傍河地下水源地水文地質特征及水資源量評價

于文龍，樊康康

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

中衛市沙坡頭區城鄉居民生活用水現狀主要依靠地下水作為水源，通過中衛市第一水廠和中衛市第二水廠處理后向城區供水。由于現狀水源地存在一定程度的污染，無法切實保護水源。為此，提出在黃河岸邊建輻射井取水替換現有水源，建設城市及農村供水一體化工程的構想。

擬建中衛市城市供水工程水源工程勘察區，位于中衛市機場大道以西、迎水橋以東、中央大道以南、黃河以北地區，緊鄰中衛市區，其東西方向長約8.4km，南北方向寬約0.5～2.6km，面積約11.8km2。

1 勘察區水文地質特征

1.1 含水層巖性及富水性

1.1.1 含水層巖性

勘察區范圍內主要發育有第四系地層和泥盆系地層。

（1）第四系全新統沖積物。表層有壤土或砂壤土層分布，發育厚度3～5m，分布較穩定。主要發育沖積卵礫石，發育厚度普遍大于50m。巖性由砂巖、片麻巖和花崗巖類等組成，磨圓較好，分選性差，多呈片狀或扁平狀，粒徑1～15cm，最大可達30cm，卵礫石含量70%以上；砂為灰黃色細砂。粒徑自上到下逐漸變細，從砂卵礫石過渡為砂礫石。其中砂卵礫石層發育厚度9.0～25.8m，砂礫石層發育厚度28～41m，所有鉆孔均未揭露該層。局部夾有粉土及粉細砂透鏡體，其中位于上游的鉆孔揭露到多層透鏡體，總厚度達15.90m。

（2）泥盆系。紫紅色泥巖、礫巖、砂巖等。

1.1.2 地下水補、徑、排條件

勘察區內地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和下部基巖裂隙水。第四系松散層是本區的主要含水層，受降水和農田灌溉補給，補給來源季節影響較大。

從水文地質勘探孔揭露情況可知，本區內含水層主要分為上下兩部分。上部含水層主要為砂卵礫石層，孔隙大，徑流條件較好；下部含水層主要為砂礫石層，細顆粒含量較高，其中還夾有不規則的透鏡體狀粉土層及粉細砂層，徑流條件不均一，相對較差。

地下水多以潛流的形式排入黃河及相鄰渠道。在地下水埋深較小地段，蒸發也是其排泄途徑之一。

勘察區范圍內含水層分布于黃河漫灘及Ⅰ級階地中，鉆孔揭露地下水位埋深為1.45～2.5m，水位升降受季節影響較大，水位變幅0.5～3m。含水層厚度一般大于50m，厚度自北向南有減小的趨勢，勘察區是地下水的良好滲流通道和儲水場所。

1.1.3 含水層富水性

本水源地位于黃河沖積平原的淺層孔隙潛水富水區域，具有水質好、水量豐、埋深淺、含水層分布穩定等特點。上部潛水含水巖組為河床相砂卵石層，水位埋深1.45～2.5m，開采目標層厚度40～50m。

本次勘察進行了穩定流多孔抽水試驗［1］，平行河岸測線方向，根據觀測孔各次降深資料計算得到的滲透系數K值相差不大，范圍值為4.55～8.37m/d，平均值為6.4m/d。垂直河岸測線方向，滲透系數K值范圍值為2.78～11.33m/d，平均值為5.84m/d。結合區域資料、經驗類比和本次試驗成果綜合考慮，推薦本水源地K值按6～10m/d選取。通過勘探孔剖面分析得知，上游方向含水層逐漸變薄且不規則透鏡體逐漸增多，會使地層滲透系數降低，富水性變差。

1.2 勘察區水質

1.2.1 地下水水質

按照GB/T 14848—2017《地下水質量標準》分別采用單項指標評價法和綜合評價法對8組民井水樣進行了水質簡分析試驗成果進行評價。

通過綜合分析民井水樣的評價結果，對水源地淺層地下水質量空間分布規律形成以下初步認識：勘察區內北側淺層地下水質量最差，總硬度、硫酸鹽等指標均有不同程度超標。水源地鉆孔地下水水質為Ⅴ類水質，計算所得F=7.32，按Ⅲ類水質評價標準，其中鐵超標1.94倍，錳超標6.62倍。

1.2.2 黃河供水水質

按照GB/T 14848—2017《地下水質量標準》對抽水試驗后黃河供水水質進行評價。試驗指標中總磷、總氮、糞大腸桿菌及硫酸鹽含量超標，其余指標符合標準要求。按Ⅲ類水質評價標準，其中總磷超標1.7倍，總氮超標2.21倍，糞大腸桿菌超標3.7倍，硫酸鹽超標0.078倍。

1.3 地下水動態

據調查，該地區自當年的10月份至來年的4月份為枯水期，為地下水下降期，一般下降幅度為2.0～3.0m，5～10月份因灌溉用水和雨季降水（年降水量多集中于7～9月份），水位有所上升。

2 勘察區地下水資源評價

2.1 水文地質概念模型

基于區域背景水文地質條件和勘察研究成果的認識，從地下水開采和水資源計算評價的需要出發，將本水源地補給及開采條件下的水文地質模型概化。

（1）水源地資源量計算及開采限制范圍。河漫灘及一級階地范圍，東西方向長約8km，南北方向寬約0.8～2.0km，面積約11.8km2。目標含水層平均厚度按40m考慮。

（2）水文地質單元補、徑、排關系。本水源地處于既受包括黃河在內的側向補給，同時地下水又排泄補給黃河的動態過程中。天然狀態下，地下水主要接受大氣降水和農田灌溉補給。地下水蒸發、開采及地下水向地表水泄流是地下水主要排泄方式，其中，主要排泄途經是以地下徑流的形式向黃河水平排泄，其次是通過排水溝向黃河排泄，部分地下水消耗于蒸發等途徑。

（3）黃河側向補給水源地邊界及補給量約束條件。天然狀態下，補給量主要受過水斷面的大小、過水斷面的滲透系數、黃河潛流的水力坡降等因素影響。開采狀態下，通過大降深疏干含水層靜態儲水空間，形成大的水頭差和水力坡降，可以加快徑流速率，加大地下水交換能力，最終改善地下水循環條件和補給條件，增大并穩定地下水長期開采量及其保證率。

（4）傍河取水［2］條件開采量及其約束條件。傍河取水條件下，潛在補給源及補給量是黃河河川基流側向潛流補給，水源地地下水可開采量受其補給能力的控制。

2.2 水源地地下水資源量計算與評價［4］

2.2.1 天然儲量計算

（1）天然儲存量。根據現場勘探成果統計顯示，工作區內含水層厚度由下游至上游逐漸變小，同時其成層性和規律性變差，不規則的透鏡體或夾層也逐漸增多，現將工作區內潛水含水層平均厚度按40m考慮，地下水天然儲量94.4×106m3。

（2）調節儲量。據有關資料，該水源地所在的衛寧平原枯水期和豐水期水位變幅為2.0～3.0m，豐水期地下水位上升主要受農田灌溉補給影響，勘察區內調節儲量5.9×106m3。

2.2.2 開采條件下補給量計算

本水源地鄰近黃河，自然條件下地下水補給量有限，通過合理強度的開采，可有效激發黃河側向補給量，增加水源地地下水可開采量。本階段初步設計2個開采，降深分別為10，15m。計算時，根據取水構筑物鄰河側邊界至黃河邊的距離分段計算，實際距離小于500m時，按500m考慮。滲透系數K值選取綜合建議值6，10m/d，分別組合估算，開采條件下黃河側向補給量計算值在0.13×108～0.30×108m3/a。

2.2.3 地下水可開采量計算

通過建立水源地水文地質概念模型，對邊界條件和水文地質參數進行確定，對黃河側向補給水源地能力進行計算評估，對水源地靜態儲水量進行估算，并采用“平均布井法”對可能的開采量進行估算，以及環境約束條件下估算大降深疏干上部含水層所能提供的地下水可開采量，采用“開采強度法”估算可開采量與補給保證程度等，綜合分析，對水源地地下水開采條件及可開采量進行評價。

（1）“水量均衡法”地下水可開采量計算與評估。本水源地側向流入量與流出量之差即為黃河側向補給量，垂直入滲量包括降水補給量及灌溉入滲補給量。自然條件下本水源地地下水有效排泄量主要包括蒸發量、排水渠排泄量。水源地目前地下水埋深2～4m，長期10m降深高強度開采下，預計水源地地下水位會出現不小于1m以上降深，則蒸發量、排水渠排泄量將被開采襲奪。開采降深S分別取10，15m，滲透系數K值選取6，10m/d，分別組合計算，開采條件下補給量計算值在2061×104～3763×104m3/a之間。

（2）單井出水量計算與評估。分別估算水源地開采條件下大口井、輻射井單井涌水量［3］。利用大口井公式估算單井涌水量，按含水層厚度分區考慮，滲透系數分別取6，10m/d組合估算多種降深條件下的單井涌水量。引用補給半徑考慮“傍河取水”條件及取水構筑物鄰河側邊界限制條件，分別選取200，500m。輻射井單井涌水量估算采用“等效大口井法”，有效輻射管數量按12根考慮。計算結果，大口井單井涌水量在1368～3078m3/d；利用“等效大口井法”計算的輻射井單井涌水量在3527～8160m3/d。

（3）“平均布井法”開采量計算與評估。采用“平均布井法”計算時，影響半徑按照抽水試驗實測的500m考慮。設定降深（10，15m）、滲透系數（6，10m/d）不同組合情況分區計算。輻射井開采量計算值2496×104～3446×104m3/a。

從水均衡的角度，天然狀態下的可開采量是有限的，水源地天然補給及可開采資源僅在405萬m3/a左右。從“傍河取水”方式及“襲奪”黃河過境河川基流（潛流）量的思路出發，將本水源地地下水可開采量指標定為6萬～9萬m3/d（約2500萬～3000萬m3/a），滿足替換現有水源地的條件。

3 地下水開采方式初步建議

考慮以輻射井［5］為主要取水型式，取水工程沿黃河河岸或大堤方向帶狀布置，充分激發黃河側向補給，以滿足計算條件下預期的可開采量。根據多孔穩定流抽水試驗實測的影響半徑，建議井距按不小于500m布置。

建議本水源地輻射井技術參數指標為：集水井井徑3.0m，井深30～35m，井距500m左右；水平輻射管布設3層，每層布設8根，呈“米”字型，單根水平輻射管長20～30m。