田國林，王俊杰

(1.陜西地礦九〇八環(huán)境地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710600；2.陜西地礦地質(zhì)工程勘查院有限公司，陜西 西安 710600)

我國是世界上相對(duì)缺水的國家，且水資源時(shí)空分布不均，部分地區(qū)缺水形勢(shì)嚴(yán)峻，水資源短缺成為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素[1-2]。陜北地區(qū)水資源匱乏，開發(fā)難度大，隨著陜北能源化工基地建設(shè)的加快，水資源供需矛盾日益突出，已成為制約陜北能源化工基地發(fā)展的最大因素。滲流井與管井等傳統(tǒng)地下水取水建筑物相比，滲流井雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其優(yōu)勢(shì)明顯：出水量大、降深較小，良好的自凈作用，不需要頻繁清洗，供水總體成本相對(duì)較低的同時(shí)易于管理[3-6]。由于滲流井與管井等傳統(tǒng)地下水取水建筑物不同，其取水機(jī)理尚不明確，如何優(yōu)化滲流井取水設(shè)計(jì)尚無理論基礎(chǔ)，因此有必要通過必要的手段對(duì)其進(jìn)行探究，抽水試驗(yàn)則是最基礎(chǔ)的研究方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

研究區(qū)位于陜西省榆林市神木縣馬鎮(zhèn)(圖1)。位于縣域東南部的馬鎮(zhèn)，與山西省興縣瓦塘鎮(zhèn)隔黃河相望，北側(cè)與榆林市府谷縣相毗鄰，距離神木縣城52 km。馬鎮(zhèn)雖地處土石山區(qū)，但緊靠黃河，黃河寬闊的河漫灘蘊(yùn)藏了豐富的地下水，得天獨(dú)厚的自然條件，使得滲流井傍河取水成為了可能，改善了陜北地區(qū)干旱缺水的局面。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 氣象水文

神木縣屬溫帶半干旱大陸性氣候，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)。多年平均降雨量422.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 789.9 mm。神木縣境內(nèi)發(fā)育的河流主要有窟野河、禿尾河和黃河等，其中窟野河、禿尾河均為黃河的一級(jí)支流。

2 基本原理

2.1 滲流井基本結(jié)構(gòu)

滲流井是一種利用傍河取水基本原理，通過河流天然濾床過濾作用獲取水資源的地下取水建筑物。其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由滲流孔、硐室、輸水平巷和集水豎井四個(gè)主要部分組成[6](圖2、圖3)，每個(gè)滲流井均由若干個(gè)通過輸水平巷相連的取水硐室組成，各硐室四周設(shè)置有若干個(gè)具有一定仰角的滲流孔，滲流孔伸入河床，使得河床中的水由滲流孔流入各硐室后進(jìn)入輸水平巷，輸水平巷與河流岸邊的集水豎井相通，最終通過集水豎井開采水資源。

圖2 滲流井結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖3 滲流井結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2.2 滲流井井流理論

滲流井作為一種特殊的水井，其井流理論不同于傳統(tǒng)管井。謝水波等[7]、王允麒等[8-10]推導(dǎo)出了薄含水層條件下井底進(jìn)水河床滲井出水量計(jì)算公式。王瑋通過大量實(shí)驗(yàn)研究，引入陳崇希[11-12]等人提出的等效滲透系數(shù)的概念，初步建立了地下水向滲流井流動(dòng)的穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

其中：K為滲透系數(shù)(m/d)；Kh、Kv分別為水平滲透系數(shù)和垂向滲透系數(shù)(m/d)；Kr為河床淤積層的垂向滲透系數(shù)(m/d)；H為地下水位高度(m)；H1為第一類邊界水位標(biāo)高(m)；n為二類邊界外法線方向單位向量；Γ1為一類邊界；Qs為滲流井的開采量(m3/d)；Hs為滲流井抽水動(dòng)水位(m)；Mr為河床淤積層的厚度( m)；Hr為河流水位(m)；qr為河流單位面積的滲漏補(bǔ)給量(m/d)；np為潛水面內(nèi)法線方向單位向量；Γ2為二類邊界；D為計(jì)算區(qū)范圍；d為“井管”的直徑(m)；γ為水的重率( N/m3) ；μ為水的動(dòng)力黏滯系數(shù)(Pa·s)；g為重力加速度( m/s2)；f 為“井管”的摩擦系數(shù)；v 為“井管”中的滲流速度(m/s)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以神木縣馬鎮(zhèn)S3號(hào)滲流井(圖4)為依托，開展?jié)B流井抽水試驗(yàn)，S3號(hào)滲流井豎井位置第四系厚17 m，平巷位于豎井44 m處，第四系觀測(cè)孔深17 m，7 m、11 m、15 m三層觀測(cè)，基巖22 m、47 m兩層觀測(cè)，分層下入自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)儀。

圖4 滲流井及觀測(cè)孔平面位置圖

其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9孔同時(shí)觀測(cè)第四系7 m、11 m、15m三層水位，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S8孔同時(shí)觀測(cè)22 m處基巖水位，S2孔同時(shí)觀測(cè)47 m處基巖水位，S9位于對(duì)岸黃河水邊線。

抽水試驗(yàn)共配置五臺(tái)抽水泵抽水，逐級(jí)增加抽水量，進(jìn)行五次定流量抽水，試驗(yàn)期間采用自動(dòng)水位采集儀對(duì)豎井及各觀測(cè)孔水位進(jìn)行實(shí)時(shí)采集(每隔一分鐘采集一次)，另運(yùn)用大氣補(bǔ)償裝置對(duì)大氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，確保了數(shù)據(jù)采集的詳實(shí)性和準(zhǔn)確性。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 涌水量、降深歷時(shí)曲線

對(duì)五次落程定流量抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得出涌水量、降深歷時(shí)(Q、s-t)曲線如圖5，可以看出隨著抽水抽水流量的增大，豎井水位降深也越來越大。抽水試驗(yàn)初期，涌水量較小，涌水量主要來自于滲流井及其所在含水層，河流滲漏補(bǔ)給水量較少，水位能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而隨著抽水量的增大，滲流井及其所在含水層出水量逐漸減少, 河流滲漏補(bǔ)給量逐漸增加，水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)[13]。

圖5 豎井涌水量、降深歷時(shí)(Q、s-t)曲線圖

3.2.2 涌水量-降深關(guān)系曲線

通過對(duì)五次落程定流量抽水試驗(yàn)豎井涌水量及穩(wěn)定降深數(shù)據(jù)的整理分析，可繪制出豎井(單位)涌水量-穩(wěn)定降深關(guān)系(Q=f(s)，q=f(s))曲線如圖6所示。可以看出，關(guān)系曲線符合傳統(tǒng)抽水試驗(yàn)結(jié)論，當(dāng)降深為3.3 m時(shí)，涌水量為7 243.2 m3/d，降深為5.97 m時(shí)，涌水量為11 044.8 m3/d，當(dāng)降深為10.57 m時(shí)，涌水量為15 804.0 m3/d，當(dāng)降深為21.99 m時(shí)，涌水量為18 816.48 m3/d，當(dāng)降深達(dá)32.35 m時(shí)，涌水量可達(dá)19 267.2 m3/d。

圖6 豎井(單位)涌水量-穩(wěn)定降深關(guān)系(Q=f(s)，q=f(s))曲線圖

4 結(jié)語

(1)滲流井的井結(jié)構(gòu)與井流理論雖然與管井等傳統(tǒng)地下水取水建筑物不同，但通過試驗(yàn)得出，多落程定流量抽水試驗(yàn)同樣適用于滲流井，其涌水量、降深歷時(shí)曲線(Q、s-t)以及涌水量-穩(wěn)定降深關(guān)系曲線(Q=f(s)，q=f(s))均符合傳統(tǒng)抽水試驗(yàn)結(jié)論，因此可作為水文地質(zhì)分析的依據(jù)。

(2)抽水試驗(yàn)初期，涌水量較小，涌水量主要來自于滲流井及其所在含水層，河流滲漏補(bǔ)給水量較少，水位能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；而隨著抽水量的增大，滲流井及其所在含水層出水量逐漸減少, 河流滲漏補(bǔ)給量逐漸增加，水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。