某河谷地下水資源量開采計算分析

國 舸

(朝陽市農村水利建設管理局,遼寧 朝陽 122000)

0 引 言

地下水是北方城鎮供水系統的主要水資源來源,為保障區域水資源的合理開發利用,進行地下水資源的論證顯得尤為重要[1]。為滿足某河流域周邊城鄉取用水的可持續供給,對地下水資源量開采進行計算分析,在計算論證項目區所在水文地質單元地下水資源量及可開采量的基礎上,根據已建水源井的分布位置、井深、井徑,結合現狀開采后項目區的地下水位降深,分析了降深的合理性,充分論證了某河谷地下水含水層的取水水量保障程度。

1 水源地水文地質條件

水源地位于某河谷漫灘,地下水含水層主要為白堊系基巖裂隙水,水源類型為微承壓水,地下水補給量包括降水入滲補給量,側向徑流補給量及某河漫灘區上層第四系松散巖類孔隙潛水越流補給。該河漫灘區的第四系為全新統砂、礫砂、圓礫孔隙潛水含水層,上覆地層為較薄的黏土、粉質黏土、粉土層,局部為礫砂、卵石層直接裸露地表[2]。灘面地勢較平坦開闊,坡度小,極易接受大氣降水等垂直入滲補給和上游鄰區、丘陵區基巖裂隙水的側向徑流補給。另外,豐水期河水補給地下水,枯水期地下水補給河水,農業灌溉期地下水也會接受渠道及田間地表水灌溉的滲漏補給。

河谷漫灘的白堊系下統基巖裂隙水是目前周邊城鄉的主要供水層,白堊系下統甘河組火山巖、火山碎屑巖裂隙水分布于某河西河谷之下、河谷以東的丘陵,地下水主要賦存于白堊系下統甘河組凝灰巖、晶屑凝灰巖、凝灰角礫巖、中酸性熔巖的網狀風化裂隙與原生節理裂隙及構造裂隙帶中[2]。丘陵基巖網狀風化裂隙帶厚度一般為10～20m,但多被泥質充填,且分布位置較高,賦存條件較差,富水性極不均一,實際單井涌水量<100m3/h。分布于該河高、低漫灘下部的甘河組火山巖、火山碎屑巖,網狀風化裂隙及層間構造裂隙發育,一般呈片狀或帶狀分布,厚度在30～50m不等,與上覆孔隙潛水含水層之間有相對穩定隔水層,水力聯系較弱,主要補給來源為丘陵區及上游的側向補給,地下水賦存條件好,補給來源充足,富水性較強。根據前人的勘探試驗資料,抽水降深在13.37～72.14m時,單井涌水量為21.64～58.00m3/h,滲透系數0.83～5.16m/d,影響半徑在254.41～655.31m之間,pH值6.65～7.91,礦化度215.82～266.73mg/L,地下水化學類型為HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。總之,該層水質好,埋藏較深,不易污染,因此作為了區域的主要供水水源。

2 地下水資源量計算

2.1 降雨入滲補給量

一般來說,降水是部分地區地下水的主要補給來源項,根據項目區河谷附近氣象站記錄的降水數據可知,1956—2020年區域多年平均年降水量為473.40mm,多年平均月降水量6～9月份期間占全年降水量的81.86%。由于文章計算的含水層為第四系含水層之下的白堊系基巖裂隙水,該含水層深度較厚,在水源地范圍內的大部分地區地下水位埋深>30m,降水無法直接補給,緩慢的垂直補給效率導致入滲補給量很小,因此在該地下水資源量的計算中,不考慮降雨入滲補給量。

2.2 側向徑流補給量

地下水含水層在空間上展布廣闊,具有連續的空間賦存狀態,在水動力條件下,側向流動速度較快,在水壓力作用下側向徑流具有很高的補給速率[3-4]。根據本研究區的地質地形,判斷地下水的主要流向,受水力梯度和滲透系數的影響,以白堊系含水層為側向徑流的補給量計算公式如下:

Q側=K·B·I·H=9122.85m3/d

(1)

式中:Q側為地下水側向補給量,m3/d;K為滲透系數,m/d,文章取5.82m/d;B為補給斷面寬度,m,文章取3000m;H為含水層厚度,m,文章取95m;I為水力坡度,文章取5.5‰。

2.3 越流補給量

白堊系含水層和上覆第四系含水層之間無明顯意義的隔水層,由于第四系直接接受大氣降水的補給,使得下覆白堊系含水層呈弱承壓性,地下水水位低于第四系含水層水位,相鄰的含水層水力壓差異,導致高水位第四系含水層中的地下水會透過間隙層補給低水位白堊系含水層[5]。根據水位差及越流補給系數,可以得到的越流補給水量計算公式如下:

Q越補=F·△H·K′/M′=7778.88 m3/d

(2)

式中:Q越補為越流補給量,m3/d;F為越流區面積,m2,文章取5.40km2;△H為上層潛水與下層基巖裂隙水的水位差,m,文章取0.25;K′/M′為越流系數,1/d,文章取0.00576。

綜上所述,項目區河谷水源地總補給量即為側向補給量和越流補給量之和,水文地質單元地下水補給量為16901.73m3/d,即該區的年地下水資源量為616.91萬m3。

3 地下水開采分析

3.1 地下水可開采量計算

河谷水源地地下水賦存條件較好,與地表水水力聯系密切,常年能得到該河地表水的補給,開采狀態下水位變幅不大,單井出水量最大為2800m3/d,根據上文對地下水資源量的計算,采用開采系數法計算地下水可開采量,計算公式為:

Q可=δ·Q總=14366.47m3/d

(3)

式中:Q可為可開采量,m3/d;δ為可開采系數,文章取0.85;Q總為地下水資源量,m3/d。

經計算,該水文地質單元的年地下水可開采量為524.38萬m3。

3.2 水源井基本參數

文章水源地地下水開采分析主要計算的是項目區河谷新打的7眼水源井,平均地面高程為221.3m,井深在120～180m,井的直徑在273～325mm,單井出水量70～120m3/h。為得到水源井的水文地質參數,利用7個井的群井抽水試驗過程進行了計算,將得到的各參數代入如下計算承壓完整井和影響半徑的經驗公式:

(4)

式中:Q為出水量,m3/d;K為滲透系數,m/d;H為含水層厚度,m;s為降深,m;Z為花管進水高度,m;R為影響半徑,m;r為井徑,m。

通過計算得到表1結果,其中主要的滲透系數為4.56～8.76m/d,影響半徑在70～133m。

表1 水源井單井抽水試驗參數值

3.3 開采后的地下水水位

為保障供水要求及地下水資源的持續性利用,需要對開采后的地下水位降深進行預測分析。文章的水源井群降深預測采用非穩定流干擾井群降深疊加法進行水位降深預測,計算公式為:

(5)

當u<0.01,則公式簡化成:

(6)

式中:S為開采末期各井水位降深值,m;Si為任一點水位降,m;Qi為單井涌水量,m3/d;T為導水系數,m2/d;a為導壓系數,m2/d;ri為任一點到i號井距離,m;t為設計年限,a。

各井之間的距離如表3所示。

表3 各井之間的距離 m

根據水文地質手冊,基巖裂隙水理論上的允許降深值為從靜止水位到含水層一半位置的距離,故利用公式及數據得到的計算成果如表4所示。

表4 預測各井水位降深S計算成果表 m

綜上所述,當7眼井共同開采3a和5a后各井水位降深值均未達到允許降深值,開泵時間按20h計算,此時總開采量為11700m3/d。當開采時間為9a340d時,6#井的降深值達到允許降深值,若水源地繼續開采,則6#井需停用,其他井可繼續開采。當開采時間為10a時,剩余6眼井的降深值均未達到允許降深值,但3#井和4#井的降深值已臨近允許降深值,建議停用。當6#、3#和4#井達到最大開采年限時,為確保城區供水需求,水源地應新增供水水源井。

4 結 論

通過對河谷地下水資源開采進行計算論證,認為該地在設計年限內取水是可靠、可行的,具體結論與討論如下:

1)水源地地下水賦存條件較好,與地表水水力聯系密切,常年能得到某河地表水的補給,開采狀態下水位變幅不大。水源地所在水文地質單元地下水資源量為616.91萬m3/a,地下水可開采量為524.38萬m3/a,地下水資源量及可開采量方面均可滿足周邊城鄉取水量要求。

2)計算的7眼水源井,單井出水量為70～120m3/h,含水層平均厚度95m,含水巖性主要為凝灰巖,滲透系數平均值5.82m3/d。通過水源井井群降深預測,水源地井群穩定出水量11700m3/d。當7眼井共同開采3a和5a后各井水位降深值均未達到允許降深值,當開采時間為10年時,井達到最大開采年限時,為確保城區供水需求,水源地應新增供水水源井。

在計劃開采條件下,水源地范圍內地下水水位將逐漸下降,隨之上游水力坡度增大,下游水力坡度減小,可獲得四周側向的徑流補給;在水位下降的同時,可增大該河地表水對地下水的補給量,更大程度的襲奪地表水。因此,隨著持續開采,地下水補給量會增大,達到新的采補平衡,所以,若現有水源地的供水能力滿足不了用水要求時,開展新的擴建供水工程的水資源論證是十分重要的。