地下水取水建筑物在地下水高效取水中的應用效果研究

鐘耀斌

(寶雞市地下水管理監測中心,陜西 寶雞 721001)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展,對水資源的需求量與消耗量十分巨大。水資源短缺問題將直接影響到居民的生活質量以及經濟、工業的發展,因此近年來地下水資源受到了極大的重視［1-2］。馬九杰等［3］基于雙重差分與三重差分模型,分析了地下水資源管理政策對馬鈴薯種植戶節水技術采納程度的影響。李任政等［4］結合模糊綜合評價法(Fuzzy comprehensive evaluation,FCE)和層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)構建了FCE-AHP耦合模型,對地下取水工程取水許可延續進行全面客觀的綜合后評估。田龍等［5］以新疆地區為例,探討了地下水取用水量的審核重要性,并提出了一種基于單位耗電量的地下水取用水量的計算方法,為地下水取用水量審核工作提供了數據支持。

綜上可以看到,地下水取水工作受到許多學者的關注和重視,但當前的研究成果中對于地下水高效取水方式的研究較少。因此,本文針對地下水取水建筑物在地下水高效取水中的應用展開探討,并對其進行優化,以進一步提升地下水取水效率,對我國社會經濟、工業發展都有積極意義。

1 研究區域概況

本文選擇的研究區域在綏德縣東南邊境的縣棗林坪河谷區,屬于西北內陸。由于地理位置和季風的影響,該地區形成了較為獨特的氣候特點,春季氣溫提升速度快,降水量較少;夏季氣溫較高,且降水量較大;秋季氣溫較低,空氣較為濕潤;冬季溫度低,但降雨和降雪頻率低,封凍期長。該地區的鹽巖儲藏量十分龐大,約為1.5×1012t,因此鹽化工業極為發達。該地區的降水量年內分配并不均勻,降水一般集中在7-9月份,見圖1。

圖1 綏德縣年降水量

該區域的地下水主要有兩種,分別為第四系松散巖類孔隙潛水和三疊系碎屑巖類裂隙水。其中,第四系松散巖類孔隙潛水主要在河漫灘中儲藏,在一級階地中也有所分布［6-7］。黃河河谷區的地勢相對而言坡度較小,第四系沖洪積含水層較厚,結構相對而言不夠緊密,孔隙率較大,也因此具備較好的透水性,而地下水往往會存附在地層的孔隙之中［8］。三疊系碎屑巖類裂隙水是指賦存在三疊系碎屑巖類裂隙中的地下水［9-10］。

針對第四系沖洪積層孔隙含水層和三疊系碎屑巖類裂隙含水層進行鉆孔抽水試驗,結果見表1。鉆孔條件為孔徑271mm、孔壁降深5m。在第四系沖洪積層孔隙含水層鉆孔抽水試驗中,Z1孔位于研究區上游漫灘中部的水量較貧乏區,該鉆孔的各項屬性表明含水層巖性主要是泥質粉細砂,并存在含泥砂礫卵石。Z2孔位于研究區中游漫灘前緣的水量豐富區,該鉆孔的各項屬性表明含水層巖性主要是泥質粉細砂,并存在含泥砂礫卵石。Z3孔和Z4孔分別位于研究區下游距離黃河水邊線5.6和19.8m處,為水量貧乏區,這兩個鉆孔的各項屬性表明含水層巖性主要是泥質粉細砂、含泥砂礫卵石以及淤泥質夾層。在三疊系碎屑巖類裂隙含水層鉆孔抽水試驗中,Z1孔和Z4孔分別位于研究區上游石窖溝口以及下游支溝口的水量較貧乏區的風化裂隙帶內,這兩個鉆孔的各項屬性表明含水層巖性主要為中細粒砂巖和粉砂質泥巖。Z2孔和Z3孔的各項屬性則表明含水層巖性主要為完整砂泥巖互層。

表1 鉆孔抽水試驗結果

2 取水建筑物取水效果及方案優化

在進行地下水取水建筑物取水效果計算時,首先需要對研究區進行地下水二維穩定流數學模型建模。參考已有水文地質概念模型的相關研究成果［11-12］,綜合研究區的地下水存附狀況,研究構建地下水二維穩定流數學模型,公式如下:

(1)

式中:H為地下水位標高,m;K為滲透系數,m/d;x,y為研究區域的坐標變量,m;xi,yi為開采井i的坐標位置,m;h0為初始水位標高,m;h1為一類邊界水位標高,m;Kr為黃河河床介質的垂向滲透系數,m/d;Mr為黃河河床介質的厚度,m;qr為黃河及支流與地下水的交換水量,m3/d;Qi為開采井i的開采量,m3/d;n為二類邊界的外法線;D為研究區域;r2為二類邊界。

基于上述內容,研究構建地下水二維非穩定流數學模型,公式如下:

(2)

式中:t為時間,d;μ為給水度。

根據式(1)和式(2),可以進行地下水取水建筑的取水量計算。目前,較為常見的地下水取水建筑有傍河管井、廊道、輻射井及滲流井等。分析研究區域的地質、水文等,根據分析結果,通過數值模擬來計算在研究區域采用傍河管井、廊道、輻射井及滲流井等地下取水建筑的允許開采量。

首先驗證傍河管井在研究區域的允許開采量。設計井間距方案有3種,分別為100m(開采井數24眼)、150m(開采井數16眼)以及200m(開采井數12眼);單井開采量方案也為3種,分別為1 600、1 800、2 000m3/d。兩兩組合,共得到9種開采方案。根據式(1)和式(2)計算地下水開采效果,各方案的開采效果見圖2?？梢钥吹?開采量與開采井的降深總體呈正相關關系,且若開采量較大時,應采用單井開采量小而開采井數多的開采方案。基于研究區域的實際情況,采用第二種開采方案,即單井開采量1 800m3/d、開采井數24眼。

重復上述內容,計算得到廊道開采的最佳方案為距潛水面5m,降深5m。在該方案下,當黃河處于平水期時,廊道出水量達到64 633.79m3/d;當黃河處于枯水期時,廊道的出水量達到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d。輻射井的取水工程結構平面圖見圖3。

圖2 各方案的開采效果

圖3 輻射井的取水工程結構平面圖

通過計算結果,并綜合考慮研究區域輻射井建設成本等因素,在利用輻射井作為地下取水建筑物進行地下水開采時,方案采用17眼輻射井開采方案。在該方案下,當黃河處于平水期時,輻射井的出水量達到37 525.66m3/d;當黃河處于枯水期時,輻射井的出水量達到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d。滲流井的取水工程結構平面圖見圖4。

圖4 滲流井的取水工程結構平面圖

在滲流井的設計方案中,共設計兩種方案,分別為方案1(7口5硐室)和方案2(7口4硐室)。在上述兩種滲流井的設計方案中,豎井間距相同,均為400m;硐室的平面位置設計也相同,均為黃河平水期水邊線。兩種方案的硐室間距不等,7口5硐室方案下,間距設置為60m;7口4硐室方案下,間距設置為70m。各硐室在進行滲流孔施工時,均朝斜上方進行,且保證每根滲流孔伸入第四系的長度為1～3m之間。在進行滲流孔布置時,其位置主要位于黃河河床上,平巷則沿著黃河在枯水期時的水邊線進行布置?；谏鲜鰞热?再利用相應的剖分形式,對各方案下的滲流井取水效果進行計算和分析。在研究區域,兩種方案的滲流井布置位置見圖5。

圖5 兩種方案的滲流井布置位置

通過計算獲取兩種方案的取水效果,結果發現5硐室滲流井的取水效果明顯優于4硐室。通過計算結果,并綜合考慮研究區域滲流井建設成本等因素,在利用滲流井作為地下取水建筑物進行地下水開采時,采用方案1來實現。在該方案下,當黃河處于平水期時,滲流井的出水量可以達到66 115.28m3/d;當黃河處于枯水期時,滲流井的出水量可以達到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d?？梢钥吹?與其他地下水取水建筑物相比,滲流井的取水效果更好。因此,采用滲流井進行研究區域的地下水取水工作。

現有研究成果表明,在利用滲流井進行地下水取水時,硐室數量的增加有利于滲流井取水量的增加。在本研究采用的方案中,為7口5硐室,豎井間距400m;硐室的平面位置為黃河平水期水邊線。各硐室在進行滲流孔施工時,均朝斜上方進行,且保證每根滲流孔伸入第四系的長度為9m。在進行滲流孔布置時,其位置主要位于黃河河床上,平巷則沿著黃河在枯水期時的水邊線進行布置。抽水為定降深5m抽水。

研究對該方案進行優化,根據計算結果,優化方案如下:滲流井硐室沿黃河枯水期水邊線布置,以獲得更大的出水量;滲流孔伸入第四系的長度為9m,直徑為0.11m,在保障取水效率的同時,還能夠控制施工成本并保障施工安全;綜合考慮滲流井的地下水取水效果和施工成本、施工安全等因素,取單井5硐室。

3 優化地下水取水方案的效果分析

在綜合考慮研究區域傍河管井、廊道、輻射井以及滲流井等地下取水建筑建設成本等因素后,研究選取各地下取水建筑進行地下水取水工作的最佳方案設計,并計算各方案下的取水量。經過對比后,研究選擇滲流井進行研究區域的地下水開采工作。為驗證滲流井在研究區域的地下水開采工作中的應用效果,將其與傍河管井、廊道、輻射井等地下取水建筑的地下水開采效果進行對比,見表2。

表2 滲流井、傍河管井、廊道、輻射井等地下取水建筑的地下水開采效果對比

由表2可以看到,傍河管井的平水期開采量為25 139.86m3/d,枯水期開采量為17 089.93m3/d,在枯水期的開采量衰減幅度為32.02%,相對較小,但通過傍河管井進行地下水開采的效果較差,因此在研究區域不適合采用傍河管井。當黃河處于平水期時,廊道的出水量達到64 633.79m3/d;當黃河處于枯水期時,廊道的出水量達到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d,開采量衰減幅度為44.73%,衰減程度巨大。當黃河處于平水期時,輻射井的出水量達到37 525.66m3/d;當黃河處于枯水期時,輻射井的出水量達到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d,開采量衰減幅度為39.72%,衰減程度巨大。當黃河處于平水期時,滲流井的出水量達到66 115.28m3/d;當黃河處于枯水期時,滲流井的出水量達到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,開采量衰減幅度為25.71%,衰減程度與其他地下水取水建筑物相比較小。因此,研究區域采取滲流井作為地下水取水建筑物的取水效果最好。

為進一步提高滲流井的優化效果,本研究在滲流井布置方案1的基礎上,提出了優化方案。為驗證優化方案對地下水取水的優化效果,以方案1為基礎,每次僅改變滲流孔伸入第四系的長度或滲流孔直徑。其中,方案1下的滲流孔伸入第四系的長度為9m,研究改變滲流孔長度分別為7、12及14m。方案1下的滲流孔直徑為0.073m,研究改變滲流孔直徑分別為0.110、0.145及0.180m。比較各方案下的出水量,見圖6。

圖6 不同滲流孔伸入長度和直徑下的出水量

由圖6(a)可知,滲流孔伸入第四系的長度與總出水量總體呈正相關關系,但滲流孔伸入第四系的長度越大,其曲線的斜率越小。表明當滲流孔伸入第四系的長度越大時,增加其長度后出水量的增長幅度越小?？梢钥吹?當滲流孔伸入第四系的長度為12m時和滲流孔伸入第四系的長度為14m時,兩種方案下的總出水量相當。綜合考慮施工難度與成本,選用12m更佳,這與研究設計方案一致。

由圖6(b)可知,滲流孔直徑與總出水量總體呈正相關關系,但滲流孔直徑越大,其曲線的斜率越小。表明當滲流孔直徑越大時,增加其長度后出水量的增長幅度越小?？梢钥吹?當滲流孔直徑為0.110、0.145和0.180m,3種方案下的總出水量差距非常小。鑒于滲流孔直徑越大,施工難度越大,施工成本越高,因此綜合考量下,滲流孔直徑取0.110m最佳,這與研究設計方案一致。

比對優化方案與滲流井布置方案1的取水效果,見表3。由表3可知,在優化方案下,平水期開采量增加36 545.23m3/d,枯水期開采量增加28 992.66m3/d,開采量衰減程度降低1.81%。綜上所述,研究所提出的優化方案的地下水取水效果更佳,更適用于研究區域的地下水開采工作。

表3 優化方案的取水效果分析

4 結 論

地下水取水建筑物的取水效果關系到當地水資源的獲取與應用,進而影響到當地的工業發展與生活質量。因此,本文探討了地下取水建筑物在研究區域的地下水取水效果,并對滲流井的布置方案進行了優化。結果顯示,當黃河處于平水期時,滲流井的出水量達到66 115.28m3/d;當黃河處于枯水期時,滲流井的出水量可達到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,開采量衰減幅度為25.71%,衰減程度與其他地下水取水建筑物相比較小。在優化方案下,平水期開采量增加36 545.23m3/d,枯水期開采量增加28 992.66m3/d,開采量衰減程度降低1.81%。綜上所述,研究所提出的優化方案的地下水取水效果更佳,更適用于研究區域的地下水開采工作。