陳鵬+韓小剛+李強+熊平華

摘 要：在簡要介紹研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，針對輻射井取水方式設(shè)計了兩種開采方案，采用改進后的輻射井取水“滲流-管流”耦合模型計算了允許開采量。通過對比分析這兩種方案的取水效果，最終確定了木頭峪水源輻射井取水的允許開采量，這對研究區(qū)地下水的合理開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地下水；輻射井；允許開采量；取水方案

中圖分類號：TU991.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.013

水是人類賴以生存和發(fā)展的不可替代的自然資源，尤其是在干旱、半干旱地區(qū)，地表水資源相對匱乏，在沒有可供開采的地表水資源時，只能考慮開采地下水，而傳統(tǒng)管井的出水量小，難以滿足大量供水的需求。

輻射井取水工程可激發(fā)河床滲漏補給，尤其是在干旱、半干旱區(qū)域的第四系沖積含水層厚度較薄的河谷區(qū)，輻射井的單井出水量遠大于傳統(tǒng)管井。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

木頭峪水源地屬于佳縣行政區(qū)，位于佳縣東部的黃河河谷區(qū)，為干旱、半干旱地區(qū)，地勢平坦，沖積層結(jié)構(gòu)松散，孔隙率高，地下水主要賦存于砂礫卵石層和含礫砂層的孔隙內(nèi)，第四系沖積含水層與下伏基巖風(fēng)化裂隙帶含水層之間無穩(wěn)定隔水層，共同構(gòu)成雙重含水介質(zhì)的統(tǒng)一含水體。河漫灘第四系沖積層的厚度在11 m左右，含水層巖性主要為卵礫石層，夾有粗砂層，孔隙率較高，透水性較強，水位埋藏淺，一般為1～2 m。河漫灘第四系除接受大氣降水入滲補給和一級階地沖積含水層的側(cè)向徑流補給外，開采狀態(tài)主要激發(fā)黃河滲漏補給，尤其是在黃河漫灘近河地帶，地下水的賦存條件較好。一級階地沖洪積含水層巖性以泥質(zhì)砂礫石和含礫砂層為主，巖性顆粒較細，孔隙率相對較低，透水性一般，水位埋深較深，含水層厚度較薄，外側(cè)緊靠黃河河谷基巖谷坡，可得到谷坡基巖裂隙地下水的補給微弱，地下水賦存條件相對較差。

總體上看，黃河河谷從一級階地后緣至漫灘前緣，地下水賦存條件逐漸轉(zhuǎn)好，尤其是在漫灘前緣近黃河水邊線地帶，第四系沖積層孔隙潛水可得到黃河水的滲漏補給。

2 研究區(qū)邊界概化

根據(jù)上述研究區(qū)水文地質(zhì)條件概況，研究區(qū)東北部邊界為黃河，在天然條件下，地下水在接受大氣降水入滲補給后向黃河排泄。在未來的開采條件下，將激發(fā)黃河河水大量滲漏補給地下水，可將黃河概化為第三類河流邊界。西南邊界位于黃土丘陵區(qū)，黃土層及其下伏基巖的透水性差，加之地形破碎，可將其概化為隔水邊界。取水工程正常工作時不會影響黃河上、下游邊界（即木

頭峪水源地的東南、西北邊界），因此，可將其邊界概化為一類定水頭邊界。木頭峪水源地的頂面為潛水面，在該面上存在降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，可將其概化為潛水面邊界?；鶐r風(fēng)化帶以下的基巖結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成了區(qū)域隔水底板。

3 允許開采量的計算

3.1 模型簡介

傳統(tǒng)的地下水取水工程模型大多采用純滲流模型計算，純滲流模型中僅考慮滲流。然而，在地下水輻射井取水工程中流動的不僅僅是滲流，還包括管流等，流態(tài)也不僅僅是層流，還包括紊流等多種流態(tài)。陳崇希教授等通過引入等效滲透系數(shù)的概念建立了“滲流-管流”耦合模型，結(jié)合了滲流與管流耦合，解決了多種流態(tài)下的地下水流問題。結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，建立輻射井取水“滲流-管流”耦合模型并計算其允許開采量。改進后的“滲流-管流”耦合模型以井管與含水層之間的交換量為耦合點，進行井管有限差分網(wǎng)格耦合，可更好地模擬輻射井取水的水流狀態(tài)：

式（1）中：x，y，z為坐標變量，m；K為滲透系數(shù)，m/d；H為地下水位標高，m；D為計算區(qū)的范圍；n為二類邊界外法線的方向；Γ2為第二類邊界；Γ1為第一類邊界；H1為第一類（定水位）邊界水位標高，m；Qe為井管與含水層之間的水量交換，m3/d；C為井管過濾器透水性能，m2/d；Hp為“井管”內(nèi)水位，m；Qp為井管內(nèi)的出水量，m3/d；d為“井管”的直徑，m；g為水的重力加速度，m/s2；ΔH為水頭損失，m；u為水的運動粘滯系數(shù)，m2/s；v為滲流速度，m/s；Hs為取水建筑物內(nèi)抽水動水位，m。

3.2 模型計算

根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等資料建立輻射井取水“滲流-管流”耦合模型。結(jié)合當?shù)厮牡刭|(zhì)條件，考慮到井與井之間的干擾，在木頭峪水源地設(shè)計了8眼和10眼大口徑輻射井開采地下水。輻射井豎井直徑為2 m，距黃河平水期水邊線50 m，每眼輻射井設(shè)有9根輻射管，其中，平行于河流的2根輻射管長為50 m，垂直于河流伸向漫灘的輻射管長為40 m，其余5根輻射管垂直河流呈扇形伸向河床底部。5眼輻射井方案中各輻射井豎井與豎井之間的距離為200 m，相鄰兩輻射井的輻射管相距100 m；7眼輻射井方案中各輻射井豎井與豎井之間的距離為150 m，相鄰兩輻射井的輻射管相距50 m。

為了準確刻畫輻射井復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，首先采用長方體單元對計算域精細剖分，沿東西方向剖分為498列，沿南北方向剖分為186行，單層活動單元個數(shù)為68 305個，實際代表水平面積為1 707 625 m2，剖分網(wǎng)間距為5 m，垂向上剖分為10層。其中，第四系含水層占1層，基巖裂隙含水層占9層，最下一層厚4.8 m，剩余的按等間距剖分為8層，每層厚3 m，總活動單元個數(shù)為683 050個。在剖分網(wǎng)的基礎(chǔ)上，采用輻射井的取水“滲流—管流”耦合模型求解，計算結(jié)果如表1和表2所示。

對比木頭峪水源地8眼輻射井方案中單井與群井共同作用下的各輻射井取水量計算結(jié)果可知，由于在布設(shè)輻射井時考慮了各輻射井間不產(chǎn)生顯著影響，各輻射井間相互干擾小，群井作用下各輻射井水量平水期減少僅為573.96 m3/d，僅僅減少了3.60%，群井作用下各輻射井水量枯水期減少僅為1 469.32 m3/d，僅僅減少了13.9%，見表1.各輻射井在同一時期出水量的差距主要受滲流井所在地的參數(shù)影響。

對比木頭峪水源地10眼輻射井方案中單井與群井共同作用下的各輻射井取水量可知，雖然增加2眼輻射井可使相鄰兩輻射井之間的距離減小，但各輻射井間的相互干擾卻沒有明顯增加。計算結(jié)果表明，木頭峪水源地群井作用下各輻射井水量在平水期減少至1 180.39 m3/d，僅減少了5.82%，枯水期減少至2 774.83 m3/d，僅減少了20.51%.各輻射井在同一時期出水量的差距主要受滲流井所在地相關(guān)參數(shù)的影響。

對比黃河平水期與枯水期各輻射井取水量的計算結(jié)果可知，當枯水期黃河水邊線后退時，各輻射井設(shè)計輻射孔多位于黃河之下，但黃河水邊線后退時水位也會下降，導(dǎo)致黃河水滲漏補給時的水力坡度變小，進而使各輻射井的出水量明顯減小。然而，各輻射井在黃河水邊線后時的位置不同，導(dǎo)致各輻射平枯期的出水量差值也不同。

根據(jù)2種方案的計算結(jié)果，當采用8眼輻射井方案開采區(qū)內(nèi)地下水時，建議在平水期的正常開采量為15 300 m3/d，在枯水期的開采量為9 000 m3/d；當采用10眼輻射井方案開采區(qū)內(nèi)地下水時，建議在平水期的正常開采量為19 100 m3/d，在枯水期的開采量為10 700 m3/d。

4 開采方案的選取

由木頭峪水源地8眼輻射井方案單井與群井共同作用下各滲流井取水量的計算結(jié)果可知，在8眼輻射井方案中，輻射井各井之間的干擾較??；在10眼輻射井方案中，雖然增加2眼輻射井會使相鄰兩輻射井的間距縮短，但各輻射井間的相互干擾卻沒有明顯增加，同時，還能明顯增加水源地輻射井的總出水量。然而，隨著輻射井數(shù)量的增加，施工成本也會隨之增長，因此，不建議設(shè)計過多的井。

5 結(jié)論

綜上所述，在枯水季節(jié)黃河水邊線后退時，輻射井的出水量會隨之減少。因此，建議在布設(shè)輻射井的基礎(chǔ)上，配以一定的蓄水工程，并將輻射井獲取的河流滲漏補給量儲存在蓄水工程內(nèi)，這樣可通過“以豐補歉、調(diào)節(jié)平衡”的方式增大區(qū)內(nèi)可利用的水資源總量。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕