唐石山，徐玲俊

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第十一地質(zhì)隊(duì)，河南 商丘 476000;2.河南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450053)

神火工業(yè)園備用水源地地下水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)

唐石山1，徐玲俊2

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第十一地質(zhì)隊(duì)，河南 商丘 476000;2.河南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，河南 鄭州 450053)

永城市神火工業(yè)園備用水源地地下水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)主要是對(duì)中深層地下水允許開(kāi)采量進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)，采用均衡法、解析法和開(kāi)采抽水試驗(yàn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)中深層地下水允許開(kāi)采量，通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，地下水允許開(kāi)采量差別較小，按水源地?cái)M定的開(kāi)采量開(kāi)采是可行的。在現(xiàn)有開(kāi)采條件下，水源地開(kāi)采20 a中心井的最大井壁動(dòng)水位埋深97.88 m，位于含水層頂板之上，故在規(guī)劃年限內(nèi)開(kāi)采1.80×104m3/d是可行的。因此，該水源地的允許開(kāi)采量是完全可靠的。

水源地;計(jì)算;評(píng)價(jià)

永城市神火工業(yè)園備用水源地地下水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)主要是對(duì)中深層地下水允許開(kāi)采量進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)，允許開(kāi)采量是指在限定的開(kāi)采期內(nèi)，開(kāi)采井群中心管井動(dòng)水位埋深在允許降深范圍內(nèi)所獲得的最大開(kāi)采量，且不發(fā)生環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。根據(jù)水源地中深層地下水的水文地質(zhì)條件，其評(píng)價(jià)原則是:①開(kāi)采期年限為20年;②開(kāi)采井群中心管井動(dòng)水位埋深不超過(guò)100 m;③開(kāi)采地下水不致于產(chǎn)生地面沉降、水質(zhì)污染、水源嚴(yán)重干擾等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，④采用多種方法進(jìn)行計(jì)算與評(píng)價(jià)。

永城市神火工業(yè)園備用水源地詳查陳官莊水源地采用均衡法、解析法和開(kāi)采抽水試驗(yàn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)中深層地下水允許開(kāi)采量。

1 計(jì)算參數(shù)的確定

根據(jù)各類型抽水試驗(yàn)所求得水文地質(zhì)參數(shù)，陳官莊水源地計(jì)算采用 T=274.2 m2/d，μe=3.71 ×10－4，a=8.75 ×105m2/d，綜合考慮以陳官莊水源地探采井求取的水躍值為主，水躍值取平均值7.52 m。

2 均衡法計(jì)算中深層地下水允許開(kāi)采量

2.1 地下水補(bǔ)給量的計(jì)算

2.1.1 水源地開(kāi)采后補(bǔ)給帶寬度的確定

陳官莊水源地補(bǔ)給帶的寬度即開(kāi)采后降落漏斗的周邊長(zhǎng)度，只要求出陳官莊水源地開(kāi)采后降落漏斗的半徑即可求出補(bǔ)給帶的寬度，水源地開(kāi)采降

落漏斗為一近似圓形，其補(bǔ)給周長(zhǎng)可由下式計(jì)算求得:

式中:C為補(bǔ)給周長(zhǎng)(m);R為水源地影響半徑(m)

水源地的影響半徑R采用層流完整井裘布依承壓水“大井法”計(jì)算公式:

得

式中:R為影響半徑(m);K為滲透系數(shù)(m/d)，各孔抽水試驗(yàn)平均值取2.34 m/d;M為含水層厚度(m)，取值39.0 m;Sw為水位降深(m)，取值48.64m(為開(kāi)采15年的預(yù)測(cè)降深);Q為水源地開(kāi)采量18 000 m3/d;rw為水源地概化為大井的半徑(m)，取值3 000 m。

通過(guò)解析法計(jì)算擬建水源地開(kāi)采15年后，下降趨于緩慢(年降幅0.15 m)，可視為近似穩(wěn)定，故開(kāi)采時(shí)間(t)按15年計(jì)算。通過(guò)計(jì)算，陳官莊水源地開(kāi)采后的影響半徑R=14 125.38 m。代入(1)式，求得補(bǔ)給周長(zhǎng)為:

2.1.2 中深層地下水降落漏斗周邊徑流補(bǔ)給量

1)計(jì)算公式:

2)參數(shù)確定

B:地下水周邊徑流補(bǔ)給帶的周長(zhǎng)，為88 707.39 m;

I:水力坡度，為漏斗周邊的平均水力坡度，取值為1/1 500;

T:導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)，取值為:274.2 m2/d;

將以上參數(shù)代入(3):

2.2 可利用彈性儲(chǔ)存量的計(jì)算

區(qū)內(nèi)中深層地下水水位埋深平均約為15.80 m，水源地設(shè)計(jì)動(dòng)水位埋深為100 m，則地下水水位變幅(△s)為84.20 m。由下式計(jì)算可以利用彈性儲(chǔ)存量。

計(jì)算公式:

式中:Q彈儲(chǔ)為地下水可利用彈性儲(chǔ)存量(m3/d);F為計(jì)算面積(km2)，取值 3.14 ×14 125.382 m2;μe:彈性釋水系數(shù)，3.71 ×10－4;△s為水位變幅(m)，84.20 m;△t為計(jì)算時(shí)間(d)，365 ×20 d。

將以上參數(shù)代入(4):

2.3 地下水排泄量的計(jì)算

通過(guò)調(diào)查，內(nèi)區(qū)及附近中深層地下水目前基本沒(méi)有開(kāi)采，僅劉河礦有1眼供水管井，開(kāi)采量約為200 m3/d。

2.4 地下水允許開(kāi)采量的計(jì)算

由中深層地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，建立中深層地下水均衡方程。

計(jì)算公式:

式中:Q允為地下水允許開(kāi)采量(m3/d);Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給量(m3/d);Q彈儲(chǔ)為地下水可利用彈性儲(chǔ)存量(m3/d);Q開(kāi)為地下水現(xiàn)狀開(kāi)采量(m3/d)

將以上參數(shù)代入(5)式:

2.5 地下水資源量評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)陳官莊水源地中深層地下水均衡計(jì)算，水源地在開(kāi)采條件下漏斗周邊補(bǔ)給量為16 215.71 m3/d，排泄量為200 m3/d，可動(dòng)用設(shè)計(jì)動(dòng)水位埋深范圍內(nèi)的彈性儲(chǔ)存量2 680.97 m3/d，通過(guò)計(jì)算，陳官莊水源地中深層地下水允許開(kāi)采量為18 696.68 m3/d，故陳官莊水源地按1.80×104m3/d開(kāi)采是可行的。

3 解析法計(jì)算中深層地下水允許開(kāi)采量

3.1 數(shù)學(xué)模型的概化及計(jì)算公式的選取

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)、埋藏條件及含水層間的水力聯(lián)系，區(qū)內(nèi)中深層地下水可以概化如下:

1)水流服從達(dá)西定律。

2)含水層為均質(zhì)，各向同性的承壓含水層，底板水平且無(wú)限延伸。

3)假設(shè)初始水面基本水平。

4)抽水孔均為承壓完整井。

5)無(wú)越流補(bǔ)給。

根據(jù)概化處理，區(qū)內(nèi)中深層地下水采用承壓完整井無(wú)越流泰斯公式計(jì)算。

a:單井無(wú)越流計(jì)算公式:

b:群井干擾無(wú)越流計(jì)算公式:

式中 S為某點(diǎn)的降深值(m);Q為出水量(m3/d);T為導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);W(ui)為井函數(shù);u為井函數(shù)自變量;μ為彈性釋水系數(shù);t為抽水延續(xù)時(shí)間(d)

3.2 允許開(kāi)采量的計(jì)算

3.2.1 開(kāi)采方案的確定

根據(jù)陳官莊水源地探采井實(shí)際抽水資料，管徑Φ325 mm時(shí)，單位涌水量為 1.86～4.65 m3/h·m，換算成 20 m 降深時(shí)，單井出水量37.2～93.1 m3/h，設(shè)計(jì)單井出水量為 1 200 m3/d。

陳官莊水源地勘探孔均為完整井，中深層地下水含水層頂板埋深90～100 m，考慮目前抽水設(shè)備能力，本次水源地勘探設(shè)計(jì)動(dòng)水位埋深按100 m考慮。

3.2.2 水位下降值計(jì)算

水源地在井群干擾抽水條件下，設(shè)單井出水量不變，水位則因各井同時(shí)抽水相互干擾而下降，因而在設(shè)計(jì)井?dāng)?shù)時(shí)，只考慮水位的削減，而不考慮水量的減少。

通過(guò)對(duì)本區(qū)中深層地下水實(shí)際開(kāi)采量、神火工業(yè)園區(qū)水源地、陳官莊水源長(zhǎng)觀資料及葛店煤礦生活飲用供水井的水位調(diào)查，地下水水位年下降速率為0.22 m，目前周邊僅有神火工業(yè)園水源地集中開(kāi)采中深層地下水，允許開(kāi)采量為15 000 m3/d，位于陳官莊水源地西南12 km處及陳集水源地東南13 km處，因而在計(jì)算周邊開(kāi)采對(duì)該水源地的影響降深時(shí)，僅考慮神火工業(yè)園區(qū)水源地的影響，其余按下降速率遞增。

依據(jù)水源地井位布設(shè)方案，計(jì)算20年內(nèi)不同時(shí)間中心井(陳官莊水源地S5探采井和陳集水源地3號(hào)井)的最大動(dòng)水位埋深(見(jiàn)表1)。

區(qū)內(nèi)中深層地下水屬消耗型水源地，在現(xiàn)有開(kāi)采條件下，陳官莊水源地開(kāi)采20年中心井(S5探采井)的最大井壁動(dòng)水位埋深97.88 m，在目前深井抽水設(shè)備允許降深范圍內(nèi)和井壁動(dòng)水位埋深位于含水層頂板之上，在規(guī)劃年限內(nèi)開(kāi)采1.80×104m3/d是可行的。

4 開(kāi)采試驗(yàn)法計(jì)算中深層地下水允許開(kāi)采量

4.1 計(jì)算公式的選取

本次開(kāi)采性抽水試驗(yàn)是按設(shè)計(jì)允許開(kāi)采量18 000 m3/d的開(kāi)采條件進(jìn)行試驗(yàn)的，參加抽水試驗(yàn)的探采結(jié)合孔共13眼，抽水延續(xù)時(shí)間為 30 d，恢復(fù)水位 10 d，平均總出水量為16 802.4 m3/d，為設(shè)計(jì)開(kāi)采量的93.3%，滿足規(guī)范要求。

在抽水第14 d后，水位變化微小，短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間看處于微小等幅下降趨勢(shì)，至抽水結(jié)束，平均下降速率每日0.10 m，故允許開(kāi)采量計(jì)算采用下式:

式中:Q抽為試驗(yàn)的抽水量(m3/d);Q補(bǔ)為開(kāi)采條件下的補(bǔ)給量(m3/d);△s為△t時(shí)間段的水位下降值(m);μF為水位下降1 m時(shí)消耗的儲(chǔ)存量，簡(jiǎn)稱單位儲(chǔ)存量(m3/m)。

計(jì)算方法是用不同的抽水量及水位降速資料，分別代入(9)式解聯(lián)立方程可求出 μF和 Q補(bǔ)。本次計(jì)算采用不同的抽水量Q抽1和Q抽2及對(duì)應(yīng)的水位降速和可建立聯(lián)立方程式:

計(jì)算 Q補(bǔ)后，即可求出 Q允開(kāi):

表1 陳官莊水源地中深層地下水?dāng)M定開(kāi)采方案地下水水位下降值一覽表

4.2 允許開(kāi)采量的計(jì)算

4.2.1 補(bǔ)給量的計(jì)算

根據(jù)抽水試驗(yàn)資料，水位開(kāi)始等幅下降劃分為三個(gè)時(shí)段，各時(shí)段平均水量及平均降速見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)采性抽水試驗(yàn)結(jié)果表

利用表2中的資料可列出3個(gè)方程式:

解聯(lián)立方程求得平均補(bǔ)給量(Q補(bǔ))為16 613.03 m3/d。

4.2.2 水源地開(kāi)采后補(bǔ)給面積的確定

陳官莊水源地補(bǔ)給面積即水源地開(kāi)采后降落漏斗的范圍，只要求出開(kāi)采后(20年)的影響半徑即可計(jì)算出補(bǔ)給面積，水源地近似圓形，其補(bǔ)給面積按下式計(jì)算:

水源地影響半徑采用層流完整井裘布依承壓水“大井法”計(jì)算公式:

式中:R為影響半徑(m);K為滲透系數(shù)(m/d)，各孔抽水試驗(yàn)平均值取2.34 m/d;M為含水層厚度(m)，取值39.0 m;Sw為水位降深(m)，取值48.64 m(為開(kāi)采15年的預(yù)測(cè)降深);Q為水源地開(kāi)采量18 000 m3/d;rw為水源地概化為大井的半徑(m)，取值3 000 m。

通過(guò)解析法計(jì)算，陳官莊水源地開(kāi)采15年后，下降趨于緩慢(年降幅約0.15 m)，可視為近似穩(wěn)定，故水位降深(Sw)采用15年的水位降深值48.64 m。將以上數(shù)據(jù)代入公式(14)求得水源地開(kāi)采后的影響半徑 R=14 125.38.0 m。

根據(jù)(13)式，求得補(bǔ)給面積為:

4.2.3 彈性儲(chǔ)存量的計(jì)算

區(qū)內(nèi)中深層地下水靜止水位埋深平均為15.80 m，水源地勘探設(shè)計(jì)動(dòng)水位埋深按100 m考慮，則在規(guī)劃年限(20年)內(nèi)，地下水位變幅(△s)為84.20 m。

由下式計(jì)算:

4.2.4 地下水現(xiàn)狀排泄量

通過(guò)調(diào)查，內(nèi)區(qū)及附近中深層地下水目前基本沒(méi)有開(kāi)采，僅劉河礦有1眼供水管井，開(kāi)采量約為200 m3/d。

4.2.5 地下水允許開(kāi)采量的計(jì)算

由中深層地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件，建立中深層地下水均衡方程。

計(jì)算公式:

式中:Q允為地下水允許開(kāi)采量(m3/d);Q補(bǔ)為地下水補(bǔ)給量(m3/d);Q彈儲(chǔ)為地下水可利用彈性儲(chǔ)存量(m3/d);Q開(kāi)為地下水現(xiàn)狀開(kāi)采量(m3/d)。

將以上參數(shù)代入(15)式:

通過(guò)計(jì)算，水源地在開(kāi)采條件下形成降落漏斗，周邊補(bǔ)給量為16 613.03 m3/d，排泄量為 200 m3/d，故需動(dòng)用設(shè)計(jì)動(dòng)水位埋深范圍內(nèi)的彈性儲(chǔ)存量，通過(guò)計(jì)算地下水允許開(kāi)采量為 19 094.0 m3/d，故擬建水源地按 1.80×104m3/d開(kāi)采是可行的。

5 結(jié)論與建議

不同方法的計(jì)算結(jié)果較為接近，水源地投產(chǎn)后，每日按擬定開(kāi)采量1.80×104m3/d開(kāi)采是可行的。

對(duì)中深層地下水實(shí)行全面統(tǒng)一規(guī)劃，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，以掌握地下水水量、水位、水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化 趨勢(shì)，進(jìn)一步論證開(kāi)采區(qū)水資源的可靠程度。

［1］水文地質(zhì)手冊(cè).編寫(xiě)委員會(huì)［M］.水文地質(zhì)手冊(cè)(第一版).地質(zhì)出版社.1985.

［2］房佩賢等.專門水文地質(zhì)學(xué)［M］.北京:地質(zhì)出版社.2005.

［3］劉兆昌等.供水水文地質(zhì)(第三版)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2000.

［4］馮億年等.河南省永城市神火工業(yè)園區(qū)陳官莊水源地供水水文地質(zhì)勘探報(bào)告.2005.

Calculation and Evaluation on Groundwater Resource of The Shenhuo Industrial Park Reserve Water Source

TANG Shi－shan，XU Ling－jun
(1.11th Geological team，Exploration and Development Bureau of Henan provincial Geology＆ Mineral Resources，Shangqiu 476000，Henan;2.The Geological team of the 2nd hydrogeological Engineering，Exploration and development bureau of Henan provincial Mineral Resources，Zhengzhou 450053，Henan)

The calculation and evaluation of groundwater resources in the reserve－water－ source of Shenhuo industrial park in Wing city mainly confirm how much the allowable withdrawal quantity of the middle and deep groundwater is.Using the balance method，the analytical method and the exploitation pumping test method，the paper evaluates deep groundwater allowable withdrawal volume. Contrast to the calculating results，the difference of the allowable groundwater exploitation quantity is little. The proposed exploitation quantity according to the source situation is feasible. The water exploitation for 20 years，the maximum sidewall dynamic water level of the central well is depth of 97.88 m，located above the aquifer roof，the exploitation in the plan is 1.80 × 104m3/d. Therefore，it allows the extraction of the water source is completely reliable.

The water－resource place;to calculate and to evaluate

P641.2

A

1004－1184(2012)05－0059－03

2012－06－11

唐石山(1975－)，男，湖南東安人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)工作。