河南寶鋼制罐項目地下取水論證分析

高 亮，馮琳偉

（1.河南省南水北調中線工程建設管理局，鄭州450000；2.河南省水利勘測設計研究有限公司，鄭州450016）

河南寶鋼制罐有限公司年產17 億鋁罐用于碳酸飲料、茶飲料和啤酒包裝[1]，取水量為305 m3/d，主要開采碎屑巖類裂隙水。分析論證范圍為西北以青羊口斷層為界，即小張王屯-小谷駝-馮莊一線；西邊界為李士屯-山彪-馮莊一線；東至下園-郝莊-東寺門；北至小張王屯-西寺門-東寺門；南至共產主義渠即李士屯-石駱駝-下園一線，面積約73 km2（見圖1）。

圖1 論證區范圍

1 區域水文地質條件

1.1 地下水類型及其富水性

根據含水層埋藏深度、巖性、時代結構特征，將本區地下水劃分為兩類：松散巖類孔隙水及碎屑巖類裂隙水。富水程度的分級與評價主要依據現有開采能力，松散巖類孔隙水統一換算成5 m 降深的單井出水量；碎屑巖類裂隙水統一換算成15 m 降深的單井出水量。依據計算出的單井出水量進行富水程度的劃分[2-4]。

1.1.1 松散巖類孔隙水

遍布全區，主要為潛水或微承壓水。第四系松散層中夾有較多的中細砂，地下水位埋深6～40 m 不等，含水層厚10 m 左右，可直接接受大氣降水和地表水的滲入補給，形成較豐富的孔隙水。根據本次調查結果，利用單井涌水量的大小可將區內松散巖類孔隙水的富水性劃分為富水區和弱富水區兩種類型。

富水區：分布于溫寺門-河洼-尚莊一線以東至邊界，含水層主要由第四系細砂、中細砂和粉細砂構成，部分地區含砂礫石薄層，含水層厚度10 m 左右，單井涌水量1 000～1 500 m3/d。弱富水區：分布于小張王屯村、南司馬及山莊一帶，含水層主要為顆粒較細的第四系細紗、粉細砂，厚度一般小于10 m，單井涌水量小于500 m3/d。

1.1.2 碎屑巖類裂隙水

遍布全區，埋藏于第四系松散巖類孔隙含水層組下，西部埋深較淺，頂板埋深西部一般為50～70 m ；東部埋深較深，由本次物探地質解譯結果可知，項目區碎屑巖類裂隙含水層組頂板可達130 m 左右。主要含水層為隱伏的新近系泥灰巖和砂巖，多為厚層狀。上段質地較純，裂隙發育，可間接接受大氣降水和地表水滲入補給。據單井涌水量大小可將區內碎屑巖類裂隙水含水層的富水性劃分為富水、中等富水及弱富水區三種類型。

富水區：分布于東寺門-郝莊-代莊一帶，含水層主要由細砂、粉細砂膠結層、鈣核以及泥灰巖構成，厚45 m 左右，單井涌水量大于1 000 m3/d。中等富水區：分布于下園-龍王廟-南社一帶，含水層主要由厚層的泥灰巖和細砂巖構成，厚45 m左右，單井涌水量500～1 000 m3/d。弱富水區：分布于小張王屯-大司門-石瓶一帶，含水層由新近系泥巖、粉細砂巖及少量泥灰巖構成，厚度較薄，單井涌水量小于500 m3/d。

1.2 地下水補給、徑流、排泄條件

1.2.1 松散巖類孔隙水

地表巖性多為黃土狀粉土、粉質粘土，垂直節理較發育，第四系孔隙水主要接受大氣降水的滲入補給，其次是灌溉回歸水和少量側向徑流補給。地下水整體流向為西北向南東，水力坡度變化較大，為1.25～6‰，山前水力坡度較大，向平原區逐漸變緩。主要排泄方式為農田灌溉和生活飲用水開采地下水，其次為側向徑流排泄。

1.2.2 碎屑巖類裂隙水

隱伏于第四系松散層下的新近系泥灰巖，裂隙發育，在開采狀態下，主要靠大氣降水間接補給，即大氣降水通過上覆含水層再補給隱伏的泥灰巖地下水，其次是側向徑流補給。地下水整體流向為西北向南東，水力坡度在1.5～10‰。主要排泄方式為人工開采及側向徑流排泄。

1.3 地下水動態特征

松散巖類孔隙水動態為降水滲入補給-開采型，總體水位特征表現為：1～4 月水位逐漸下降；5～7 月出現全年最低水位；隨著雨季到來，9～10月水位逐漸回升，上升趨勢一直持續到翌年春天。

碎屑巖類裂隙水隱伏于松散層下，地下水動態影響因素較少，其動態類型為補給-開采型。主要表現為地下水接受大氣降水和側向徑流補給，人工開采和側向徑流流出則是主要排泄形式。

2 地下水開發利用現狀

論證區地下水水位整體處于下降狀態。由山前向平原含水層組的富水性逐漸增大，靠近山前的含水層富水性較弱，單井涌水量一般小于500 m3/d；平原區單井涌水量多在500～1 000 m3/d，靠近東邊界的局部單井涌水量大于1 000 m3/d。

2.1 松散巖類孔隙水

含水層主要由第四系細砂、中細砂和粉細砂構成，部分地區含砂礫石薄層，含水層厚10 m 左右，從山前到平原（由西北向東南）砂層厚度及富水性都逐漸增大，靠近山前（青羊口斷層）單井涌水量多小于500 m3/d，如石瓶村西部的抽水井（ck1）井深115.0 m，單井涌水量101.69 m3/d，單位涌水量0.85 m3/h·m ；單位涌水量向平原富水性逐漸增大，單井涌水量多大于1 000 m3/d，如崔莊村（編號ck3）井深90 m，單井涌水量為1 153.84 m3/d，單位涌水量為9.62 m3/h·m。據本次調查，該含水層水位埋深多在15～35 m，主要用于當地生活用水與農田灌溉。根據田莊2011～2013 年的地下水動態長觀資料，2011 年1 月水位埋深為12.56 m，2013 年1 月水位埋深為13.8 m，可見地下水處于下降狀態，年下降速率為0.62 m。

2.2 碎屑巖類裂隙水

埋藏于第四系松散巖類孔隙水下，西部埋深較淺，向東逐漸變深，頂板埋深西部一般為50～70 m，主要含水層為隱伏的新近系泥灰巖和砂巖，一般多為厚層狀，上段質地較純，裂隙巖溶發育，可間接接受大氣降水和地表水的滲入補給。含水層的富水性由山前向平原逐漸增大，如靠近山前的小谷駝村（編號s06）井深300 m，單井涌水量227.37 m3/d，單位涌水量0.63 m3/h·m ；處于沖積平原的代莊（編號s03）井深200 m，單井涌水量661.76 m3/d，單位涌水量1.84 m3/h·m。本層地下水主要為生活用水和工業用水，根據本次調查論證區共22 眼，井深在300 m 以淺；水位埋深較大，多在30～65 m ；近年來，由于開采量的增加和開采時間的增長，地下水位呈逐年下降趨勢。

3 地球物理勘探成果分析

3.1 1-1＇剖面斷面電性特征及解釋結果

剖面位于廠區西邊線上（見圖2），長960 m。完成電測深測點7 個、激電測深7 個。剖面走向1～3 號點180°，3～4 號點90°，4～7 號點180°。由等斷面圖（見圖3）可知，1～3 號點等值線近水平狀，由淺至深電阻率逐漸變低，在15～23 之間，淺部為干燥粉質粘土、粘土夾粉細砂、泥灰巖，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）。4～7 號點等值線近水平狀，在17～25 之間，淺部為干燥粉質粘土、粘土夾粉細砂、泥灰巖，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）；4 號點深度100～200 m 為高阻封閉圈，5 點深度340～440 m 為高阻封閉圈，推斷該段砂（巖）顆粒較粗。

圖2 物探剖面線布置

圖3 1-1＇物探綜合推斷成果

3.2 2-2＇剖面斷面電性特征及解釋結果

剖面位于廠區北邊線、東邊線上（見圖2），完成剖面長1 230 m。完成電測深測點8 個，激電測深8 個。剖面走向1 號、8 號～10 號點90°，10～15 號點180°。由等斷面圖（見圖4）可知，1 號、8 號～10 號點等值線近水平狀，由淺至深電阻率逐漸變低，在16～50 之間，淺部為干燥粉質粘土夾粉細砂、泥灰巖，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）。10～15 號點等值線近水平狀，在18～40 之間，淺部為干燥粉質粘土夾粉細砂、泥灰巖，下部為泥（巖）夾砂（巖）；14 號點深度60～80 m、200～260 m 為高阻封閉圈，推斷該段砂（巖）顆粒較粗。

圖4 2-2＇物探綜合推斷成果

3.3 綜合分析

根據物探成果地質解譯1-1＇及2-2＇剖面，300～500 m 間含水層巖性為粘土與細砂互層，主要含水段有300～360 m、400～440 m、460～480 m 三層，含水層厚度累計120 m，巖性為細砂；設計井深500 m，預計出水量在15 m3/h 左右[5-6]。

4 地下水資源量

補給量論證范圍內碎屑巖類裂隙水主要接受大氣降水的間接補給，其次是論證范圍西邊界側向徑流補給；大氣降水補給見式（1）[7]，補給量為873.0 萬 m3/a。

式中：Q雨補為降雨入滲補給量（萬m3/a）；α為年大氣降水入滲系數（取0.2）；F為計算區面積（取7 300 萬m2）；X為多年平均降水量（取598 mm）。

根據繪制的地下水位等值線，運用達西定律計算地下水側向徑流補給量，見式（2）。經計算，地下水側向徑流補給量為158.99 萬m3/a。

式中：Q側為含水層的側向流入量（萬m/a）；K為徑流補給邊界附近含水層的滲透系數（取0.33 m/d）；M為含水層有效厚度（取含水層厚度平均值120 m）；L為邊界的長度（取論證范圍西邊界長度5 500 m）；I為邊界附近的地下水水力梯度（根據地下水流場圖采用西側水力坡度確定，取0.02）。

根據物探解譯項目區水文地質條件，項目區含水段有3 層：300～360 m、400～440 m、460～480 m，含水層厚度累計120 m ；巖性為細砂；由地下水資源量計算結果得出補給量為1 031.99 萬m3/a。計井深500 m，預計出水量在15 m3/h 左右。因此本項目取水12.7 m3/h 是可行的。

5 地下水水位預測

5.1 水文地質數學模型

概化水文地質數學模型，研究區含水層均質各向同性，等厚，側向無限延伸，產狀水平；抽水前天然狀態下水力坡度為零；完整井定流量抽水，井徑無限??；含水層中水流服從Darcy 定律；水頭下降引起的地下水從貯存量中釋放為瞬時完成。在上述假設條件下，單井定流量的承壓完整井流數學模型如下：

式中：s為降深（m）；r為井徑（m）；Q為涌水量（m3/d）；T為導水系數（m2/d）；t為時間（d）；u*為貯水系數（無量綱）。

5.2 水文地質參數

根據數據模型的概化，本次選用配線法及解析法進行計算。計算數據選用衛輝市唐莊鎮一中取水井S01 抽水試驗數據。

式中：T為導水系數（m2/d）；Q為穩定出水量（m3/d）；W( )μ為井函數；S為水位降深（m）；M為承壓含水層厚度（m）；K為滲透系數（m/d）；a為導壓系數（m2/d）。

解析法通過繪制抽水階段s-lg(t)線，在直線上取兩點進行計算。公式如下：

式中：T為導水系數（m2/d）；Q為穩定出水量（m3/d）；S為t時刻的降深（m）；M為承壓含水層厚度（m）；K為滲透系數（m/d）；a為導壓系數（m2/d）；t0為S等于0 時的時刻（d）。

根據本次在唐莊一中（編號s01）做的抽水試驗數據，配線計算的K=0.41 m/d ，T=11.37 m2/d，a=182.25 m2/d ；直線解析法計算的K=0.26 m/d，T=7.37 m2/d，a=84.52 m2/d，計算結果見表1?？梢姡瑑煞N計算方法參數基本相當，本次參數取兩種方法的平均值，即K=0.33 m/d，T=9.37 m2/d，a=133.39 m2/d。

表1 承壓水穩定流抽水試驗參數成果

5.3 水位預測

降深預測采用承壓完整井無越流泰斯公式近似式計算，根據概化處理，采用地下水承壓完整井無越流泰斯公式的近似式進行預測，分別計算本項目地下水開采1、5、10、15、20 年開采井水位降深，其值分別為37.51 m 、41.61 m、43.49m、44.42 m、45.1 7 m?？煽闯?，地下水開采20 年開采井地下水位降深45.17 m，小于含水層厚度的1/2。此外，由開采井水位降深隨時間變化可以看出，水源地開采10 年后地下水位趨于穩定，地下水的補給和排泄達到新的平衡[8-9]。

式中，Q為開采量（m3/d）；K為滲透系數（m/d）；M為取水層厚度（m）；r為計算點到抽水井的距離（m）；μ為彈性釋水系數（無量綱）；t為開采年限內單井累計抽水天數（d）。

6 結論

根據以上計算結果分析，本項目設計井深500 m，布井1 眼，根據物探結論確定取水層位為300～360 m、400～440 m、460～480 m，單井取水量12.7 m3/h，日取水量305 m3/d，年取水量9.8 515萬m3/a。取水水源擬采用新近系碎屑巖類裂隙水，采用配線法及解析法進行率定水文地質參數，采用水量均衡法計算得地下水總補給量為1 031.99 萬m3/a，滿足項目水源要求。運用解析法預測了開采1、5、10、15、20 年開采井水位降深，開采10 年后地下水的補給和排泄達到新的平衡。