遼陽市某建設工程地下水可開采量計算及其方案設計研究

2017-12-15 09:19:39宋景峰

水利技術監督 2017年5期

宋景峰

宋景峰

（遼寧省鞍山水文局，遼寧鞍山 114000）

水源熱泵技術作為一項可再生能源技術正逐漸被各大城市采用和深入研究，但是，該技術必須利用所在區域的地下水進行循環實現建設項目能量循環利用，因此，地下水可開采量以及可利用量逐漸成為地區建設項目能否實現可持續科學發展的關鍵。文章基于遼陽市健身大廈建設項目為工程依托，利用現場抽水和回灌試驗方法對該地區的地下水含水量進行了計算，確定了含水層滲透系數、回灌滲透系數、等效半徑和地下水涌水量等參數指標，根據地下水徑流量計算結果對地下水的開采利用情況進行了均衡分析，結果證明建設項目的地下水開采處于均衡狀態。研究過程中，對地下水的開采情況進行了方案設計，計算了抽水井干擾出水量、回灌井單井干擾回水量等，驗證了游泳館、訓練館水源熱泵系統可開采水量的科學性和可行性。

地下水；可開采量；回灌量；設計方案

21世紀我國建設工程取暖問題已經由傳統的煤炭燃燒、煙氣排放、燃料堆放等污染情況逐漸向可持續健康綠色發展方向轉變［1-2］，水源熱泵技術作為一種比較理想的新技術已然在建設項目中的應用越來越廣泛［3］。新技術、新設備的發展必然會帶來新一輪技術的革新和研究［4］。針對于地下水水源熱泵技術方面：李璇，束龍倉，CHENXunhong等專家學者［5］研究了兩國地下水資源開采、利用和治理情況，揭示并理論分析了多年地下水用水量的變化規律；裴宏偉，王彥芳，沈彥俊等［6］對美國的地下水超采和污染情況進行了研究，倡導采用新技術、新設備、新方法科學合理利用地下水資源。而對于水源熱泵系統的研究，邱洋［7］以大商集團撫順百貨大樓為例，對水源熱泵系統取水、用水等地質、水文、抽水試驗、數據計算等參數和結果進行了分析；江劍，董殿偉［8］對我國部分地區水源熱泵系統工作時溫度場、區域流場、地質環境以及對周邊的居民影響情況進行了統計，提出了水源熱泵項目建設過程中存在的諸多問題及其解決措施，為建設項目的綠色健康發展奠定了理論和數據支撐。

遼陽市健身大廈水源熱泵空調項目位于遼陽市中心路新體育場東側，規劃占地面積10450m2，總建筑面積 12659.07m2，游泳館和健身館面積為8604.46m2，訓練館面積為2234.42m2。建設項目施工過程中擬建5眼抽水井、9眼回灌井以滿足地下水提取需求，并且要求系統運行最大負荷時，游泳館需水量為204m3/h和訓練館需水量為78.5m3/h的用水要求，地下水位應滿足現有水泵技術能力的要求。鑒于以上研究目標，特對遼陽市地下水含水量及其可開采量情況進行分析，對建設項目所在地區地下水可開采量情況進行詳細計算，分析地下水的開采、回灌平衡關系，對地下水的開采設計方案等進行可行性的研究和驗證，以確保地下水量滿足建設項目所需水量的要求。

1 工程地質概況

太子河沖洪積扇發源于山前出口位置，基底地勢東高西低，呈簸箕狀；含水層自東向西粒徑顆粒組成明顯，由粗大軟石向砂含礫石逐漸過渡，具有較強的導水及其儲水能力；基巖埋藏較深，第四系覆蓋層厚度大，自下而上逐漸由卵石層向粘性土及砂層過渡。建設項目區域位于太子河沖洪積扇上，地表分布有6～8m的黃褐色亞砂土，富水巖層多為砂和礫石等。該區域地勢較低，地面起伏較小，大氣降雨能夠直接進行補給，兩側丘陵區域地表徑流水量補給，以及上游段水源補給等，地下水埋藏深度在7～15m，且地表面的80%被建筑物和道路覆蓋，主要人工開采有遼陽自來水、鞍山自來水、鞍鋼公司及工業自備井開采，以及農業灌溉和居民生活用水開采等，地下水含量豐富。如圖1所示為建設工程區地下水位等值線圖。

圖1 建設工程區地下水位等值線圖

2 地下水可開采量計算

2.1 參數分析確定

2.1.1 抽水試驗及其參數計算

通過現場抽水和回灌試驗對地下水可開采量進行研究，具體操作為在現場工作區范圍內鉆探試驗井完成，其中觀測和試驗主要工具包括：電測水位計、大功率潛水泵及其水表等［9］。試驗過程中的滲透系數及其影響半徑等參數由公式（1）和公式（2）進行計算可得，試驗數據和計算的結果見表1，S～Q關系曲線圖如圖2所示。

式中，k—滲透系數，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半徑，m；S—穩定動水位降深，m。

表1 抽水試驗計算成果表

圖2 抽水試驗曲線圖

2.1.2 回灌試驗及參數計算

回灌試驗采取同時抽灌方式、自然滲透方法注水進行，引進DUPUIT公式計算回灌滲透參數，并對井水位升高值、回灌水量等參數進行監測［10］。具體見公式（3）和公式（4），數據采集及其計算結果見表2。有公式和計算結果可知，含水層及其回灌滲透系數分別為：K=71.06m/d和K′=33.24m/d。

式中，K—回灌滲透系數，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—回灌水量，m3/d；r—回灌井半徑，m；S—穩定動水位降深，m。

表2 數據計算結果統計表

2.2 地下水可開采量計算

結合本地區地下水開采方案，本區域地下水資源論證采用疏干降水法，計算按疏干降水4.0m計［11］。地下水量采用公式（5）進行計算：

式中，Q—涌水量；K—滲透系數，m/d；r0—等效半徑，m；H—含水層厚度，m；R—降水影響半徑，m。

等效半徑見公式（6）：

式中，A—評價區面積。降水影響半徑通過公式（7）進行計算， R=290.1m。

代入公式（5）得，r0=57.7m；代入公式（6）得，求出涌水量Q。

因此，對于該地區路北公共綠地長 ×寬=180m×50m=9000m2。按疏干降水4m計算，r0=53.5m， Q=663m3/d。

3 地下水均衡計算

3.1 地下水徑流量

根據公式

式中，Q流—地下水徑流量，m3/d；B—含水層斷面寬度，1000m；K—滲透系數，m/d；I—地下水水力坡度；H—過水斷面含水層平均厚度，m。

計算地下水水利坡度參數及其計算結果見表3。

表3 水力坡度計算成果統計表

3.2 地下水均衡計算

地下水均衡關系按公式（8）計算，計算結果見表4。

式中，ΔQi—年地下水補給量與地下水消耗量均衡差，m3/a；K—開采系數，取0.9；Q排—年地下水綜合排泄量，m3/a；Q耗—地下水開采量，m3/a。

表4 地下水均衡計算結果統計表

通過以上計算，對地下水消耗量和補給量均衡差、開采量及其綜合排泄量進行了計算，分析后發現ΔQi=KQ排-Q耗=4.0752×106m3/a，地下水補給量遠大于消耗量，地下水開采成正均衡關系，即滿足建設項目地下水資源取用水需求。

4 地下水量開采方案設計

4.1 設計成井技術指標

設計井徑1000mm，井管直徑406mm，壁厚7mm，井深30mm左右，濾水管根據地質層位在15～30m之間，長度15mm。回灌井的濾水管根據地質層位在15～30m之間，長度20mm。濾水管采用φ406mm螺旋鋼管加工為條形過濾器，孔隙度達到15%～20%。

4.2 抽水井干擾出水量的計算

根據現場水文地質資料，結合工程現場的實際情況，在地下水位90%頻率條件下計算多孔干擾情況下的單井出水量［12］。計算公式見公式（9），出水量計算結果見表5。

式中，a—抽水井間距的一半，m；L—影響半徑的二倍，m；K—滲透系數，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半徑，m；S—穩定動水位降深，m。

表5 計算數據及其出水量計算結果統計表

根據公式（10）及其表5計算結果，含水層厚度為18.5m，抽水井間距達到45m時，Q單井=80m3/h＞78.5m3（訓練館最大需水量）， Q每天=1888m3。在工程建設過程中，若保證三口供水井同時工作，則每小時總出水量為：78.6×3=235.8m3，約為236m3＞204m3（游泳館最大需水量的要求）。因此，抽水井干擾出水量滿足工程建設要求。

4.3 回灌井單井干擾回水量計算

根據公式（10）計算多孔干擾情況下單井回水量，計算結果統計見表6。

式中，K′—滲透系數，m/d；R—回灌井影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q′—單井干擾回灌量，m3/d；r—回灌井半徑，m；S′—回灌井水位壅高值，m。

表6 計算數據及回水量計算結果統計表

建設項目施工過程中，由于在建工程及其現場施工環境的復雜性影響，選取該系統回灌井最不利情況進行研究，考慮系統的維修預留空間情況，因此，在埋深為5.57m以及90%保證率條件下，地下水上升高度按照最大計為37.5m。根據表6計算結果可知：含水層達到23m時，井內水位上升高度hmax=3.75m，單井的干擾回灌量為44.7m3/h，按照回水井為5眼進行設計，游泳館的總回灌量為223.5m3/h＞204m3/h（滿足項目回灌量的要求）。此外，項目訓練館按照回水井2眼進行設計，計算總回灌量為89.4m3/h＞78.5m3/h（滿足項目回灌量的要求）。

4.4 設計方案可行性分析

通過以上研究發現：擬建設項目需水量最大為游泳館和訓練館，分別為 204m3/h和 78.5m3/h，而該地區地下水可開采量達到684m3/h和661m3/h，完全滿足建設工程的用水需求。因此，建設項目新技術的實施對地下水量影響較小。此外，該新設備系統采用了氣-水分離技術、微機調頻供水技術和溫控技術等，幾乎不會對地下水造成浪費和污染。地下水量可開采量方案設計用水工藝及節水措施處于國內和同行業較先進水平，不僅可減少潛水泵的過剩消耗，還能對建設項目所在地區的地下水環境產生較好的保護作用。

結合以上兩方面進行分析可知，本項目設計取用水方案合理，具有較強的可行性。

5 結語

本文基于遼陽市健身大廈建設項目為研究背景，通過現場抽水和回灌試驗對該地區地下水可開采量進行了計算，確定了含水層滲透系數、回灌滲透系數、等效半徑、地下水涌水量等參數，抽水試驗SQ曲線關系，對地下水的開采利用情況進行了均衡分析，研究表明：地下水開采成正均衡關系，即滿足建設項目地下水資源取用水需求。基于以上參數指標設計了地下水量的開采設計方案，通過計算抽水井干擾出水量、回灌井單井干擾回水量，研究發現：該設計方案能夠滿足建設項目地下水量開采及其用水需求，具有較好的適用性和推廣應用價值。

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