吳祖成

(河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

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解析
—均衡法在淮河流域河南平原地下水水源地中的應用

吳祖成

(河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質勘查院，河南 鄭州 450001)

[摘要]近年來，在淮河流域河南平原區(qū)，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化建設進程不斷加快，城區(qū)人口迅速增加，工業(yè)產(chǎn)值和人們生活水平日益提高，城市的工業(yè)及居民生活需水量將隨之大增，水資源緊缺和供水不足已成為制約淮河流域河南平原城市經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。因此，為促進淮河流域河南平原主要城市經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局責成河南省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質勘查院開展淮河流域河南平原主要城市地下水水源地選址論證工作。水資源計算對于水源地無論是選址還是勘察設計等都致關重要，針對淮河流域河南平原第四系含水層水文地質特征，本方法較為適用可行。

[關鍵詞]水源地；含水層組；越流；水資源

1典型區(qū)域的選取

本次以淮濱縣城臺頭北部的后大莊—東圍子一帶為典型區(qū)域，以中深層供水能力2萬m3/a水源地為例，根據(jù)選取區(qū)水文地質條件概化邊界條件和計算模型，進行開采降深模擬計算，水資源保障程度分析，來闡述本方法在地下水水源地建設中的應用。

2選取區(qū)水文地質條件

2.1含水層組特征及富水性

區(qū)內地下水按含水介質空隙性質劃分為松散巖類孔隙水，其含水層組為松散巖類孔隙含水層組。依據(jù)含水層組的埋藏條件、水力性質，以上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)較連續(xù)的一層穩(wěn)定隔水層為界，上部為淺層水含水層組，下部為中深層水含水層組。

2.1.1淺層水含水層組

遍布全區(qū)，其巖性為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)的泥質粉細砂、細砂、中粗砂、砂礫石及粉土、粉質粘土。底板埋深20～50 m，含水砂層的空間分布較穩(wěn)定，局部呈透鏡體狀?？梢?層砂層，單層厚度4～18 m，累計厚度9～20 m。其富水程度可分為富水區(qū)及中等富水區(qū)，其富水區(qū)分布于方莊、黑寺、徐腰莊等地，含水層巖性主要由細砂、中粗砂、砂礫石組成，底板埋深20～50 m，含水層厚9～20 m，單井出水量1 026.67～2 775.6 m3/d。中等富水區(qū)分布在南部馬集、臺頭一帶，含水層巖性主要由上更新統(tǒng)細砂、粉細砂及中更新統(tǒng)含礫中砂、砂礫石組成，底板埋深24～55 m，含水層厚9～32 m，單井涌水量540～891 m3/d。

2.1.2中深層水含水層組

區(qū)內普遍分布，其巖性為中更新統(tǒng)砂礫石層及下更新統(tǒng)泥質中粗砂、泥質中砂、泥質中細砂、砂礫石。含水層頂板埋深50～70 m，砂層的厚度較穩(wěn)定，可見7～9層砂，單層厚度6～12 m，累計厚度達60～70 m。單井涌水量1 151.92～2 235.38 m3/d，屬富水區(qū)。

2.2地下水補給徑流和排泄條件

2.2.1淺層地下水的補給、徑流、排泄

區(qū)內淺層地下水的補給來源主要有大氣降水入滲補給、灌溉回滲補給、地下水徑流補給；地下水的徑流緩慢，方向主要為自西向東。在區(qū)內東南角，徑流方向近似垂直于淮河河道；淺層地下水的排泄方式有蒸發(fā)，人工開采及河流排泄。

2.2.2中深層地下水的補給、徑流、排泄

區(qū)內中深層地下水的補給以接受西部深層地下水的側向徑流補給及上部淺層地下水的越流補給。

中深層地下水的徑流相對較微弱，滲透系數(shù)1.98～9.84 m/d。地下水總體流向為自西向東。

中深層地下水的排泄方式主要有人工開采和徑流排泄。人工開采主要是村民集中供水井、農業(yè)灌溉井的開采，以及臺頭等鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水井、工業(yè)用水井的開采，一般為以鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采井為中心的微型降落漏斗，但僅是局部地帶改變了地下水徑流條件。其它地段無開采，中深層地下水的補給、徑流、排泄條件仍保持天然狀態(tài)。

3計算評價原則

本次選取的擬建水源地大部分面積為沖湖積緩傾斜平原，根據(jù)區(qū)內水文地質條件，選擇布井區(qū)為富水區(qū)，參照《河南省淮濱縣1：10萬區(qū)域水文地質調查報告》選取水文地質參數(shù)，使用解析法進行定流量開采降深預測，以確定擬建水源地開采方案；利用均衡法及靜態(tài)儲存量的計算來驗證地下水資源補給與消耗的差額和可調節(jié)程度，進而評價擬建水源地地下水補給保障程度，中深層隔水頂板作弱透水層考慮。

4邊界條件的概化及計算模型的建立

4.1邊界條件的概化

選取區(qū)中深層含水層分布廣泛，將其概化為無限均質含水層。

4.2計算模型的建立

淺層地下水對深層地下水有一定的越流補給，采用第一類越流系統(tǒng)干擾井公式進行計算。

公式：

(1)

5計算參數(shù)的確定

根據(jù)本區(qū)水文地質條件，由于開采井布置在富水區(qū)，單井出水量Q可以取平均值為2 000 m3/d；由于淮濱縣圍子水源地緊鄰本區(qū)東部，水文地質條件與本區(qū)相似，水文地質參數(shù)經(jīng)實際驗證較為可靠，所以根據(jù)《河南省淮濱縣城圍子水源地普查報告》，含水層導水系數(shù)T取425.0(m2/d)，含水層彈性釋水系數(shù)μ取5×10-5，弱透水層厚度MZ取35 m，弱透水層垂向滲透系數(shù)KZ取1.0×10-4m/d。

6布井方案及開采量的確定

6.1開采方案

根據(jù)水文地質條件及參考淮濱縣圍子水源地布井方案，擬定布井方案為：南北向布井兩排共10眼，井排距800 m，井距500 m，單井流量根據(jù)水文地質條件及緊鄰本區(qū)東部的淮濱縣圍子水源地取2 000 m3/d，擬建水源地開采量2.0萬 m3/d。

6.2解析法預報擬建水源地開采降深

現(xiàn)有條件下，中深層的開采量與其水位已達到相對平衡。本次降深計算是在現(xiàn)有水位的基礎上，新增開采而產(chǎn)生的水位下降值。

綜上所述條件下，對上述開采方案應用第一類越流系統(tǒng)干擾井流公式(1)，分別計算各井的降深結果見表1。

表1　各開采井降深計算成果表

根據(jù)中深層含水層頂板埋深(老城區(qū)50.55 m，開發(fā)區(qū)64.49 m)和本次枯水期統(tǒng)調水位(HB14K)靜水位埋深16.67 m，引用附近淮濱縣圍子水源地經(jīng)驗值，附加降深取5.81 m，計算上述布設井中的最大水位埋深均小于44.31 m，小于含水層頂板埋深，日開采量2.0萬 m3/d可行。

7水資源保障程度分析

7.1補給量的計算

選取區(qū)中深層地下水的補給有：周邊的徑流補給與淺層水越流補給。

7.1.1周邊徑流補給量計算

采用達西公式進行多年平均計算，按布井方案擬定條件，按選取區(qū)(矩形)外接圓區(qū)域擬定條件，取進入選取區(qū)(矩形)過水斷面計算其徑流量，東斷面視為排泄邊界，計算結果見表2。

7.1.2淺層水越流補給量計算

公式：

Q=A·△h·Kz/Mz

(2)

式中：A為面積(取120 km2)；Kz為隔水頂板(弱透水層)垂向滲透系數(shù)，參考淮濱縣圍子水源地，取1×10-4m/d；Mz為隔水頂板(弱透水層)厚度，取35 m；△h為淺、中深層水位差，取12.0 m；Q為越流補給量(m3/d)。

依據(jù)上式及擬定參數(shù)計算得越流補給量為4 114.29 m3/d。

表2　周邊徑流補給量、排泄量計算成果表

7.2彈性儲存量計算

根據(jù)含水砂層的埋深、厚度及巖性結構等條件，本區(qū)劃為一個區(qū)，見表3。

表3　中深層水資源計算說明表

本區(qū)中深層地下水儲存量計算采用公式：

Q彈為μe·Mcp·△h·F

(3)

式中：Q彈為彈性儲存量，m3；μe為比彈性釋水系數(shù)；Mcp為平均厚度，m；△h為允許水位降深，m；F為計算區(qū)面積，m2。

用式(5-2)計算出含水層、弱透水層可采彈性儲存量，見表4。

表4　中深層水彈性儲存量計算表

7.3開采量評價

經(jīng)上述計算，補給量接近于消耗量，基本達到相對平衡，見表5。

表5　補給量與消耗量對照表

從表5看出，補給量以徑流補給為主，即水源地開采的深層水主要來自計算區(qū)外。區(qū)內中深層水越流補給量(4 114.29 m3/d)僅占補給量(42 603.99 m3/d)的9.66%，即淺層地下水不是中深層地下水的主要補給來源；計算區(qū)在區(qū)域上是淮河沖湖積平原，廣闊無垠，面積較大；且西邊、北邊、南邊沒有大的集中開采量，其對計算區(qū)的徑流補給是有保證的。

另外計算區(qū)中深層水的靜儲量(3 428.04萬 m3)，目前擬定條件下動用調節(jié)量較小，為24.71 m3/d。

綜合上所述，中深層地下水補給較充足，且補給量接近于消耗量，以中深層地下水徑流補給為主，有充分的補給保證。擬建水源地允許開采量2.0 m3/d是有充分補給保證的。

8結語

本次計算是采用10眼開采井同時連續(xù)開采30 a而引發(fā)的降深，同時考慮了開采井間的相互干擾作用，并通過均衡法計算水資源的保障程度，布井方案與設計開采量基本合理可靠。

實際水源地開采過程中是不連續(xù)的，若按本次布井方案，達到2萬 m3/d供水量，單井日出水量大于本次設計值，應采取優(yōu)良的成井工藝，同時注意開采井間的合理采、停調節(jié)，以延長開采井的使用壽命。

在水源地周圍，尤其是上游補給區(qū)劃定水源地保護區(qū)，嚴禁淺層、中深層混采，同時中深層采取限制性開采的辦法，對水源地進行保護。

以上僅供參考，在實際水源地應用中，仍需要做大量的勘查工作及布設井深、成井工藝要求等。

參考文獻

[1]張海嬌，等.河南省淮河流域主要城市應急(后備)地下水水源地論證報告[R].河南省地礦局第五地質勘查院.2013.

[2]羅文金，等.河南省淮濱縣城圍子水源地普查報告[R].河南省地礦局第一地質工程院.2002.

[3]河南省地礦廳水文地質三隊.河南省淮濱縣(1：10萬)區(qū)域水文地質調查報告[R].河南省地礦廳水文地質三隊.1996.

[4]供水水文地質手冊編寫組.供水水文地質手冊第三冊[M].地質出版社.1983.

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]吳祖成(1980-)，男，河南信陽人，工程師，主要從事水工環(huán)地質工作。

[中圖分類號]P641.8

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)01-0042-03