云南安寧市石江水源地地下涌水量預測方法對比

龍立新

(云南省有色地質局三一二隊，云南 昆明 650300)

云南安寧石江水源地位于安寧市南西向6公里處縣街街道辦事處石江村旁。該區有一個相對完整的水文單元，屬于溶蝕-潛流并迭谷盆。

圖1 云南安寧石江水源地地質簡圖Fig 1.Geological Sketch Map of Shijiang Water Resource in Anning，Yunnan

該區棲霞組加茅口組白云質灰巖埋深較大，地下水類型屬承壓水，受大氣降水影響較小。水源地未來開采的地下水主要主要是棲霞茅口組白云質灰巖含水層深部的巖溶水(圖2)。棲霞茅口組白云質灰巖充水因素有：流經水源地的鳴矣河通過上覆第四系砂礫石層及西南面的張性斷裂導水直接補給，周圍含裂隙水的弱含水層間接導水補給。該水源地目前有4口機井開采上部地下水，水量遠不能滿足需求，但隨著深部水資源勘查開發，需要評價深部含水層涌水量，為機井設計和開采施工提供可靠的水文地質參數，指導水源地安全高效生產。地下水資源量與許多因素有關，如地下水水位、降雨量、開采區徑流面積、潛水蒸發量等。若將這些因素作為自變量，則它們與地下水資源量之間存在統計相關關系，如果變量只有一個，稱為一元相關或簡相關；若有兩個以上的自變量，則稱多元相關或復相關。在多元相關中只研究其中一個變量對因變量的影響，而將其它自變量視為常變量的稱為偏相關。自變量為一次式稱線性相關，是高次式稱非線性相關。本文通過采用的“大井法”、“比擬法”和多年平均徑流模量法計算資源量進行對比研究，為該水源地涌水量預測工作提供可靠依據。

圖2 石江低緩溶蝕谷坡亞型(河流谷底地質結構剖面簡圖)Fig 2.Shijiang Low-Gentle Karst Valley Slope Sup-Type

2 水源地機井涌水量預測

2.1 預測范圍及邊界條件

在沒有具體開采地下水方案的情況下，將該水源地正在抽取地下水的4口機井(機井井深約135m～150m)涌水量作最低估算水平，新設計的取水機井5口，井間距離約為300m，井深300m(井徑φ277mm為主要取水段)作為本次取水機井涌水量預測井深。水文單元東面以峨眉山玄武巖組(P2β)地層分界線為隔水邊界，北西面以一平浪組(T3y)頁巖為隔水邊界，南西面以F1張性斷層為無限補給邊界。預測范圍為近似長方形，面積約13.6km2。

2.2 方法選擇及公式確定

根據含水層含水類型水及地下水力特征、機井布置形狀及區域水文地質條件，采用兩種方法進行預測，再用多年平均徑流模量法計算資源量，相互比對驗證，提出合適的地下水開采量。

(1)大井法(水動力學法)：將水源地未來開采分布范圍假設為一個理想大井，抽水過程中，機井涌水量包括其周圍的水位降低呈現相對穩定狀態時，即認為以機井群為中心形成的地下水輻射流場，擴展到補給邊界，達到相對穩定。地下水水位不隨時間而變化，形成動平衡狀態。未來機井群開采地下水時，含水層地下水流場將發生改變，由承壓水轉為無壓，因此采用“大井法”承壓水轉無壓完整井裘布依公式預測群井涌水量，公式：

式中：Q一般、Q最大—群井涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

K—含水層滲透系數( m/d)；H—水柱高度(m)；

M—含水層厚度(m)；h—動水位至井底板水柱高度(m)；R0—“大井”影響半徑(m)；—涌水量變化系數。

式中：Q一般、Q最大—新機井群預測總涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F—新機井設計開采影響面積(m2)；S—新機井設計水位降(m)；

Q0一般、Q0最大—水源地群井總涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F0—水源地現狀開采影響面積(m2)；S0—水源地目前開采井水位降深(m)。

2.3 參數選取

(1)大井法涌水量參數選取

求得各含水層的K值，河積相砂卵礫石層及二疊系下統棲霞組加茅口組虎斑狀白云質灰巖的滲透系數分別取其平均值8.92m/d和4.21m/d；

h—動水位至底板水柱高度；

r0—“大井”半徑(m)，據水源地機井設計間距離確定。預測范圍大致為正方形，其長a=300m，寬采用平均值b=300m，采用公式r0=∩(a+b)/4，其中b/a=1.0?！芍挡楸淼?.0，計算r0=150m；

λ—涌水量變化系數，采用水源地開采機井流量長觀資料，得λ=1.36

表1 石江水源地機井抽水試驗成果表Tab 1.Machinery Well Abstraction Experiment Result

(2)比擬法涌水量參數選取

Q0一般—采用水源地旱雨季抽水機井水量長觀資料平均值9189.5m3/d；

Q0最大—采用水源地雨季抽水機井水量長觀資料最大值12497.7m3/d；

F0—水源地現狀開采影響面積為6.85×105m2；

S0—水源地目前實測開采井水位降深(m)，即S0=6.2m；

F—新機井設計開采影響最大面積，開采面積2.14×106m2；

S—新機井群設計水位降深，S=18.5m；

(3)涌水量預算結果

經計算，水源地井群井深300m的“大井法”預測一般涌水量為36716.3m3/d，最大涌水量為49934.2m3/d，“比擬法”預測一般涌水量為30406.5m3/d，最大涌水量為41352.8m3/d，多年平均徑流模量法計算資源量為30483.6m3/d。見下表2、表3、表4。

表2 大井法預測涌水量結果Tab 2.Prognosis Welling of Big Well Method

表3 比擬法預測涌水量結果Tab 3.Prognosis Welling of Simulation Method

(4)采用多年平均徑流模量法計算資源量的結果見表4。

表4 多年平均徑流模量法計算水資源結果Tab 4.Water Resource Calculation of Years Average Runoff Modal Method

3 討論與結論

通過計算對比論證、資料查實，該水源地在設計5口大口徑、井深300m的采水機井，大井法預測的一般涌水量為36716.3 m3/d，最大涌水量為49934.2 m3/d；比擬法預測一般涌水量為30406.5 m3/d，最大涌水量為41352.8 m3/d；多年平均徑流模量法計算資源量為30483.6 m3/d。

根據預測結果，大井法與比擬法預測，相對誤差為20.8%，其主要原因為

(1)大井法為理想化模型，將含水層理論化為均質體，而本區張性斷裂發育，導水性較強，裂隙含水層不可能完全均質、各向同性，從而導致抽水試驗求得的滲透系數偏大，計算時只能視為均質層，而可能使大井法預測結果偏大。

(2)大井法計算公式基于穩定流理論推導而來，要求地下水有比較充分的補給條件，影響半徑邊界上的水頭高度永遠穩定在計算采用的高度上，將補給量預測保持在一個恒定的狀態。但在開采的過程，由于疏干，水頭高度會逐漸降低，地下水補給量減少，也可能會造成預測結果偏大。

(3)大井法假設地下水為穩定流，將空間流簡化為平面流，且處于穩定流狀態。可是預測機井涌水量時，計算水位降深少則數米至十幾米，大則近百米，“大井”井壁水流早已不是緩變流，同時由于不同富水性的多層含水層的復雜性，在大流量降深條件下，很難處于穩定流狀態，因而也可能導致預測結果偏大。

(4)比擬法的預測結果相對較為準確，兩者所處水文地質單元、構造環境及水文地質條件相同，取水機井充水水源通道基本相同，而且該法可比較直觀的查明充水因素、水源及通道等，充分綜合了各種因素，計算結果與實際情況比較接近。

兩種方法的預測結果的相對誤差20.8%，但絕對誤差僅6309.8m3/d，對于整個水文地質單元深部開采而言亦不是很大，預測結果仍可稱得上基本一致。

比較幾種計算方法及目前水源地開采現狀，目前在水源地新設計的5口機井總的開采量設計為20000～25000m3/d是比較合適的。