川主寺水源地地下水資源評價及取水方式研究

袁 偉，朱劍波

（四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610072）

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為岷江推覆作用形成的推覆山鏈前緣山麓斷陷堆積盆地，屬深切割侵蝕—構造高山區(qū)。盆地內(nèi)岷江河谷區(qū)地形平坦寬闊，呈“S”狀曲流擺動。兩岸階地和漫灘發(fā)育，漫灘分邊灘和心灘等形式，研究區(qū)屬山地寒溫氣候，多年平均降水量673.2mm，降水主要集中4～10月，約占全年的90%。5～9月降水占全年降水量的70%～80%。年均蒸發(fā)量1280.3mm，陸面蒸發(fā)量545.5mm。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組及富水性

研究區(qū)地下水主要賦存于第四系松散巖類孔隙和基巖構造裂隙中。第四系松散巖類分布較為廣泛，其中河道內(nèi)的河漫灘、一級階地全新統(tǒng)沖積卵石層結構松散，砂卵石層總厚度7.0～9.2m。該含水層賦存較豐富的孔隙水，地下水位埋深0.25～1.05m，與河水水力聯(lián)系十分密切，為潛水含水層，是本次研究的主要目的層，也是擬建取水工程的開采目的層；二級以上階地的第四系上—中更新統(tǒng)礫卵石含水層間多由粉粒、黏粒充填，結構密實，局部呈半膠結—膠結狀，一般含水微弱。階地前緣與河谷中一級階地后緣接觸帶可見地下水溢出；研究區(qū)地處高寒氣候區(qū)，地表巖溶不發(fā)育，受斷裂構造影響，巖層構造裂隙較為發(fā)育，連通性好，為地下水提供了良好的導、儲水空間，賦存較為豐富的構造裂隙水，含水巖組由古生界石炭系碳酸鹽巖地層組成，巖性以灰?guī)r為主，局部夾板巖。

2.2 地下水補給、徑流和排泄條件

2.2.1 地下水補給

研究區(qū)為高山寒冷氣候區(qū)，一年中有長達4個月以上的時間冰雪覆蓋。因此，冰雪融水和大氣降水同是區(qū)內(nèi)天然條件下地下水補給的主要來源。

河道帶包氣帶巖性為薄層粉土或卵石，垂向滲透性較好，利于接受大氣降水補給。天然狀態(tài)下，除大氣降水外，河道帶內(nèi)地下水還受到河谷兩岸第四系孔隙水和基巖構造裂隙水的側(cè)向徑流補給，并且與岷江河水水力聯(lián)系密切，補排轉(zhuǎn)換頻繁；開采條件下，河水是區(qū)內(nèi)地下水主要補給來源。

2.2.2 徑流和排泄條件

第四系松散巖類孔隙水主要受地形的影響，天然狀態(tài)下由兩岸向河床、由上游向下游徑流、排泄。區(qū)內(nèi)地下水徑流總體方向豐水期同河流方向基本一致，枯水期偏向河道，河道帶內(nèi)地下水淺埋，蒸發(fā)也是地下水排泄途徑之一。岷江兩岸二、三級階地中的地下水向河床偏南方向徑流至階地前緣，一部分補給河谷中砂卵石含水層，一部分排泄出地表補給河水。基巖裂隙水主要受裂隙及地形發(fā)育情況控制，地下水在接受補給后，沿裂隙向深部循環(huán)，一般地下水循環(huán)徑流途徑較遠。

3 地下水水資源量評價

3.1 水文地質(zhì)邊界

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，河谷兩岸邊界為補給邊界，即二、三級階地與一級階地交界部位為河谷區(qū)第四系全新統(tǒng)砂卵石含水層的補給邊界；研究區(qū)上游邊界為地下水徑流補給邊界；下游邊界為地下水排泄邊界。

含水層下部為相對隔水邊界，北部河段含水層直接疊置在基巖之上，下伏基巖為灰黑色中至厚層狀亮晶灰?guī)r，鉆孔揭露深度淺，未見有承壓水上涌，將其視為相對隔水邊界；南部河段含水層下伏為第四系上更新統(tǒng)含泥礫卵石層，該層結構緊密，泥質(zhì)含量重，呈半固結狀，鉆孔揭露幾乎不含水或含水微弱，將其作為相對隔水邊界。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)

3.2.1 抽水試驗

分別采用傍河大口井出水計算公式和裘不依多公式計算抽水試驗數(shù)據(jù)，獲取的滲透系數(shù)如表1。

表1 抽水試驗計算成果

3.2.2 試坑滲水試驗

為了確定河床卵石層的垂向滲透性能，在漫灘上進行了3 組試坑滲水試驗，試驗按水柱高度0.10，0.20，0.30，0.40，0.50m進行。其中，2組坑底為天然結構狀態(tài)無泥膜的礫卵石，1組坑底為曾采砂石擾動過的卵石。另外還進行了2次0.1，0.3m水柱高度卵石上加蓋粉土泥膜的滲水試驗，以了解河床發(fā)生淤積后河水垂向補給減弱程度。結果如表2。

表2 試坑滲水試驗成果

將所獲取的不同水柱高度的滲透速度與水柱高度進行相關分析計算，如圖1，得到河漫灘（濾床）的垂向入滲速度v與水柱高度h的回歸方程：v=0.533+2.51h

圖1 入滲速度與水頭高度相關曲線

試驗結果表明，第四系全新統(tǒng)礫卵石層的垂向入滲速度隨著河水水位升高而增大，卵石層經(jīng)人工改造后，垂向滲透性明顯加大。一旦發(fā)生淤積，垂向滲透性則急劇降低，其滲透性將降低6.06倍。

3.3 水文地質(zhì)計算參數(shù)選取

根據(jù)鉆孔資料確定，含水層厚度如表3。滲透系數(shù)K=6.38m/d，垂向入滲系數(shù)K′=v=0.533+2.51h。根據(jù)鉆孔實測水位計算，天然狀態(tài)下的地下水水力坡度如表4。其他水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)類似工程經(jīng)驗取值如表5。垂向入滲補給區(qū)根據(jù)包氣帶巖性，分河床水域區(qū)（河水覆蓋）、卵石含水層裸露區(qū)（灘地）和一級階地區(qū)（上覆薄層粉土）3個區(qū)，各區(qū)垂向入滲補給面積F如表6。降水入滲補給系數(shù)α，取河漫灘0.400，一級階地區(qū)0.328。地下水徑流橫斷面寬345.58m，據(jù)鉆探揭露，含水層厚6.75～8.15m，平均厚度7.38m，面積F為2550.38m2。地下水排泄橫斷面寬347.61m，含水層平均厚度6.52m，面積F為2266.42m2。

表3 含水層厚度統(tǒng)計 單位：m

表4 地下水水力坡度

表5 其他水文地質(zhì)參數(shù)

3.4 地下水資源量計算

3.4.1 地下水補給量

天然狀態(tài)下，區(qū)內(nèi)地下水補給量主要來源于大氣降水補給量、河谷兩岸階地下水側(cè)向補給量、北部邊界地下水徑流補給量。開采條件下，地下水動力條件發(fā)生改變，增大了水力梯度，激發(fā)河水補給地下水。

3.4.1.1 大氣降水補給量

利用多年平均降雨量，采用降雨入滲法計算，大氣降水補給量374m3/d。

3.4.1.2 地下水側(cè)向補給量

（1）河谷兩側(cè)地下水補給量1585m3/d。

（2）河谷上游邊界地下水徑流補給量179m3/d。

（3）側(cè)向補給總量1764m3/d。

（4）天然補給總量2138m3/d。

（5）河水激發(fā)補給量，考慮取水工程類型，采用兩種方法計算：①傍河取水井排形式裘布依穩(wěn)定流公式計算，河水激發(fā)補給量22498m3/d；②河床下取水垂向滲透補給量公式計算，河水激發(fā)補給量22269m3/d。兩種計算結果表示：水源地內(nèi)在開采條件下都能獲得河水的激化補給量，補給量可達2.2萬m3/d。

3.4.2 地下水排泄量

由岷江兩岸區(qū)域地下水向河谷的排泄量和區(qū)內(nèi)工程邊界地下水向下游的徑流排泄量組成。

（1）地下水天然排泄量。采用河流流量差法計算，根據(jù)枯水期河流斷面測流成果，現(xiàn)場工作期間（枯水期）岷江主河道流速0.703～0.817m/s，研究區(qū)的河水流入量2.336m3/s，流出量3.736m3/s，說明擬選水源地河段是地下水的排泄區(qū)段，天然排泄總量達1400L/s。

（2）地下水邊界流出量為202m3/d。

3.4.3 地下水儲存量

地下水儲存量Q儲為45.97萬m3。

4 取水工程方案

水源地處山區(qū)河谷，擬采目的層為第四系全新統(tǒng)河流堆積砂卵石含水層，含水層呈帶狀分布，一般寬度260～320m，分布面積僅有0.6km2。地下水的天然補給量有限，計算天然補給總量2138m3/d。但是區(qū)內(nèi)河水流量較大，河水補給來源充足而穩(wěn)定，研究區(qū)下游河段枯水流量達3.7m3/s，其中，研究區(qū)內(nèi)地下水的排泄量就達1.4m3/s。因此，為了滿足日取水量1.0萬m3的需求，擬建取水工程應盡可能的獲取河水補給。經(jīng)計算，開采條件下區(qū)內(nèi)可獲取河水激化補給量達2.2萬m3/d，只要取水工程方案技術可行、經(jīng)濟合理，是可以滿足日取水要求的。

4.1 取水工程方案比選

根據(jù)現(xiàn)場條件，以管井、大口徑井、輻射井、滲濾井、滲渠及其組合形式進行取水工程方案比選。

4.1.1 管井或大井取水方式

根據(jù)抽水試驗，水位下降3.22m，單井穩(wěn)定出水量362m3/d，影響半徑50m。在日取水量1.0萬m3基礎上增加30%保證水量，需布井36口。若沿河線性布井，井間距100m，則井排長度達3600m。如果按雙排布井，則井排長度也要1800m。隨著長期抽水，將造成抽水井干擾加劇，水位下降，出水量減小。而且井點量多分散，運行和管理難度大、成本高。顯然該取水方案在技術條件和經(jīng)濟上不合理。

4.1.2 輻射大井取水方案

集水大井設在灘地，部分輻射管伸入河床下，按同時集取河水滲透和地下水輻射井出水量計算輻射大井的出水能力，經(jīng)計算Q=3008m3/d，由此可見，布設4座輻射大井才能滿足日取水量1.0萬m3的要求。

4.1.3 輻射大井+虹吸管井取水方案

根據(jù)計算結果，輻射大井每座出水量3008m3/d，管井單井出水量僅362m3/d。如果需水量1.0萬m3，考慮增加30%的保證度，取水工程如果布設輻射大井3座，虹吸管井則至少需要11口。顯然該取水方案不可取。

4.1.4 滲渠取水方案

由于水源地含水層滲透性較弱，富水性不強，開采條件下地下水的補給主要來源于河水，內(nèi)河水流量穩(wěn)定，補給充足，開采激化補給量可達到2.2萬m3/d。因此，為了有效獲取河水補給量，采用在河床下或河灘埋設滲濾管，截取河流滲透水。在鋪設滲濾管的同時，同時也改善了濾管周圍含水層的的滲透性，滲渠獲取河水的補給能力增強。根據(jù)滲渠出水量進行滲渠出水量計算。計算結果：滲渠直徑1m，距河水10m，平行河流鋪設兩側(cè)進水時，1500m滲渠出水量達16122m3/d，單位長度滲渠出水量10.75m3/d·m。計算中河水補給項12957m3/d，占出水量的80%，說明采用滲渠取水是截取河流滲透水的最為有效的取水方法。

4.2 地下水允許開采量

本著充分利用技術經(jīng)濟合理的取水構筑開采地下水的原則，促進地下水的補給、消耗的轉(zhuǎn)化過程，增加地下水的循環(huán)速度與循環(huán)量，較大限度地采取補給量，使允許開采量能夠獲得更多更充分的來源。由各類取水方案評價結果來看，符合水源地水文地質(zhì)條件的取水方案是滲渠取水，是獲取河水補給作用最為明顯，最為直接的一類取水工程方式，所計算的開采量16122m3/d，其中僅河水補給量就達12957m3/d。出水源地區(qū)在開采條件下河水激化補給量達2.2萬m3/d，由此可見，擬選水源地取水構筑物獲取1.0萬m3/d的水量是有著充分的補給保證。因此，從保證系數(shù)角度出發(fā)，將擬選水源地的允許開采量確定為1.3萬m3/d是適宜的。

5 結語

研究區(qū)地下水天然補給量2138m3/d，開采條件下河水激化補給量2.2萬m3/d，允許開采量1.3萬m3/d，可滿足日取水1.0萬m3的要求。研究區(qū)河段枯水期實測河水流出量3.7m3/s，其中地下水排泄量1.4 m3/s，取水工程采水量的補給保證程度高。擬建取水工程河段河床水力坡度1.29%，枯水期河水清澈，水流速度0.70～0.82m/s，河床內(nèi)卵石表面尚未見明顯泥膜附著，該河段河床淤塞程度低，河流沖淤較為平衡，適宜建設傍河取水工程，其規(guī)模以小于等于1.0萬m3/d為宜。