地下水，共布置6眼抽水井和1眼備用井。

為查明地下水資源的儲藏量和可開發利用量，鄭州市水利建筑勘測設計院于2009年8月開始對該地區進行水源地地下水位動態監測。并于2010年8月至2011年12月進行了野外水文地質調查、水文地質物探、水文地質鉆探、抽水試驗和水質分析等工作。布置100m和500m深的水文地質孔各4孔，觀測孔各2孔。根據所取得的基礎資料，采用均衡法和解析法對地下水資源量分別進行了分析計算，論證是否滿足自來水廠用水需求。

2 參數確定

2.1 潛水含水層抽水試驗水文地質參數的確定

潛水含水層抽水試驗主要為穩定流抽水試驗，采用潛水Dupuit公式進行計算:

式中 K——滲透系數，m/d;

Q——穩定出水量，m3/d;

H——含水層厚度，m;

S——水位降深，m;

R——影響半徑，m，根據單位涌水量法查表而得，并用經驗值修正;

r——鉆孔或過濾器半徑，m。

計算結果見表1。

表1 潛水穩定流抽水試驗求參成果

2.2 承壓含水層抽水試驗水文地質參數的確定

2.2.1 穩定流抽水試驗

承壓含水層穩定流抽水試驗，采用承壓井Dupuit公式進行計算:

式中 K——滲透系數，m/d;

Q——穩定出水量，m3/d;

M——承壓含水層厚度，m;

Sw——水位降深，m;

R——影響半徑，m，根據單位涌水量法查表而得，并用經驗值修正;

rw——抽水孔半徑，m。

計算結果見表2。

表2 承壓水穩定流抽水試驗求參成果

2.2.2 非穩定流抽水試驗

此次承壓含水層非穩定流抽水試驗選擇S3作為抽水井，G1作為觀測井，鉆孔基本情況見表3，根據調查，區域內深層水接受中層水補給，同時考慮弱含水層的彈性釋水，采用配線法進行水文地質參數計算。

表3 抽水孔、觀測孔基本情況

利用抽水試驗觀測孔G1時間降深數據在雙對數坐標紙上繪制 S－t曲線，與 W(u，β)－標準曲線擬合，選配合點，取坐標值，結果見表4。

表4 配線法計算成果

2.3 水文地質參數的確定

考慮當地的水文地質條件以及計算的精度，結合區域抽水試驗求參的成果，此次資源量計算選用的含水層及弱透水層水文地質參數如下:

a.潛水含水層的滲透系數取5.39m/d，含水層厚度取區域平均值55m，給水度0.08。

b.承壓含水層的滲透系數取3.67m/d，導水系數240.22m2/d，貯水系數 2.78 × 10－3，導壓系數 8.64萬m2/d。

弱透水層垂向滲透系數取2.15×10－3m/d，貯水率4.16×10－6L/m。

3 解析法分析

3.1 布井方案

雁鳴湖示范區水源地深層水擬開采地下水9980m3/d，主要開采的是250～500m深度之間的承壓水。水源地抽水井垂直地下水流向布置，布置6口抽水井，井距大于800m，呈西北—東南方向，每口井的抽水量均為1663.3m3/d。水源地布井方案設計見下圖。

水源地深層布井方案圖

3.2 含水層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，區內深層地下水可概化為:地下水流服從達西定律;含水層為均質各向同性的承壓水含水層，底板水平且無限延伸;假設初始水層基本水平;抽水井均為承壓完整井;有越流補給，并考慮到弱透水層釋放彈性儲量，相鄰含水層的水頭保持不變。

根據概化處理，區內深層地下水在長期抽水過程中，中心井水位降深可用泰斯井流疊加公式計算:

上式中 S——某點的降深值，m;

Q——單井出水量，m3;

T——導水系數，m2/d;

W(u，β)——井函數;

u——井函數自變量;

t——抽水延續時間，d;

r——抽水井至任意一點的距離，m;

a——壓力傳導系數，m2/d。

3.3 水位降深計算及結果分析

采用上式疊加計算，水源地深層地下水增開9980m3/d后，開采1年、5年、10年、15年、20年中心井和邊緣井水位降深見表5、表6，水源地開采20年中心開采井地下水位降深為7.27m，邊緣井地下水位降深為6.31m。由此可以看出，水源地開采10年以后，地下水水位趨于穩定，補、排達到新的平衡。因此，水源地9980m3/d的開采量是有保證的。

表5 水源地深層井群井抽水時中心井水位降深

表6 水源地深層井群井抽水時邊緣井水位降深

4 水量均衡法分析

4.1 均衡區的建立及均衡期選取

此次均衡法評價選取平水年條件對深層地下水資源進行計算。均衡期為1年，均衡區即為此次論證范圍區域，面積324.5km2。區域內地下水補給項為側向徑流補給、越流補給，排泄項為水源地開采。

4.2 均衡方程的建立

依據水均衡原理，結合該區深層地下水的補給、徑流、排泄條件，建立均衡方程如下:

其中

以上式中 Q補——地下水總補給量，萬m3/a;

Q排——地下水總排泄量，萬m3/a;

μ*——貯水系數;

F——均衡區面積，km2;

Δt——均衡時間段長，a;

ΔH——與Δt對應的水位變幅，m;

Q開——水源地開采量，萬m3/a;

Q側——側向徑流補給量，萬m3/a;

Q越——越流補給量，萬 m3/a。

4.3 現狀年深層地下水資源評價

4.3.1 補給量

a.側向徑流補給量。根據地下水位等值線，運用達西定律計算側向徑流補給量，公式如下:

式中 Q測——含水層的側向流入流出量，萬m3/a;

K——邊界附近含水層的滲透系數，m/d，取3.67m/d;

M——含水層的厚度，m，取69m;

L——邊界的長度，m，取15500m;

I——邊界附近的地下水水力梯度，根據地下水位降深，參考地下水流場圖確定，取0.001。

經計算，側向徑流補給量為143.26萬m3/a。

b.越流補給量。現狀條件下，深層地下水位低于中層地下水位，因此抽水時，中層地下水通過越流補給深層地下水，越流量計算公式如下:

式中 Q越——含水層越流補給量，萬m3/a;

Δh——含水層的水位差，取區域平均值0.25m;

F——計算面積即水源地范圍內面積，取324.5km2;

Δt——計算時間，即均衡期。

經計算，現狀條件下含水層越流流入量為444.16萬m3/a。

4.3.2 排泄量

深層地下水的排泄量主要為側向流出，根據地下水流場狀態，運用達西定律計算側向徑流排泄量，其中邊界附近含水層的滲透系數取3.67m/d，含水層的厚度取69m，邊界長度取30500m，邊界附近的地下水水力梯度，根據地下水位降深，參考地下水流場圖確定，取0.002。

經計算，側向徑流補給量為563.82萬m3/a。

4.3.3 均衡結果分析

通過以上分析計算，深層含水層現狀條件下總補給量為587.42萬 m3/a，排泄量為563.82萬 m3/a，地下水處于正均衡狀態，均衡差為23.61萬m3/a。

4.4 開采條件下地下水資源評價

4.4.1 補給量

a.側向徑流補給量。根據解析法知，水源地開采影響范圍大于此次勘察區。因此，開采條件下，地下水側向徑流補給量明顯增大。根據開采條件下地下水流場狀態，運用達西定律計算側向徑流補給量，其中補給邊界長度增加為22000m，根據開采條件下地下水位降深，參考地下水流場圖，地下水水力梯度取0.0015，其他參數同前。

經計算，開采條件下，深層地下水側向徑流補給量為305.02萬 m3/a。

b.越流補給量。開采條件下深層地下水位下降，低于中層地下水位，接受中層地下水越流補給，計算得出含水層越流流入量為479.69萬m3/a，其中含水層水位差取區域平均值0.27m，其他參數同前。

4.4.2 排泄量

a.側向流出量。水源地開采條件下，地下水側向流出量明顯減少，流出量為424.49萬m3/a，其中補給邊界長度減少為25500m，根據開采條件下地下水位降深，邊界附近的地下水水力梯度取0.0018，其他參數同前。

b.開采量。深層地下水的排泄量主要為設計的水源地開采量9980m3/d，即364.27萬m3/a。

4.4.3 均衡結果分析

通過以上分析計算，深層含水層開采條件下總補給量為784.71萬m3/a，總排泄量為－788.76萬m3/a，地下水處于負均衡狀態，均衡差為－4.05萬m3/a。水源地的開采動用了一定的儲存量，即含水層的彈性釋水量和弱透水層的彈性釋水量，水源地屬于消耗性水源地。

4.4.4 彈性儲存量

彈性儲存量的變化采用下式計算:

式中 Q彈——含水層和弱透水層彈性釋水量，萬m3/a;

其他符號意義同前。

計算中，承壓含水層彈性釋水系數取2.78×10－3，年水位變幅取0.2m。經計算，含水層彈性釋水量為18.04萬 m3/a。

5 結論

分析表明:水源地開采20年，中心開采井地下水位降深為7.27m，邊緣井地下水位降深為6.31m，地下水位處于含水層頂板之上，水源地深層含水層的規劃開采量是有保證的;深層含水層現狀條件下總補給量為587.42萬m3/a，排泄量為563.82萬m3/a，地下水處于正均衡狀態，均衡差為23.61萬m3/a;開采條件下總補給量為784.71萬m3/a，總排泄量為－788.76萬m3/a，地下水處于負均衡狀態，均衡差為－4.05萬m3/a。水源地開采主要靠的是激發地下水側向流入量及越流補給量，襲奪地下水側向流出量，動用了一定的儲存量，水源地屬于消耗性水源地。