厄立特里亞扎拉河地下水資源評價與可開采潛力分析

林國慶，吳先勇，龐紅璐，陳小蘭，李文娟，閆鑫宇

（1.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島266100；2.上海外經集團控股有限公司，上海市200032）

厄立特里亞扎拉河地下水資源評價與可開采潛力分析

林國慶1，吳先勇2，龐紅璐1，陳小蘭1，李文娟1，閆鑫宇1

（1.中國海洋大學 海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東 青島266100；2.上海外經集團控股有限公司，上海市200032）

為了確保科卡金礦項目可以獲得持續性供水，避免過度抽水導致周邊地區生態環境失衡，通過抽水試驗、地震勘探等方法對地下水資源進行評價，并建立了水均衡模型，探究該地區地下水的可開采潛力。結果表明：該地區含水層具有高滲透性，出水量超過20 L/s，總存儲量計算值為5.3 Mm3；較厚的沖積含水層可滿足該項目運行8年的用水需求。水均衡分析結果顯示，平水年的河道徑流可以提供足夠的入滲補給，使含水層恢復至最大儲量；模擬3種氣候條件下，含水層出現的平均降深為2.21～2.65 m，平均地下水位約為15.1 m，且從含水層中抽取水對周圍環境并無顯著影響。

含水層；抽水試驗；地震勘探；水均衡模型

0 引言

水是人類賴以生存和發展不可缺少的重要物質資源之一，水在自然環境和社會環境中，都是極為重要而活躍的因素。地下水是地球水資源的重要部分，與大氣降水資源和地表水資源密切聯系，互相轉化。采礦活動往往需要消耗大量的水資源，會對地下水水位以及周圍環境造成一定的影響，因此在礦區建立給水模型以保證采礦項目獲得持續性供水且通過一定方法確定沖積含水層的潛在水量以及從含水層中抽取水對周圍環境所帶來的影響是非常必要的[1,2]。

近年來，國內外學者運用不同的方法對水資源的供給與均衡進行了研究。例如，運用解析法和數值法預測礦床涌水量及影響范圍[3]；運用多種地下水數值模型，如 FEFLOW、Visual-Modflow和GMS等，來模擬不同人類活動對地下水動態的影響[4～6]；運用隨機-確定地下水動態預測模型，揭示地下水的作用機制[7]等。

科卡金礦項目位于厄立特里亞北部扎拉地區，是一個擬定的露天金礦開采項目，由于缺少該區域相關流域的詳細徑流數據和氣象資料，難以滿足某些模擬計算的要求。水均衡模型運用水均衡法能夠具象地反映地下水抽取補給與地下水水位以及含水層水量的關系，方法簡便，原理清晰，所需要的區域水文資料要求相對較低[8,9]。本文主要進行了扎拉項目礦區的區域特征調查，鉆孔抽水試驗、地震勘探等旨在建立水均衡模型的研究，以便為采礦活動能夠獲得持續性供水以及分析抽取地下水對周圍環境的影響提供依據。

1 研究區概述

科卡金礦項目位于厄立特里亞首都阿斯馬拉(Asmara)北部約165 km處，距最近的居民區Rikeb村大約7 km，其地理位置如圖1所示。該地區年平均氣溫為17～45℃，年降水量為260～350 mm，而年總蒸發量高達1 940 mm，是典型的地表水不發育、地下水不豐富、少雨干旱貧水地區。礦區坐落在與扎拉河平行的山脈內，區內沒有終年不旱的河流或溪流，即使在雨季，一些主要季節性河流諸如扎拉河、費赫河和科卡河等河流的徑流期也是十分短暫的。

2 地下水資源評價

2.1 抽水試驗

在2010年6月雨季開始前，采用逐步降深抽水試驗對鉆井ZAWP010和ZAWP011B進行了為期 2 d的定流速抽水試驗，通過 Hantush[10]和Bierschenk[11]法確定井孔的穩定抽水量；在2011年2月旱季結束之前，進行了為期7 d(10 800 min)的定流量抽水試驗和8.6 d(12 420 min)水位恢復監測。定流量抽水試驗采用泰斯公式和Cooper-Jacob[12]算法來確定鉆孔的穩定抽水量以及含水層的儲水系數和導水系數，再由含水層的儲水系數和導水系數來確定鉆井ZAWP010和ZAWP011B的潛在抽水量。抽水試驗結果如表1所示。

圖1 研究區地理位置圖

表1 鉆井ZAWP010和ZAWP011B的抽水試驗結果

潛在給水分析結果表明，鉆井ZAWP010含水層的導水系數和儲水系數分別為834 m2/d和0.1，鉆井ZAWP011B含水層的導水系數和儲水系數分別為2 122 m2/d和0.1。鉆井ZAWP010的穩定抽水量為15.0 L/s（1 296 m3/d），7 d穩定開采引起的水位降深僅為1.44 m。鉆井ZAWP011B的穩定抽水量為15.3 L/s（1 322 m3/d），7 d穩定開采引起的水位降深僅為 2.47 m。鉆井 ZAWP010和ZAWP011B的導水系數較高，短期內其抽水量受井的抽水能力所控，對于一個年計劃需水量為0.97× 106m3的礦山而言，1～3年預計需水量為31 L/s；4～8年期間，若年計劃需水量增至1.07×106m3時，則需水量達到34 L/s。由抽水試驗可知，水的需求量短期內可以通過2個井孔來滿足，前提是該地區含水層能夠提供無限的地下水資源，因此還需要考慮扎拉河段的地下水儲存量和年補給量。

2.2 地震勘探

采用折射波地震勘探法評估扎拉河流沖積層的橫剖面，以此來評估地下水存儲量。勘探區域沿扎拉河延伸18.6 km，從瑞科比河上游開始，在扎拉河和安瑟巴河匯合處的上游大約4 km處結束。地震勘探橫斷面如圖2所示，根據飽和沖積物質的寬度以及厚度，可以將地震勘探區域分為3個部分(從下游至上游)。第一部分長7.3 km，飽和沖積物的平均厚度為15.1 m，平均寬度為499 m，含水層的蓄水量約為5.3×106m3，是礦井供水開采的優選供水水源地。第二部分長6.2 km，飽和沖積物的平均厚度為8.0 m，平均寬度為204 m，含水層的蓄水量約為1.01×106m3。第三部分長5.5 km，飽和沖積物的平均厚度為6.7 m，平均寬度為279 m，含水層的蓄水量約為1.03×106m3。

圖2 物探勘察線路圖

3 水均衡分析

3.1 水均衡模型

水均衡模型基于以下假設：（1）除了徑流期間的滲漏補給和礦山人工抽水之外，含水層系統是封閉的，進出含水層系統的水量為0或者可以忽略；（2）地震勘探結果顯示的地下水水位值已獲得鉆孔實測水位驗證，作為含水層的最大水位高程值。目標含水層飽和沖積物的平均厚度為15.1 m，平均寬度為499 m，長度為7.3 km，含水層的蓄水能力相當于地下水的儲存量，為5.3 Mm3。河流有水時，沿扎拉河床入滲補給下伏沖積含水層。河流橫斷面呈現V型剖面，梯度為1∶100，選用15 mm/h的河流入滲系數用于含水層的河流入滲補給，入滲補給發生在整個濕潤周接觸面上。

從確定的整個河段（7.3 km）抽取含水層的水來提高含水層的利用率，該模型允許每天從含水層中抽取水，有水流經時可進行補給。每天都要計算含水層的儲水量，并且將該體積轉換成含水層中的水位。模型輸出顯示徑流量數據，計算得到含水層的地下水位以及含水層剩余儲水量。

3.2 扎拉河日流量估算

因扎拉河瑞科比（Rikeb）水文站的徑流數據記錄太短，而相鄰的安瑟巴河（Anseba River）流域Haleb-Mentel水文站距離研究區只有110 km，氣候和自然地理條件都非常相近，同時具有足夠長的徑流資料，因此，參照Watkins等[13]提出的徑流比擬方法，可以利用該水文站13年（1997年～2009年）日徑流系列數據來比擬瑞科比（Rikeb）水文站日徑流量數據，結果如圖3所示。基于風險分析方程得到，扎拉河金礦項目的設計運行年限為8年，項目的風險超標值設為15%。也就是說，某河流斷面設計洪水的年超越概率（AEP）為2%，則其重現期（ARI）為50年。

圖3 瑞科比（Rikeb）水文站的日均徑流量

依據安瑟巴河(Anseba River)流域Haleb-Mentel水文站的13年(1997年～2009年)日徑流系列數據計算得到累計年徑流系列數據。由于2004年、2005年和2007年雨季資料缺失，上述年份不參與平水年統計計算。

模型中選擇2000年為平水年進行典型年分析計算，平水年的日均徑流量系列見圖4（a）；模型中選擇2001年為豐水年進行典型年分析計算，豐水年的日均徑流量系列見圖4（b）；設計重現期50年一遇的枯水年（橫型選擇2008年為枯水年進行典型年徑流量分析計算）的年徑流量頻率曲線見圖4（c）；50年一遇的枯水年日均徑流量值見圖4（d）。

圖4 流量變化及頻率分析

3.3 模型場景設置

模型分為以下4種場景：

（1）平水徑流狀態：采用平水年2000年的扎拉河徑流資料，分析礦山開發周期內，連續8年平水年河道徑流條件下，人工開采對含水層地下水埋深的影響。

（2）枯水/平水循環徑流狀態：枯水年和平水年循環出現的情況，分析礦山開發周期內，在低于平水徑流狀態的情況下，人工開采對含水層地下水埋深的影響。

（3）2枯水/1豐水循環徑流狀態：在礦山開發周期內，2個連續枯水年接著1個豐水年循環出現的情況，了解極端干旱后豐水年的含水層恢復狀況。

（4）最大開采狀態：為了評估含水層對最大開采速率的響應，不斷增加模型中的連續開采速率，直到達到最小水位，即含水層容量的2/3。這表明除去開采井的需求外，還可為其他用戶提供可利用的水資源。開采速率和總抽水量可能會發生改變，這取決于最低水位的選擇。

3.4 模擬結果分析

（1）只供給礦山開采

只有礦山運營時的模擬結果如圖5、圖6和表2所示。由模擬結果可看出在河道徑流期間含水層補給迅速，經過1年至少典型平水年大小的徑流后，含水層完全可回復至最大水位。一般來說，模型運行4～8年期間將會出現最大開采量，這會導致水位下降2.21 m，可用含水層儲量減少14%。若枯水年后接著是平水年，模擬的水位降深為2.65 m，有效含水層儲量減少17%。

圖5 河道徑流模擬值圖

圖6 只存在礦山抽水時含水層響應曲線

表2 只存在礦山抽水時含水層對開采量的響應

（2）存在其他用戶用水需求

表3顯示了在考慮其他開采者未來需求量情況下使用開采井的結果。一系列的模擬結果表明，與僅有開采井時相比，再外加3 L/s開采量時，則可利用的含水層儲水量將減少約1.4%，預計的降深平均增加0.21 m。經過1年的典型豐水年或平水年大小的徑流后，含水層儲量可完全恢復，與前面情況一致，該場景的模擬結果如圖7所示。

圖7 存在其他供水需求條件

表3 考慮其他使用者需求量時含水層對礦井開采的響應

（3）極限開采量

運行該模型，評估在平水、枯水/平水循環，以及2枯水/1豐水循環的徑流狀態下，在一定程度上開采量的可增加量，以確定可能分配給未來其他潛在用戶的備用開采量。選定導致地下水位最大降深達到含水層容量的2/3，即水位減少1/3時的開采量作為最低值。評價結果見表4。

表4 可增加的開采量

模擬結果表明，在該項目運行期間可供其他使用者利用的水量可能限制在10 L/s左右。

4 結論

（1）含水層具有高滲透性，在有無限地下水資源的情況下，水的需求量短期內可通過ZAWP010和ZAWP011B兩個鉆井滿足。

（2）研究區具有相對較厚的沖積含水層，按預計用水量計算，該含水層能夠滿足科卡金礦項目運行8年的用水需求。用作水源地的河段遠離現有的人類居住區，不會引起其他環境生態問題。

（3）模擬平水年的河道徑流可以提供足夠的入滲補給，供含水層恢復至最大儲量。模擬平水年連續出現、桔水年和平水年循環出現，以及連續出現2個50年一遇的枯水年和1個豐水年的情景，則含水層出現的平均降深為2.21～2.65 m，平均地下水位約為15.1 m。

（4）含水層的總存儲量計算值為5.3 Mm3，在1～3年，礦區每年的開采量為0.97 Mm3，在4～8年時增加到每年1.07 Mm3。即使某一年河道沒有徑流，含水層大約20%的儲存量也足以保證科卡金礦項目的進行。

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河北省石邢線正式通車

河北省石邢線（石家莊—邢臺）近日正式通車，除107國道、京港澳高速外，直接連接石家莊和邢臺的公路又多了一條。

該工程是邢臺市與省會石家莊相連接的又一條重要通道。始于石家莊與邢臺交界處臨城縣西瀆村西，與石家莊紅旗大街南延段相銜接，終于邢昔公路，與邢汾高速公路邢臺市西環連線對接。

該工程通車后，將成為邢臺西部交通干線的主骨架，使邢昔公路、隆昔公路、南郝公路等連接成網，使該區域公路由帶狀形成完善的網絡，有利于邢臺主城區車輛便捷駛出市區，有效緩解邢臺市區和107國道的交通壓力。

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1009-7716（2017）09-0176-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.054

2017-06-12

國家自然科學基金資助項目（40902066）

林國慶(1977-)，男，山東威海人，副教授，碩士生導師，從事地下水資源評價與污染修復研究工作。