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        基于均衡法和解析法的郟縣四里營(yíng)水源地水資源計(jì)算分析

        2021-07-05 05:25:04邵忠瑞
        地下水 2021年3期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)給量開采量淺層

        邵忠瑞

        (河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院,河南 鄭州 451464)

        1 概況

        研究區(qū)位于郟縣縣城東北四里營(yíng),地勢(shì)西北高東南低,北部地貌類型為崗地,南部為汝河沖積平原區(qū),汝河在本區(qū)南部自西向東偏南流經(jīng)。區(qū)內(nèi)地層較簡(jiǎn)單,地表出露為第四系,鉆孔僅揭露至新近系。對(duì)區(qū)域地質(zhì)、地貌起控制作用的構(gòu)造主要是李口向斜及襄郟斷裂[1]。

        區(qū)內(nèi)汝河河谷平原下伏下更新統(tǒng)中部的粘土、亞粘土層,厚度15~25 m,分布穩(wěn)定,可作為區(qū)域性的相對(duì)隔水層。隔水層之上,全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)上部砂礫卵石迭置在一起,構(gòu)成作為本次研究對(duì)象的統(tǒng)一淺層含水介質(zhì),本文針對(duì)該淺層地下水允許開采量進(jìn)行均衡法和解析法計(jì)算與評(píng)價(jià)。

        2 均衡法計(jì)算評(píng)價(jià)淺層地下水資源量

        2.1 邊界條件概化及數(shù)學(xué)模型的建立[2]

        依據(jù)淺層地下水的水動(dòng)力特征,北部邊界及南部邊界為地下水流線,視為零流量邊界;西邊界為逕流補(bǔ)給邊界;東邊界為逕流排泄邊界;淺層水上邊界為自由水面,底部中更新統(tǒng)致密粉質(zhì)粘土為零流量下邊界[3]。淺層地下水的主要消耗項(xiàng)為人工開采(工業(yè)、農(nóng)業(yè)灌溉和人畜飲用水開采)。數(shù)學(xué)模型如下:

        (1)

        Q補(bǔ)=Q雨滲+Q井灌滲+Q逕補(bǔ)

        (2)

        Q消=Q農(nóng)開+Q飲開+Q工開+Q逕排+Q河排+Q蒸發(fā)

        (3)

        式中:Q補(bǔ)為淺層地下水總補(bǔ)給量(m3/a);Q消為淺層地下水總消耗量(m3/a);μ為水位變動(dòng)帶重力給水度(無量綱);F為計(jì)算區(qū)面積(m2);△H為計(jì)算時(shí)段內(nèi)淺層水水位變化值(m);△t為計(jì)算時(shí)段(d);Q雨滲為大氣降水入滲補(bǔ)給量(m3/a);Q井灌滲為井灌回滲量(m3/a);Q逕補(bǔ)為地下水逕流補(bǔ)給量(m3/a);Q農(nóng)開為農(nóng)田灌溉開采量(m3/a);Q飲開為人畜飲用水開采量(m3/a);Q工開為工業(yè)開采量(m3/a);Q逕排為地下水逕流排泄量(m3/a);Q河排為河流排泄量(m3/a);Q蒸發(fā)為地下水蒸發(fā)量(m3/a)。

        2.2 均衡區(qū)劃分

        區(qū)內(nèi)地貌類型簡(jiǎn)單,主要為汝河沖積平原和崗地,根據(jù)包氣帶巖性特征、含水層巖性特征及水動(dòng)力特征,將計(jì)算區(qū)劃分為3個(gè)均衡區(qū),見圖1和表1。

        圖1 計(jì)算分區(qū)圖

        表1 淺層地下水資源計(jì)算分區(qū)表

        2.3 地下水資源量計(jì)算

        依據(jù)水均衡原理,結(jié)合淺層地下水的補(bǔ)給、逕流、排泄條件,建立如下水均衡方程式:

        (4)

        其中:Q補(bǔ)=Q降+Q入+Q側(cè)+Q回

        (5)

        Q消=Q蒸+Q出+Q開

        (6)

        式中:F為均衡區(qū)面積(km2);μ為水位變動(dòng)帶重力給水度;△t為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)(a);△H為與△t對(duì)應(yīng)的水位變幅;Q補(bǔ)為總補(bǔ)給量(104m3/a);Q消為總消耗量(104m3/a);Q降為降水入滲補(bǔ)給量;Q入為地下水逕流流入量;Q側(cè)為河流側(cè)滲量;Q回為灌溉回滲量;Q蒸為潛水蒸發(fā)量;Q出為地下逕流排泄量;Q開為人工開采量。

        2.3.1 補(bǔ)給量計(jì)算(Q補(bǔ))

        表2 降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算成果表

        表3 淺層地下水側(cè)向逕流補(bǔ)給量計(jì)算成果表

        表4 井灌回滲補(bǔ)給量計(jì)算成果表

        2.3.2 消耗量計(jì)算(Q消)

        表5 井灌用水量表

        表6 淺層地下水側(cè)向逕流排泄量計(jì)算成果表

        表7 地下水蒸發(fā)量計(jì)算成果表

        2.3.3 水均衡計(jì)算

        將各均衡要素代入均衡方程,計(jì)算補(bǔ)給量、消耗量、均衡差、水位變幅,計(jì)算結(jié)果見表8。

        表8 淺層地下水水均衡計(jì)算成果表

        2.3.4 天然資源評(píng)價(jià)

        通過均衡計(jì)算可知,補(bǔ)給量4 678.2×104m3/a,消耗量為5 101.9×104m3/a,均衡差為-423.7×104m3/a ,水位平均下降9.64 m,與區(qū)內(nèi)水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料一致。表明計(jì)算中采用的參數(shù)合理,均衡計(jì)算結(jié)果可靠。

        3 解析法計(jì)算評(píng)價(jià)淺層地下水資源量

        3.1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件概化[4]

        研究區(qū)屬汝河沖積平原區(qū),含水層在區(qū)域上廣泛分布,視為無限含水層;含水層巖性為中粗砂、砂卵石與亞砂土、粉質(zhì)粘土互層,擬布井區(qū)域水位埋深3~5 m,可概化為潛水含水層;研究區(qū)內(nèi)河谷平原下伏下更新統(tǒng)中部的粘土、亞粘土層,厚度15~25 m,分布穩(wěn)定,為淺層含水層的隔水底板。據(jù)此,建立潛水干擾井群模型,采用潛水完整井井群干擾非穩(wěn)定流公式計(jì)算降深[5]。

        (7)

        式中:S為水位降深(m);Q為第i號(hào)抽水井的涌水量(m3/d);r為第i個(gè)抽水井至計(jì)算點(diǎn)的距離(m);T為含水層的導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);μe為給水度;W(ui)為井函數(shù);H0為初始水頭(m);hw為抽水后井中水頭(m);

        K為滲透系數(shù)(m/d);n為開采井總數(shù)。

        3.2 布井方案

        根據(jù)規(guī)劃確定的水源地位置,結(jié)合研究區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)條件,選擇在縣城東部四里營(yíng)以東和以北布井。布井區(qū)域?qū)嶋H抽水資料表明,管徑φ425 mm,降深5.73 m時(shí),單井出水量150 m3/h,單位涌水量為26.18 m3/h·m。

        本著經(jīng)濟(jì)、合理的原則,共布置9眼開采井;開采井分3排布置,井排間距600 m左右,排內(nèi)井間距500 m左右。取水層位為85 m以淺,井直徑0.425 m,設(shè)計(jì)單井出水量120 m3/h,總計(jì)開采量2.592 0×104m3/d。

        3.3 降深計(jì)算

        為方便計(jì)算,不考慮井損,根據(jù)擬定的開采方案,計(jì)算各開采井水位降深。采用的參數(shù)見表9,計(jì)算結(jié)果見表10。

        表9 水文地質(zhì)參數(shù)一覽表

        表10 開采井降深預(yù)測(cè)成果表 m

        由表10可知,開采30年時(shí),5號(hào)井降深最大,為13.54 m,小于含水層厚度的1/4,說明開采方案合理。

        4 結(jié)語

        采用均衡法和解析法對(duì)地下水資源量計(jì)算是常用的方法[6]。相比較而言,解析法數(shù)值較均衡法偏大,其主要原因一是前者在邊界條件概化過程中過于模型化和理想化;二是含水層被概化成均質(zhì)各向同性,導(dǎo)致解析法計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。此外,均衡法和解析法計(jì)算結(jié)果表明該水源地2.0×104m3/d的開采強(qiáng)度是有可行的。

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