神木縣馬鎮滲流井抽水試驗分析

田國林，王俊杰

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

我國是世界上相對缺水的國家，且水資源時空分布不均，部分地區缺水形勢嚴峻，水資源短缺成為區域社會經濟發展的制約因素[1-2]。陜北地區水資源匱乏，開發難度大，隨著陜北能源化工基地建設的加快，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展的最大因素。滲流井與管井等傳統地下水取水建筑物相比，滲流井雖然結構較為復雜，但其優勢明顯：出水量大、降深較小，良好的自凈作用，不需要頻繁清洗，供水總體成本相對較低的同時易于管理[3-6]。由于滲流井與管井等傳統地下水取水建筑物不同，其取水機理尚不明確，如何優化滲流井取水設計尚無理論基礎，因此有必要通過必要的手段對其進行探究，抽水試驗則是最基礎的研究方法。

1 研究區概況

1.1 地理概況

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

圖1 研究區地理位置

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。多年平均降雨量422.7 mm，多年平均蒸發量為1 789.9 mm。神木縣境內發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支流。

2 基本原理

2.1 滲流井基本結構

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。其結構較為復雜，由滲流孔、硐室、輸水平巷和集水豎井四個主要部分組成[6](圖2、圖3)，每個滲流井均由若干個通過輸水平巷相連的取水硐室組成，各硐室四周設置有若干個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 滲流井結構平面示意圖

圖3 滲流井結構剖面示意圖

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管井。謝水波等[7]、王允麒等[8-10]推導出了薄含水層條件下井底進水河床滲井出水量計算公式。王瑋通過大量實驗研究，引入陳崇希[11-12]等人提出的等效滲透系數的概念，初步建立了地下水向滲流井流動的穩定流數學模型：

其中：K為滲透系數(m/d)；Kh、Kv分別為水平滲透系數和垂向滲透系數(m/d)；Kr為河床淤積層的垂向滲透系數(m/d)；H為地下水位高度(m)；H1為第一類邊界水位標高(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給量(m/d)；np為潛水面內法線方向單位向量；Γ2為二類邊界；D為計算區范圍；d為“井管”的直徑(m)；γ為水的重率( N/m3) ；μ為水的動力黏滯系數(Pa·s)；g為重力加速度( m/s2)；f 為“井管”的摩擦系數；v 為“井管”中的滲流速度(m/s)。

3 試驗分析

3.1 試驗設計

以神木縣馬鎮S3號滲流井(圖4)為依托，開展滲流井抽水試驗，S3號滲流井豎井位置第四系厚17 m，平巷位于豎井44 m處，第四系觀測孔深17 m，7 m、11 m、15 m三層觀測，基巖22 m、47 m兩層觀測，分層下入自動水位監測儀。

圖4 滲流井及觀測孔平面位置圖

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

抽水試驗共配置五臺抽水泵抽水，逐級增加抽水量，進行五次定流量抽水，試驗期間采用自動水位采集儀對豎井及各觀測孔水位進行實時采集(每隔一分鐘采集一次)，另運用大氣補償裝置對大氣壓數據進行實時采集，確保了數據采集的詳實性和準確性。

3.2 數據分析

3.2.1 涌水量、降深歷時曲線

對五次落程定流量抽水試驗數據進行整理，得出涌水量、降深歷時(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，河流滲漏補給水量較少，水位能在較短的時間內達到穩定狀態；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, 河流滲漏補給量逐漸增加，水位達到穩定狀態所需的時間逐漸變長[13]。

圖5 豎井涌水量、降深歷時(Q、s-t)曲線圖

3.2.2 涌水量-降深關系曲線

通過對五次落程定流量抽水試驗豎井涌水量及穩定降深數據的整理分析，可繪制出豎井(單位)涌水量-穩定降深關系(Q=f(s)，q=f(s))曲線如圖6所示。可以看出，關系曲線符合傳統抽水試驗結論，當降深為3.3 m時，涌水量為7 243.2 m3/d，降深為5.97 m時，涌水量為11 044.8 m3/d，當降深為10.57 m時，涌水量為15 804.0 m3/d，當降深為21.99 m時，涌水量為18 816.48 m3/d，當降深達32.35 m時，涌水量可達19 267.2 m3/d。

圖6 豎井(單位)涌水量-穩定降深關系(Q=f(s)，q=f(s))曲線圖

4 結語

(1)滲流井的井結構與井流理論雖然與管井等傳統地下水取水建筑物不同，但通過試驗得出，多落程定流量抽水試驗同樣適用于滲流井，其涌水量、降深歷時曲線(Q、s-t)以及涌水量-穩定降深關系曲線(Q=f(s)，q=f(s))均符合傳統抽水試驗結論，因此可作為水文地質分析的依據。

(2)抽水試驗初期，涌水量較小，涌水量主要來自于滲流井及其所在含水層，河流滲漏補給水量較少，水位能在較短的時間內達到穩定狀態；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, 河流滲漏補給量逐漸增加，水位達到穩定狀態所需的時間逐漸變長。