宋景峰

遼陽市某建設(shè)工程地下水可開采量計算及其方案設(shè)計研究

宋景峰

（遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000）

水源熱泵技術(shù)作為一項可再生能源技術(shù)正逐漸被各大城市采用和深入研究，但是，該技術(shù)必須利用所在區(qū)域的地下水進行循環(huán)實現(xiàn)建設(shè)項目能量循環(huán)利用，因此，地下水可開采量以及可利用量逐漸成為地區(qū)建設(shè)項目能否實現(xiàn)可持續(xù)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵。文章基于遼陽市健身大廈建設(shè)項目為工程依托，利用現(xiàn)場抽水和回灌試驗方法對該地區(qū)的地下水含水量進行了計算，確定了含水層滲透系數(shù)、回灌滲透系數(shù)、等效半徑和地下水涌水量等參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)地下水徑流量計算結(jié)果對地下水的開采利用情況進行了均衡分析，結(jié)果證明建設(shè)項目的地下水開采處于均衡狀態(tài)。研究過程中，對地下水的開采情況進行了方案設(shè)計，計算了抽水井干擾出水量、回灌井單井干擾回水量等，驗證了游泳館、訓(xùn)練館水源熱泵系統(tǒng)可開采水量的科學(xué)性和可行性。

地下水；可開采量；回灌量；設(shè)計方案

21世紀我國建設(shè)工程取暖問題已經(jīng)由傳統(tǒng)的煤炭燃燒、煙氣排放、燃料堆放等污染情況逐漸向可持續(xù)健康綠色發(fā)展方向轉(zhuǎn)變［1-2］，水源熱泵技術(shù)作為一種比較理想的新技術(shù)已然在建設(shè)項目中的應(yīng)用越來越廣泛［3］。新技術(shù)、新設(shè)備的發(fā)展必然會帶來新一輪技術(shù)的革新和研究［4］。針對于地下水水源熱泵技術(shù)方面：李璇，束龍倉，CHENXunhong等專家學(xué)者［5］研究了兩國地下水資源開采、利用和治理情況，揭示并理論分析了多年地下水用水量的變化規(guī)律；裴宏偉，王彥芳，沈彥俊等［6］對美國的地下水超采和污染情況進行了研究，倡導(dǎo)采用新技術(shù)、新設(shè)備、新方法科學(xué)合理利用地下水資源。而對于水源熱泵系統(tǒng)的研究，邱洋［7］以大商集團撫順百貨大樓為例，對水源熱泵系統(tǒng)取水、用水等地質(zhì)、水文、抽水試驗、數(shù)據(jù)計算等參數(shù)和結(jié)果進行了分析；江劍，董殿偉［8］對我國部分地區(qū)水源熱泵系統(tǒng)工作時溫度場、區(qū)域流場、地質(zhì)環(huán)境以及對周邊的居民影響情況進行了統(tǒng)計，提出了水源熱泵項目建設(shè)過程中存在的諸多問題及其解決措施，為建設(shè)項目的綠色健康發(fā)展奠定了理論和數(shù)據(jù)支撐。

遼陽市健身大廈水源熱泵空調(diào)項目位于遼陽市中心路新體育場東側(cè)，規(guī)劃占地面積10450m2，總建筑面積 12659.07m2，游泳館和健身館面積為8604.46m2，訓(xùn)練館面積為2234.42m2。建設(shè)項目施工過程中擬建5眼抽水井、9眼回灌井以滿足地下水提取需求，并且要求系統(tǒng)運行最大負荷時，游泳館需水量為204m3/h和訓(xùn)練館需水量為78.5m3/h的用水要求，地下水位應(yīng)滿足現(xiàn)有水泵技術(shù)能力的要求。鑒于以上研究目標(biāo)，特對遼陽市地下水含水量及其可開采量情況進行分析，對建設(shè)項目所在地區(qū)地下水可開采量情況進行詳細計算，分析地下水的開采、回灌平衡關(guān)系，對地下水的開采設(shè)計方案等進行可行性的研究和驗證，以確保地下水量滿足建設(shè)項目所需水量的要求。

1 工程地質(zhì)概況

太子河沖洪積扇發(fā)源于山前出口位置，基底地勢東高西低，呈簸箕狀；含水層自東向西粒徑顆粒組成明顯，由粗大軟石向砂含礫石逐漸過渡，具有較強的導(dǎo)水及其儲水能力；基巖埋藏較深，第四系覆蓋層厚度大，自下而上逐漸由卵石層向粘性土及砂層過渡。建設(shè)項目區(qū)域位于太子河沖洪積扇上，地表分布有6～8m的黃褐色亞砂土，富水巖層多為砂和礫石等。該區(qū)域地勢較低，地面起伏較小，大氣降雨能夠直接進行補給，兩側(cè)丘陵區(qū)域地表徑流水量補給，以及上游段水源補給等，地下水埋藏深度在7～15m，且地表面的80%被建筑物和道路覆蓋，主要人工開采有遼陽自來水、鞍山自來水、鞍鋼公司及工業(yè)自備井開采，以及農(nóng)業(yè)灌溉和居民生活用水開采等，地下水含量豐富。如圖1所示為建設(shè)工程區(qū)地下水位等值線圖。

圖1 建設(shè)工程區(qū)地下水位等值線圖

2 地下水可開采量計算

2.1 參數(shù)分析確定

2.1.1 抽水試驗及其參數(shù)計算

通過現(xiàn)場抽水和回灌試驗對地下水可開采量進行研究，具體操作為在現(xiàn)場工作區(qū)范圍內(nèi)鉆探試驗井完成，其中觀測和試驗主要工具包括：電測水位計、大功率潛水泵及其水表等［9］。試驗過程中的滲透系數(shù)及其影響半徑等參數(shù)由公式（1）和公式（2）進行計算可得，試驗數(shù)據(jù)和計算的結(jié)果見表1，S～Q關(guān)系曲線圖如圖2所示。

式中，k—滲透系數(shù)，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半徑，m；S—穩(wěn)定動水位降深，m。

表1 抽水試驗計算成果表

圖2 抽水試驗曲線圖

2.1.2 回灌試驗及參數(shù)計算

回灌試驗采取同時抽灌方式、自然滲透方法注水進行，引進DUPUIT公式計算回灌滲透參數(shù)，并對井水位升高值、回灌水量等參數(shù)進行監(jiān)測［10］。具體見公式（3）和公式（4），數(shù)據(jù)采集及其計算結(jié)果見表2。有公式和計算結(jié)果可知，含水層及其回灌滲透系數(shù)分別為：K=71.06m/d和K′=33.24m/d。

式中，K—回灌滲透系數(shù)，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—回灌水量，m3/d；r—回灌井半徑，m；S—穩(wěn)定動水位降深，m。

表2 數(shù)據(jù)計算結(jié)果統(tǒng)計表

2.2 地下水可開采量計算

結(jié)合本地區(qū)地下水開采方案，本區(qū)域地下水資源論證采用疏干降水法，計算按疏干降水4.0m計［11］。 地下水量采用公式（5）進行計算：

式中，Q—涌水量；K—滲透系數(shù)，m/d；r0—等效半徑，m；H—含水層厚度，m；R—降水影響半徑，m。

等效半徑見公式（6）：

式中，A—評價區(qū)面積。降水影響半徑通過公式（7）進行計算， R=290.1m。

代入公式（5）得，r0=57.7m；代入公式（6）得，求出涌水量Q。

因此，對于該地區(qū)路北公共綠地長 ×寬=180m×50m=9000m2。按疏干降水4m計算，r0=53.5m， Q=663m3/d。

3 地下水均衡計算

3.1 地下水徑流量

根據(jù)公式

式中，Q流—地下水徑流量，m3/d；B—含水層斷面寬度，1000m；K—滲透系數(shù)，m/d；I—地下水水力坡度；H—過水?dāng)嗝婧畬悠骄穸?，m。

計算地下水水利坡度參數(shù)及其計算結(jié)果見表3。

表3 水力坡度計算成果統(tǒng)計表

3.2 地下水均衡計算

地下水均衡關(guān)系按公式（8）計算，計算結(jié)果見表4。

式中，ΔQi—年地下水補給量與地下水消耗量均衡差，m3/a；K—開采系數(shù)，取0.9；Q排—年地下水綜合排泄量，m3/a；Q耗—地下水開采量，m3/a。

表4 地下水均衡計算結(jié)果統(tǒng)計表

通過以上計算，對地下水消耗量和補給量均衡差、開采量及其綜合排泄量進行了計算，分析后發(fā)現(xiàn)ΔQi=KQ排-Q耗=4.0752×106m3/a，地下水補給量遠大于消耗量，地下水開采成正均衡關(guān)系，即滿足建設(shè)項目地下水資源取用水需求。

4 地下水量開采方案設(shè)計

4.1 設(shè)計成井技術(shù)指標(biāo)

設(shè)計井徑1000mm，井管直徑406mm，壁厚7mm，井深30mm左右，濾水管根據(jù)地質(zhì)層位在15～30m之間，長度15mm?；毓嗑臑V水管根據(jù)地質(zhì)層位在15～30m之間，長度20mm。濾水管采用φ406mm螺旋鋼管加工為條形過濾器，孔隙度達到15%～20%。

4.2 抽水井干擾出水量的計算

根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)資料，結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，在地下水位90%頻率條件下計算多孔干擾情況下的單井出水量［12］。計算公式見公式（9），出水量計算結(jié)果見表5。

式中，a—抽水井間距的一半，m；L—影響半徑的二倍，m；K—滲透系數(shù)，m/d；R—影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半徑，m；S—穩(wěn)定動水位降深，m。

表5 計算數(shù)據(jù)及其出水量計算結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)公式（10）及其表5計算結(jié)果，含水層厚度為18.5m，抽水井間距達到45m時，Q單井=80m3/h＞78.5m3（訓(xùn)練館最大需水量）， Q每天=1888m3。在工程建設(shè)過程中，若保證三口供水井同時工作，則每小時總出水量為：78.6×3=235.8m3，約為236m3＞204m3（游泳館最大需水量的要求）。因此，抽水井干擾出水量滿足工程建設(shè)要求。

4.3 回灌井單井干擾回水量計算

根據(jù)公式（10）計算多孔干擾情況下單井回水量，計算結(jié)果統(tǒng)計見表6。

式中，K′—滲透系數(shù)，m/d；R—回灌井影響半徑，m；H—含水層厚度，m；Q′—單井干擾回灌量，m3/d；r—回灌井半徑，m；S′—回灌井水位壅高值，m。

表6 計算數(shù)據(jù)及回水量計算結(jié)果統(tǒng)計表

建設(shè)項目施工過程中，由于在建工程及其現(xiàn)場施工環(huán)境的復(fù)雜性影響，選取該系統(tǒng)回灌井最不利情況進行研究，考慮系統(tǒng)的維修預(yù)留空間情況，因此，在埋深為5.57m以及90%保證率條件下，地下水上升高度按照最大計為37.5m。根據(jù)表6計算結(jié)果可知：含水層達到23m時，井內(nèi)水位上升高度hmax=3.75m，單井的干擾回灌量為44.7m3/h，按照回水井為5眼進行設(shè)計，游泳館的總回灌量為223.5m3/h＞204m3/h（滿足項目回灌量的要求）。此外，項目訓(xùn)練館按照回水井2眼進行設(shè)計，計算總回灌量為89.4m3/h＞78.5m3/h（滿足項目回灌量的要求）。

4.4 設(shè)計方案可行性分析

通過以上研究發(fā)現(xiàn)：擬建設(shè)項目需水量最大為游泳館和訓(xùn)練館，分別為 204m3/h和 78.5m3/h，而該地區(qū)地下水可開采量達到684m3/h和661m3/h，完全滿足建設(shè)工程的用水需求。因此，建設(shè)項目新技術(shù)的實施對地下水量影響較小。此外，該新設(shè)備系統(tǒng)采用了氣-水分離技術(shù)、微機調(diào)頻供水技術(shù)和溫控技術(shù)等，幾乎不會對地下水造成浪費和污染。地下水量可開采量方案設(shè)計用水工藝及節(jié)水措施處于國內(nèi)和同行業(yè)較先進水平，不僅可減少潛水泵的過剩消耗，還能對建設(shè)項目所在地區(qū)的地下水環(huán)境產(chǎn)生較好的保護作用。

結(jié)合以上兩方面進行分析可知，本項目設(shè)計取用水方案合理，具有較強的可行性。

5 結(jié)語

本文基于遼陽市健身大廈建設(shè)項目為研究背景，通過現(xiàn)場抽水和回灌試驗對該地區(qū)地下水可開采量進行了計算，確定了含水層滲透系數(shù)、回灌滲透系數(shù)、等效半徑、地下水涌水量等參數(shù)，抽水試驗SQ曲線關(guān)系，對地下水的開采利用情況進行了均衡分析，研究表明：地下水開采成正均衡關(guān)系，即滿足建設(shè)項目地下水資源取用水需求?；谝陨蠀?shù)指標(biāo)設(shè)計了地下水量的開采設(shè)計方案，通過計算抽水井干擾出水量、回灌井單井干擾回水量，研究發(fā)現(xiàn)：該設(shè)計方案能夠滿足建設(shè)項目地下水量開采及其用水需求，具有較好的適用性和推廣應(yīng)用價值。

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S273.4

A

1008-1305（2017）05-0054-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.019

2017-02-26

宋景峰（1969年—），男，高級工程師。