綏中縣沿海地區地下鹽水開采模式研究

孟曉路

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003；吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021)

綏中縣位于環渤海經濟帶，海岸線長達105km，多處灘涂蘊藏著豐富的地下鹽水資源，發展工業化鹽水養殖有著得天獨厚的區位優勢，且海水養殖尚有較大的發展潛力。但由于海水養殖等一系列的地下水開采活動導致了地下水位下降、海水入侵等環境問題[1]。如何能夠合理利用咸淡水資源，又不加劇海水入侵的程度，或者能夠緩解海水入侵惡化的趨勢成為現階段研究的熱點問題，其中地下咸淡水的開采方式是關鍵的環節。

目前，地下水的開采方式包括多種類型，有常規管井集中或分散開采，利用廊道、輻射井、滲流井等水平井取水工程開采[2]。與管井相比，非管井集水建筑物在地下水開發利用及水環境修復中的應用日益增多并以其高產、高效、低耗、好管理、供水總體成本相對較低等眾多優勢，但非管井取水工程結構復雜，建設成本較高，技術不成熟[3- 8]。開采方式的選擇需要綜合考慮多方面的因素，在符合當地水文地質條件情況下，最終選取的開采方式不僅在經濟上要合理，技術上可行，能夠滿足現在及未來發展的需求，而且還必須避免因過量開采導致的環境問題及次生災害[9]。本研究旨在為綏中縣擬建三文魚養殖場區科學選址提供依據，并探討在場區抽取地下鹽水能否引起海水入侵的加劇；采用地下水動力學中影響半徑等參數計算方法，對常規井和輻射井2種方式開采地下鹽水進行分析和論證，選取養殖場運行后對海水入侵影響較小或減緩海水入侵趨勢的開采方式。

1 取水場地概況

三文魚養殖場擬選地點分別為位于綏中縣沿海公路南面的張監港地塊(簡稱西場地)以及位于尚家村沿海公路南面的南山港地塊(簡稱東場地)，如圖1所示。東場地和西場地均臨近大海，地勢平緩，松散含水介質厚度在20m以上，富水性好且有優越的海水補給條件；該區水量充足，水質及水溫均適宜三文魚的生長，基本滿足三文魚養殖條件。根據海洋功能區劃的要求，東場地南山港地塊可實施填海造地；西場地不允許填海造地，只能在海潮帶以外陸域建設三文魚養殖場。

圖1 研究區分布位置圖

東、西兩處備選場地的含水層巖性均以中細砂、中粗砂、粗砂為主，間有亞粘土、亞砂土薄層，松散巖類孔隙水主要賦存于第四系各類砂層、卵礫石層中，隨著向海方向含水層厚度逐漸變厚，最厚達30m，最薄為10m，平均厚度20m。第四系孔隙潛水含水層滲透性較好，水量較豐富，單井涌水量可達1000～3000m3/d。東場地和西場地兩處40%的面積為海潮淹沒區，受漲落潮影響無相對穩定的地下水位。含水層空間分布影響著水溫的變化，呈現隨季節性變化的規律，局部區域水溫變化幅度較大。兩塊場地地下鹽水天然狀態下主要以地表海水垂向入滲為主，地下徑流滯緩，以潛水蒸發和人工開采為主要排泄方式，地下鹽水與淡水交換較緩慢。

2 地下鹽水開采方案對比

項目組成員對東場地制定了3種不同養殖規模，主要參照三文魚養殖對地下鹽水水量、水溫及水質的要求，對應3種開采方案；西場地擬定2種不同的養殖規模，對應2種開采方案，見表1。這里所指的地下鹽水開采量，為養殖場由于采用國際先進養殖技術，在完成首次養殖用水的儲備后，利用循環水技術，而開采地下鹽水用于補充每日的消耗水量，補水量為總養殖水體的5%～10%。例如，當養殖規模為0.1萬t時，總養殖水體為6000m3，則日最大取水量為600m3。

根據海洋功能區劃的要求，東場地可實施填海造地，西場地不允許填海造地，只能在海潮帶以外陸域建設三文魚養殖場。根據實地調研，東場地擁有較優越的水文條件，可在東場地考慮修建水系連通和景觀濕地，實現攔蓄洪水、凈化水質和回補地下水以改善和提升三文魚養殖場周邊水景觀環境等多種功效。因此，擬選用東場地南山港地塊作為養殖場場址。下面就東場地布設常規井與輻射井2種開采方式對海水入侵的影響進行對比分析。

表1 不同養殖規模情境下的開采方案

3 地下鹽水開采方式對比分析

3.1 常規開采井方式

根據東場地水文地質條件，確定開采井影響半徑時可采用穩定流計算方法。根據抽水試驗等綜合確定的滲透系數和擬定的養殖規模，采用岸邊抽水的裘布依公式[10]計算不同開采方案下的影響半徑及確定東場地不同開采規模的單井影響半徑。根據裘布依公式，計算單井出水量，具體計算結果見表2。

(1)

式中，R—影響半徑，m；rw—抽水井半徑，m；K—滲透系數，m/d；H—有效含水層厚度，m；Sw—抽水孔水位降深值，m；Q—出水量，m3/d。

表2 東場地多種開采方案下單井影響半徑計算結果

注：表中各項水文地質參數由地礦部葫蘆島工程勘察院在綏中縣現代漁業園區開展的抽水試驗成果及參考《水文地質手冊》綜合確定，下同。

由表2可知，方案Ⅰ需水量很小，只需1眼開采井即可滿足。方案Ⅱ單井最大影響半徑為80.99m，開采所需井的數量為4眼，不會對區域地下水補給-排泄平衡關系產生不利的影響。當開采量增加時，開采井的數量也相應增加，單井影響半徑也由原來的39.39m增加至80.99m。開采方案Ⅲ，若采用常規開采井，由于受項目區場地范圍的限制，開采井布置將過于密集，可能造成各開采井之間相互干擾，導致各井出水量減少且形成較大的開采漏斗，對區域地下水補-徑-排關系可能產生不利的影響。此外，在沿海陸域一側布井確保單井出水量達到1800m3/d也具有一定的困難。

3.2 輻射井方式

輻射井的水平集水管呈輻射狀分布，輻射井的滲流運動與常規井完全不同。根據輻射井取水時含水層的釋水補給方式，輻射狀的集水過程大致可分為2個階段：第一階段以上部釋水為主，抽水初期，在集水管控制范圍內的含水層中的水，在水頭差的作用下，從上到下，再由兩側進入集水管；第二階段以側向補給為主。降落漏斗形成以后，水量主要來自集水管控制范圍外的含水層。水從四周流向中心，再由各個方向匯入集水管。輻射井的滲流運動是典型的多孔介質中的三維運動。其計算方法如下[11]：

(2)

根據場地實際條件，可采用2層輻射管，每層8根，選用“等效大口井法”經驗公式[13- 15]進行計算，經計算輻射井的等效井徑為9.17m。根據輻射井潛水完整井公式(2)，可確定輻射井在不同開采量條件下的影響半徑，見表3。

表3 東場地多種開采方案下輻射井出水量及影響半徑計算結果

由表3可見，當輻射井單井出水量為3000m3/d時，單井影響半徑為210m；當開采總量為9000m3/d時，布設3眼輻射井可滿足開采要求；當開采總量為6000m3/d時，布設2眼輻射井可滿足開采要求；而東場地在有限的養殖場陸域內難以滿足該布井要求。因此，考慮可以填海造地，在臨海一側向海延伸布設輻射井，使得海水可從垂向和側向2種途徑補給含水層，以有效增加輻射井出水量。根據同類區域輻射井開采的實踐經驗，參考《水文地質手冊》等技術資料，結合東場地海域含水層透水性較好和垂向補給的特點，在海域含水層處輻射井單井出水量能比在沿海灘涂處的出水量大1.5～2倍，可按沿海灘涂處輻射井單井出水量的1.5倍計算。具體計算結果見表4。

表4 考慮垂向補給的輻射井影響半徑計算結果

由表4可知，在考慮了垂向補給后，若按陸域含水層輻射井單井出水量為2000m3/d的1.5倍計算，即單井出水量為3000m3/d時，開采總量可達6000m3/d，單井影響半徑為150m；當開采總量為9000m3/d、單井出水量為4500m3/d時(陸域含水層輻射井單井出水量為3000m3/d的1.5倍)，單井影響半徑為210m。以上2種情況均只需布設2眼輻射井即可滿足要求。

3.3 對比分析

(1)地下鹽水開采量保證。根據以上計算結果，應用常規井開采，隨著開采量逐漸增大，所需井的數量增多，則影響半徑增大，開采井布置趨于密集，可能造成各開采井之間相互干擾，導致各井出水量減少而無法保證生產供水；應用輻射井開采，實行填海造地后，在臨海一側向海延伸布設輻射井，使得海水可從垂向和側向兩種途徑補給含水層，以有效增加輻射井出水量，且在海域含水層處輻射井單井出水量能比在沿海灘涂處的出水量大1.5～2倍，能夠有效保障養殖場由于養殖規模的擴大對地下鹽水量的需求。

(2)運行維護。輻射井單位出水量的管理費用與管井相比要低得多，其原因主要是由于輻射井基本沒有產生水躍值，減小了水泵揚程，也就減少了耗電量。另外，由于輻射井機電設備集中布置，從而減少了田間電力網的布設，即減少了電力投資的同時，也相應地減少了管理費用，管理維護較為方便。

(3)對海水入侵趨勢的影響。應用常規井開采，布井密集時易形成開采漏斗，對區域地下水補-徑-排關系可能產生不利的影響，從而引起海水入侵程度的加劇；輻射井能夠有效地減少由于抽水而引起的濃度升錐，從而達到減緩海水入侵的效果。

(4)東場地靠近海域一側填海造地開采為較好方案，宜在海域含水層布設2眼輻射井，依據養殖場養殖規模確定地下鹽水開采量，從而確定單井出水量為3000m3/d或4500m3/d。

4 結論

(1)根據海洋功能區劃的要求，綏中縣三文魚海水養殖場確定為東場地，即南山港地塊。

(2)常規開采井方式條件下，方案Ⅰ只需1眼開采井即可滿足；方案Ⅱ需要4眼開采井才能滿足，并且單井最大影響半徑達到80.99m；方案III在采用常規開采井的條件下，難以達到需水要求。

(3)若采用輻射井開采方案，則方案II需要布設2眼井，方案III需要布設3眼井，且東場地需要考慮填海造地，在臨海一側向海延伸布設輻射井，使得海水可從垂向和側向兩種途徑補給含水層，以有效增加輻射井出水量。在考慮了垂向補給后，方案II和方案III均只需布設2眼輻射井，單井影響半徑分別為150m和210m。

(4)東場地靠近海域一側填海造地布設輻射井進行開采為較好的開采方案，且在海域范圍內布設2眼輻射井即可滿足需水要求。

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