干擾井群法在地下水開采中的應(yīng)用分析

趙中省,李友龍

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院,江蘇 淮安 223005)

我國(guó)逐步提高城鎮(zhèn)化水平,中小城市迅速發(fā)展。中小城市常以地下水為主要供水水源。中小城鎮(zhèn)供水范圍小,供水井集中;供水水文地質(zhì)單元相對(duì)獨(dú)立,在開采地下水的初期,多缺少科學(xué)開采方案、統(tǒng)籌規(guī)劃。地下水多年開采,常出現(xiàn)與地下水開采有關(guān)的一些環(huán)境地質(zhì)問題。如：地下水位逐年不斷下降,地面沉降等。重新調(diào)整地下水開采,設(shè)計(jì)可持續(xù)地下水開采方案,已是這些城市地下水開采、管理的重要內(nèi)容。干擾井群法適宜中小城市地下水開采方案的設(shè)計(jì)。本文以江蘇省淮陰縣城市規(guī)劃區(qū)可持續(xù)地下水開采設(shè)計(jì)方案為例,探討干擾井群法在設(shè)計(jì)地下水開采方案中的應(yīng)用。

地下水是淮陰縣主要供水水源之一,年開采量 467萬 m3,占縣城供水量的 48%,隨著縣城規(guī)模的擴(kuò)大及地表水污染的加重,地下水已成為縣城發(fā)展優(yōu)先考慮的水源,需求量逐年增加,到 2015年規(guī)劃需地下水量 600萬 m3。因此,合理開采地下水是供水規(guī)劃實(shí)施的保證。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 含水巖組及富水性

縣城規(guī)劃區(qū)面積 50 km2,屬黃泛沖積平原區(qū),地勢(shì)平坦,地面標(biāo)高 13m左右,地表分布的第四系全新統(tǒng)粉土、粉砂,有利于各種外源水入滲補(bǔ)給地下水。

據(jù)含水介質(zhì)、地層時(shí)代,規(guī)劃區(qū)存在呈面狀分布的松散巖類孔隙水及北東一南西帶狀分布的 碳酸鹽巖類裂隙、溶洞水(巖溶水)。前者按其埋藏條件分為三個(gè)含水巖組。

I含水巖組：埋藏于地下 40m以內(nèi),賦存淺層孔隙水,含水層巖性為第四系全新統(tǒng)(Q4)粉土、粉砂及晚更新統(tǒng)(Q3)含鈣質(zhì)結(jié)核亞粘土,厚度 5～20m。水位埋深 1.5～6.0 m,單井涌水量一般小于 500m3/d,孔隙潛水均受到不同程度的污染。

Ⅱ含水巖組：頂板埋深 35.28～55.60 m,底板埋深55.88～97.69 m。賦存中深層孔隙承壓水,是淮陰縣地下水主要開采層。含水層由 2～3層中下更新統(tǒng)(Q1-2)沖湖含礫中粗砂、中細(xì)砂組成,厚度 17.89～26.43m,單井涌水量 500～1000m3/d,規(guī)劃區(qū)東部大于 1000m3/d。目前,水位埋深一般大于 20m。I、Ⅱ含水層巖組無明顯的連續(xù)隔水層,兩者地下水水力聯(lián)系密切。

Ⅲ含水巖組：賦存深層孔隙承壓水,是鄰區(qū)淮陰市的主要供水層,本區(qū)內(nèi)開采較少。含水層頂板 埋深大于 150 m,由上第三系下草灣組(NX)含礫泥質(zhì)中砂、中粗砂及中細(xì)砂組成,厚度約 40m。單井涌水量S大于 1 000m3/d,水位埋深45.90～55.0m,已超采。

巖溶水：呈北東—南西帶狀賦存于震旦系灰?guī)r、鈣質(zhì)千枚巖裂隙、巖溶中。分布于規(guī)劃區(qū)中部,面積約 28.61 km2,巖溶水區(qū)第Ⅲ含水巖組缺失。巖溶含水層頂板埋深 86.21～167.85m,富水性不均,多受構(gòu)造、巖性控制。水位埋深 4.55m。

1.2 中深層孔隙承壓水開采現(xiàn)狀及水位動(dòng)態(tài)

中深層孔隙承壓水是淮陰縣地下水主要開采對(duì)象,其可采資源量為 681萬 m3/a。2002年開采量為 2.55萬 m3/a,平均水位標(biāo)髙 8.49m;2009年開采量達(dá) 417.93萬 m3/a,剩余資源量為 263.07萬 m3/a。縣城及楊莊棉紡廠為東、西兩個(gè)集中開采區(qū),隨著開采量的增加,供水井水位逐年下降(圖1),兩個(gè)集中開采區(qū)均已形成常年性水位下降漏斗。目前,中深層孔隙承壓水位標(biāo)高 3.3～-15.50m,平均 -10.85m(表 1),比 2002年累計(jì)下降 1.49m。東、西兩集中開采區(qū)地下水下降率分別為 1.34m/a、1.89m/a。

圖1 中深層孔隙水開采量與水位相關(guān)圖

表1 中深層孔隙承壓水水位狀況表

2 地下水開采方案確定

2.1 方法及原理

在井群開采地下水時(shí),各井間地下水位相互影響、削減,任一井點(diǎn)處的水位,均為評(píng)價(jià)區(qū)井群開采地下水復(fù)合影響的結(jié)果。其水位降 S是各井對(duì)其影響的水位降值 Si的迭加。故可表示為：

當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間開采地下水時(shí),(2)式可簡(jiǎn)化為：

式中：Qi為 i井開采量,m/d;S為計(jì)算井點(diǎn)的水位降,m;ri為計(jì)算井點(diǎn)到 i號(hào)抽水井的距離,m;ti為計(jì)算時(shí)間,d;W(ui)為井函數(shù);T為導(dǎo)水系數(shù),m2/d;a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)m2/d.

據(jù)規(guī)劃需地下水量,設(shè)計(jì)不同的地下水開采方案,用上列各式求得不同開采方案下各井點(diǎn)的水位降。通過方案對(duì)比達(dá)到優(yōu)化地下水開采。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

水文地質(zhì)參數(shù)亦采取干擾井群法計(jì)算

由(4)式得：

當(dāng)評(píng)價(jià)區(qū)有 2個(gè)以上的供水井水位降深值已知時(shí),即可用(4)式求得 T、a。

設(shè) j、k井水位降深分別為 Sj、Si, 由(4)式得：

T、a用(5)式解方程得。

2號(hào)、9號(hào)供水井水位降分別為 21.0m、19.10m;水位埋深相應(yīng)為 26.46m、25.52m,把表2 中有關(guān)資料代入(6)式得：

表2

解方程(7)得 T為 334.30m2/d;a為 1.59×106m2/d。用此作為干擾井群法確定地下水開采方案的水文地質(zhì)參數(shù)。

3 確定中深層孔隙承壓水開采方案

3.1 開采方案

依干擾井群法計(jì)算原理,確定中深層孔隙承壓水開采方案,把 2015年規(guī)劃需要地下水量(比現(xiàn)狀增采 133萬 m3/d)為目標(biāo)函數(shù),且各開采方案 2012年全部得到實(shí)施。據(jù)縣城的規(guī)劃布局及供水井網(wǎng)的分布,擬定三種開采方案。

方案 I：增采地下水量,由現(xiàn)在建成區(qū)(東區(qū))17眼井承擔(dān),每眼井增采量為 215m3/d,2015年中深層孔隙承壓水平均水位標(biāo)高-22.27m(表3 ),比 2009年水位降低 11.43m,下降率為 1.90 m/a,東、西區(qū)平均水位標(biāo)高分別為 -22.62m,-21.27m,相應(yīng)水位下降率為 2.18m/a、1.39m/a.

表3 2015年中深層孔隙承壓水位待征統(tǒng)計(jì)表

方案Ⅱ：增采地下水量,由全區(qū) 23眼井承擔(dān),每眼井增采量為 160 m/d,2015年中深層孔隙 承壓水平均水位標(biāo)高-21.90m,比 2009年水位降低 11.05 m,年下降 1.84 m;東、西區(qū)平均水位標(biāo)高分別為 -21.35m、-23.47 m,相應(yīng)水位下降率為 1.97m/a、1.53m/a。

方案Ⅲ ：區(qū)內(nèi)供水井保持現(xiàn)狀開采水平,于小營(yíng)、果林場(chǎng)地增加 6眼中深層孔腺承壓水開采 井,新增井每眼開采量為610m3/d,可達(dá)到 2015需增地下水量,2015年中深層孔隙承壓水平均水位標(biāo)高 -19.78m,比 2009年水位下降 8.93 m,年下降 1.49 m;東、西區(qū)平均水位標(biāo)高分別為 -19.26 m、-21.18m,相應(yīng)水位下降率為 1.62m/a、1.17m/a。

3.2 開采方案對(duì)比及選擇

方案 I、Ⅱ便于實(shí)施,亦有利于縣城區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,但均有東西區(qū)地下水位下降快、降幅大,部分供水井水位到 2015年已超過含水層頂板,可導(dǎo)致不良環(huán)境水文地質(zhì)問題的產(chǎn)生,不利于縣城區(qū)地下水可持續(xù)開采。方案Ⅲ解決了地下水不均勻開采不足的問題,地下水位均高于含水層頂板 5 m。因此,以選擇方案Ⅲ開采地下水為佳,有利縣城區(qū)地下水可持續(xù)開采。

4 結(jié)語

干擾井群法適于井位集中,井?dāng)?shù)不多,且開采承壓水的中小城市可持續(xù)地下水開采方案的設(shè)計(jì)。在地下水資源評(píng)價(jià)中有較高的利用價(jià)值,淮陰縣城規(guī)劃區(qū)現(xiàn)有供水井地下水開采量保持不變,于小營(yíng)、果林場(chǎng)地新增 6眼井保證 2015年規(guī)劃需地下水量方案較好,此地下水開采方案,有利于區(qū)內(nèi)環(huán)境水文地質(zhì)條件的保護(hù)、控制地下水位下降,可使中深層孔隙承壓水得到可持續(xù)全面開發(fā)。

[1]王麗亞等.北京平原地下水可持續(xù)開采方案分析.水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,(1).

[2]趙云云.干擾群井基坑降水設(shè)計(jì)中的水位復(fù)核.勘察科學(xué)技術(shù),2008,(2).

[3]邵艷等.干擾群井變流量非穩(wěn)定井流計(jì)算分析.安徽建筑工程學(xué)報(bào),2000,(3).

[4]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)(第二版).地質(zhì)出版社,1997,9.