解析法計算水泉汪水源地中深層地下水允許開采量

杜紅磊，劉雙才

(河南省地質礦產勘查開發局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

近年，西平縣國民經濟的不斷快速發展，現有的水源地供水能力已難以滿足城市生產和生活需要，為此迫切尋找新的水源地，建立新的供水廠。西平縣位于洪河沖積平原，中深層地下水富水性好，補給條件好，水質優良，因此水源地選址在縣城西側的水泉汪。利用建立的水文地質模型，運用解析法計算水源地中深層地下水的允許開采量。

1 水源地水文地質條件

水泉汪水源地位于西平縣城西部的洪河沖積平原上，地表為褐黃色粉質粘土。縣域多年平均降水量為856 mm、蒸發量為1 478 mm。區內河流屬于淮河水系，其中洪河為主要常年性流水河流，平均流量為8.35 m3/s，流量最大為855 m3/s，最小流量0.01 m3/s。

中深層地下水是主要開采層，含水層頂板埋深60 m左右，底板埋深250 m左右；含水層巖性主要為第四系冰湖相(Q11g1)的粉細砂、中粗細砂及含礫中粗砂，可見2～6層，砂層累計厚度50～65 m。依據抽水試驗數據，充分考慮含水層厚度，同時結合鉆孔單位涌水量的大小(見表1)，將研究區中深層地下水富水性統一按300 mm口徑，在降深15 m時，按照單井涌水量大小劃分為強富水區和富水區。

表1 試驗孔單孔穩定流抽水試驗成果表

水源地中深層地下水頂板隔水層埋藏深度較大，分布連續且厚度較大，阻斷大氣降水的入滲補給，中深層地下水與上覆淺層地下水由于粘土隔水層的存在而使得兩者之間的水力聯系微弱。天然條件下，地下水由西向東緩慢徑流；現狀條件下由于大規模開采地下水致使在周范水源地形成一個面積約為3 km2的降落漏斗，地下水流向改變為由周邊流向漏斗中心徑流，且水力坡度變大。現狀人工開采(水源地開采量2.0萬 m3/d)為水源地地下水的主要排泄方式。現漏斗中心處最大水位埋深達到26.10 m，年際水位最大變幅1.15～2.20 m。地下水水位變動主要受周范水源地開采強度的影響，水位呈周期性上下浮動，一般每年7-8月水位埋深較大，1-3月水位回升，但總體水位呈緩慢下降趨勢。地下水化學類型為主要為HCO3-Ca型水、HCO3-Ca·Na·Mg型水及HCO3-Ca·Mg型水。

2 中深層地下水水文地質參數的選擇

為準確求取水源地主要開采層位的水文地質參數，利用研究鉆孔分別進行單孔穩定流抽水試驗、多孔抽水試驗和群孔抽水試驗。其中多孔非穩定流抽水試驗參數計算采用降深—時間量板法、直線圖解法和水位恢復法三種不同的方法分別求取各項參數(計算結果見表2)。

表2 利用多孔抽水試驗求取水文地質參數計算成果表

群孔抽水試驗確定參數，采用正演實驗法進行參數調試，即首先給出一組參數初值，然后代入群井干擾計算公式，分別計算各觀測井各時段的水位降深值，同時對計算值與實測觀測降深進行擬合分析，調整參數使其擬合誤差達到最小為止，這樣就得到一組具有代表性的參數。采用Theis單井計算公式如下:

(1)

式中：S為觀測井降深；T為含水層導水系數；Q為抽水井流量；W(U)為泰斯井函數

其中：

式中：r為抽水井至觀測井距離；u為開采層位彈性釋水系數；t為抽水時間

由單井泰斯井函數可構造群井抽水的干擾井流公式如下：

(2)

式中：Qi為第i個抽水井流量；ri為抽水井到觀測井的距離。

其他符號意義同前。

利用干擾井流公式對大型群孔干擾抽水試驗抽水孔及有關觀測井的水位進行了計算與擬合。擬合過程中，充分考慮的天然水位變化及局部水位變化對觀測數據的影響，擬合情況較好。需要說明的是，抽水孔降深實測值包括了井中附加降深，把附加降深減掉，與計算值擬合也較好。通過對參數反復調整、計算值和觀測值擬合對比分析，最終獲得了一組具有代表性的水文地質參數(見表3)。

表3 大型群孔抽水試驗求取水文地質參數計算成果匯總表

綜合考慮兩種計算的方法的適用性、計算結果等因素，計算區綜合取值如下：

T=1 200(m2/d)，a=0.95×106(m2/d)。

3 解析法計算中深層地下水允許開采量

3.1 數學模型的建立

計算區位于洪河沖積平原上，中深層地下水在區內廣泛穩定分布，含水層巖性以砂卵石、含礫中粗砂、中細砂為主，砂卵礫石顆粒粒徑大、沉積厚度大且分布連續，為區內地下水儲存提供了良好的空間。中深層地下水頂板為粘土層，該粘土層厚度大且分布連續，隔斷了與上覆淺層地下水的水力聯系。可將承壓含水層其概化為均質各項同性、等厚，無限延伸，不考慮越流補給。

計算公式采用無限含水層承壓水泰斯井流公式進行計算，單井公式為公式(1)；根據迭加原理，可導出其群井抽水泰斯干擾井流公式為公式(2)。

3.2 允許開采量計算及水位預報

按照設計要求及供水廠實際情況，本次中深層地下水開采擬定2套開采方案。第1方案是在新建水泉汪水源地新增3.00萬 m3/d的開采量，同時保持城區現有開采量不變；第2方案在新建水泉汪水源地新增3.00萬 m3/d的開采量，同時關閉城區全部自備井。根據抽水試驗確定單井涌水量，按照總開采量設計水源地開采井18眼。利用解析法計算、評價水源地在設定降深條件下的允許開采量，設定設計開采年限為20 a。第1方案，在第20 a末新建水泉汪水源地中心處水位降深為22.50 m，水位埋深為46.54 m；現有水源地(周范水源地)中心處水位降深為15.53 m，水位埋深為40.51 m；中心城區處水位降深為14.22 m，水位埋深為43.72 m。第2方案，在第20年末新建水泉汪水源地中心處水位降深為22.11 m，水位埋深為46.15 m；老水源地(周范)中心處水位降深為15.12 m，水位埋深為40.51 m；中心城區處水位降深為12.41 m，水位埋深41.91 m。第1開采方案和第2開采方案時各觀測井水位總降深曲線見圖1和圖2。

圖1 第1開采方案各井水位總降深歷時曲線

圖2 第2開采方案各井水位總降深歷時曲線

根據上述計算，兩種方案開采20 a后各井中水位均高于含水層頂板，因此水位下降情況在允許范圍內，兩種開采方案均可行。

4 結語

本文利用水文地質試驗(單孔、多孔及群孔抽水試驗)，含水層參數計算利用多種計算分別求取，并對計算結果進行分析、比較和相互驗證；采用解析法計算開采量，選用數學模型合理，通過計算兩種方案在20 a后井中水位在允許范圍內，不會產生地質環境問題。本成果對類似條件水源地水文地質參數求取、預測地下水允許開采量及水源地保護方案的確定具有一定的借鑒作用。