康衛(wèi)東,曹珍珍,宋壽鵬,王潤蘭,張晨招,崔虎群,朱亮

(1.西北大學地質(zhì)學系,大陸動力學國家重點實驗室,西安 710069;2.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092)

0 引言

米脂鹽化工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟集中區(qū)的建設(shè)和發(fā)展對完善陜西省的工業(yè)結(jié)構(gòu)布局,發(fā)展陜西省的化學工業(yè),特別是對發(fā)展地方經(jīng)濟有著十分重要的意義,尋找水資源以滿足工業(yè)用水需求已成為當務(wù)之急。河水是本地區(qū)可開發(fā)利用的主要水資源,由于地處黃土溝壑區(qū),河流含沙量高不適宜直接開發(fā)利用,可利用滲渠工程開采河谷地下水,可達到既取水又凈沙的目的。但在每年集中用水的夏灌季節(jié)常造成河流量銳減甚至導致河流斷流,造成依賴于激發(fā)河水補給的河谷地下水的衰減,同時在每年的非灌溉期又有大量的河水徑流外排。為了滿足米脂鹽化工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟集中區(qū)近期 4.6×104m3/d的需水量,本文提出了滲渠與水庫聯(lián)合調(diào)配的供水模式[1]。

1 水資源條件

張家灣水源地第四系沖洪積砂、砂礫卵石層與三疊系砂泥巖強風化帶構(gòu)成了具有雙層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的潛水含水層(簡稱孔隙 -裂隙潛水含水層),據(jù)鉆孔抽水資料,水位埋深 0.5～2.0m,含水層厚度 5.0～10m,水源地含水層厚度薄,單井涌水量多小于 100m3/d,不適宜采用管井集中開采地下水;無定河年均過境流量 6.3×108m3,常流量 20～30 m3/s,馬湖峪河年均過境流量 0.19×108m3,地表水資源豐富,但河水流量及水位變幅大,豐、枯流量相差懸殊,且泥沙含量高。無定河年內(nèi)河水流量小于 5m 3/s主要出現(xiàn)在 6-8月份,其多年平均小流量天數(shù)為 26天,最大天數(shù)為 66天;年內(nèi)河水流量小于 1m3/s的天數(shù),從九十年代每年 6天左右增至近年的 26天左右,最小流量連續(xù)天數(shù)從九十年代 2～3天增至近年的 14天;年內(nèi)連續(xù)斷流天數(shù)最高達 4天。

臥虎山水庫近鄰無定河且離工業(yè)集中區(qū)較近,有利于無定河向水庫補水以及水庫給工業(yè)集中區(qū)供水,可作為近期供水的調(diào)節(jié)水庫(圖 1)。

圖1 張家灣水源地與水庫分布圖

2 滲渠工程設(shè)置

無定河河道設(shè)計平行滲渠 2條,單條滲渠長度為2 000m,單條滲渠人工濾床寬度(開挖寬度)為 24m,則 2條滲渠的人工濾床水平面積為 9.60×104m2;計算的無定河河道滲渠的河水入滲量為 3.84×104m3/d;馬湖峪河河道設(shè)計滲渠 1條,滲渠長度為1 500 m,滲渠人工濾床寬度(開挖寬度)為 15m,則滲渠的人工濾床水平面積為 2.25×104m2;計算的馬湖峪河河道滲渠的河水入滲量為 0.90×104m3/d。

滲渠取水工程順河流方向布設(shè)在河床之下[2]～[3],滲渠底埋置深度為 6m,滲渠橫截面為寬2 m、高 2m的直墻拱頂式廊道。第四系松散層平均厚度為 1.5 m,開挖寬度為 24 m(無定河滲渠)和 15m(馬湖峪河滲渠);三迭系砂泥巖平均開挖深度 4.5m,開挖寬度 2.6～2.8m。滲渠拱頂部自下而上填置由粗至細的砂礫濾料,濾層總厚為 1.0m;濾層之上回填沖洗的河沙,厚度為 1.5 m;沖洗沙之上回填原河沙(馬湖峪河滲渠回填無定河的河沙)(圖 2)。

圖2 滲渠取水工程結(jié)構(gòu)剖面示意圖

3 滲渠取水量的計算分析[4]～[5]

本文采用 mod flow數(shù)值模型法計算滲渠在河流正常來水條件和斷流條件下的出水量;滲渠取水條件下的地下水運動可采用下列數(shù)學模型進行描述:

式中:H為地下水位標高(m);K為滲透系數(shù)(m/d),(K值:水平 Kh、垂向 Kv、河床淤積層垂向 K r);μ為含水層給水度;x,y,z;t為坐標變量(m);時間變量(d);H0為初始時刻水位標高(m);H1為第一類(定水位)邊界水位標高(m);Hr為河水位標高(m);Hs為滲渠內(nèi)水位標高(m);A為河流入滲計算面積(m2);Mr為河床淤積層厚度(m);Qr為河水滲漏量(m3/d);Qs為滲渠取水量(m3/d);n為二類邊界外法線方向;Γ1為一類邊界;Γ2為二類邊界;D為計算區(qū)范圍。

模型區(qū)滲渠工程取水量主要來源于激發(fā)的河水滲漏補給量,河流正常來水(河水淹沒滲渠人工濾床)條件下,對取水井定降深(滲渠水位不低于滲渠底面)的滲渠取水量進行了穩(wěn)定流計算;模型預(yù)測滲渠工程穩(wěn)定取水量為 4.80×104m3/d,其中無定河滲渠穩(wěn)定取水量為 3.71×104m3/d、馬湖峪河滲渠穩(wěn)定取水量為 1.09×104m3/d。在河流斷流期間,考慮取水井(與滲渠內(nèi))水位穩(wěn)定,模型計算的滲渠出水量及其衰減過程見圖 3,此時滲渠很難滿足工業(yè)的用水需求,需要水庫補水。

圖3 河流斷流后滲渠出水量及其衰減曲線圖

4 水庫補水調(diào)節(jié)的分析計算[6]～[8]

(1)水庫補水水源:無定河多年平均徑流量 28.74 m3/s,每年 10月-翌年 4月河水徑流穩(wěn)定、徑流量大,在 10-50 m3/s之間;該時期河水含沙量低,一般 1、2月在 0.5 kg/m3左右,3、4、10、11、12月在 2～4 kg/m3之間,且為農(nóng)業(yè)用水量小的季節(jié),可作為水庫蓄水的補給水源。

(2)庫容:臥虎山水庫的總庫容為 640×104m3,調(diào)節(jié)庫容 221.74×104m3,在水庫加固時預(yù)留了 195×104m3的淤積庫容。

(3)水庫自然來水與消耗:臥虎山水庫區(qū)無水文站控制,按水文比擬法以馬湖峪水文站作為參證站計算臥虎山水庫月總徑流量過程見圖 4;水庫的年蒸發(fā)量為 124.14×104m3;水庫的年滲漏損失量為 45.22×104m3;水庫的年灌溉用水量為 25×104m3。

圖4 臥虎山水庫月總徑流量過程線

(4)水庫的補水方案:水庫向鹽化工業(yè)集中區(qū)的供水量按 4.8×104m3/d核算,供水的保證率為 95%;為保證水庫工程的持續(xù)和穩(wěn)定供水,分別按河流斷流(及小流量來水)45天和 60天考慮,即以水庫取水 45天和 60天作為兩種水庫供水方案設(shè)計,兩種供水方案的水庫取水量分別為 216×104m3和 288×104m3(即平均為 4.8×104m3/d),該取水量與水庫枯水年(95%)缺水量之和即為無定河向水庫的年補水量,兩種供水方案的水庫年補水量分別為 265×104m3、337×104m3(表 1)。按 45天供水方案計算三種補水方案的泥沙淤積量分別為 0.13×104m3/a、0.68×104m3/a、0.49×104m3/a,水庫調(diào)節(jié)的淤積量按 10年計算,則三種補水方案的淤積量分別為 66.3×104m3、71.8×104m3、69.9×104m3;按 60天供水方案計算三種補水方案的泥沙淤積量分別為 0.17×104m3/a、0.87×104m3/a、0.63×104m3/a,水庫調(diào)節(jié)的淤積量按 10年計算,則三種補水方案的淤積量分別為 66.7×104m3、73.7×104m3、71.3×104m3。

表1 無定河調(diào)水與臥虎山水庫蓄水方案成果表

(5)水庫水量的調(diào)節(jié)計算:水庫水量調(diào)節(jié)一般控制在興利庫容 221.74×104m3范圍內(nèi)。臥虎山水庫的興利庫容是預(yù)留了 30年 195×104m3淤積量的興利庫容,也就是說除去10年調(diào)節(jié)計算期的最大淤積量 73.4×104 m3,還有 121.6×10 4m3的調(diào)節(jié)庫容可供利用,即本次水庫水量調(diào)節(jié)計算的可調(diào)節(jié)庫容為 343.34×104m3。水庫水量的調(diào)節(jié)計算結(jié)果見表 2和表 3,兩種供水方案下的水庫月蓄水量最大值分別為 264.36×104m3和 337.36×104m3,均小于水庫可調(diào)節(jié)庫容 343.34×104m3,故水庫補水與供水方案是可行的,水庫補水量與供水量是可靠的。

表2 水庫供水 45天的水量調(diào)節(jié)計算結(jié)果表 104 m3

表3 水庫供水 60天的水量調(diào)節(jié)計算結(jié)果表 104m3

5 結(jié)論

利用數(shù)值模擬計算的正常來水條件下的滲渠可供水量為 4.8×104m3/d,可以滿足工業(yè)近期的需水量,在枯季小流量或斷流的情況下滲渠出水量大幅度減少,很難滿足工業(yè)用水需求;以 4.8×104m3/d的水庫供水量計算,兩種供水方案下的水庫月蓄水量最大值分別為 264.36×104m3和 337.36×104m3,均小于水庫可調(diào)節(jié)庫容 343.34×10 4m3,故水庫補水的供水方案是可行的。因此,米脂縣張家灣水源地滲渠與水庫聯(lián)合調(diào)配供水解決了米脂鹽化工業(yè)循環(huán)經(jīng)濟集中區(qū)近期 4.6×104m3/d的需水量,該供水模式對同類型區(qū)域(黃土高原地區(qū))具有重要推廣應(yīng)用價值。

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