山間谷地采用干擾井群法評(píng)價(jià)集中供水水源地

張家好

(青海煤炭地質(zhì)局，青海 西寧 810029)

水源地位于柴達(dá)木盆地南部的小灶火中游河谷區(qū)，為典型的山間河谷型水源地，為第四系松散巖類孔隙潛水，含水層主要巖性為砂卵礫石，徑流條件較好。擬建水源地處水位埋深為22～24 m，含水層厚度為24～32 m，涌水量為3532～6076 m3/d，降深為2.43～3.33 m，地下水動(dòng)態(tài)類型為水文-徑流型，水化學(xué)類型以Cl-Na·Ca、Cl-Na型水為主，礦化度為1.270～1.480 g/L。

為解決小灶火河中上游夏日哈木鎳鈷礦采選項(xiàng)目的供水需求，在小灶火中游河谷區(qū)開展了調(diào)查及水文地質(zhì)詳查工作，以期在河谷區(qū)尋找到可供開發(fā)利用水源地，為礦業(yè)開發(fā)提供供水方案[1-4]。

1 天然資源量計(jì)算及評(píng)價(jià)

(1)河水入滲法。該地區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為地表河水的入滲補(bǔ)給，采用測(cè)流工作確定了河水不同流量時(shí)的滲漏規(guī)律，通過勘查年1個(gè)水文年的動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作確定了河流的流量，采用河水入滲法確定出勘查區(qū)天然資源量為7.217萬m3/d。

(2)達(dá)西斷面法。采用斷面法用抽水試驗(yàn)資料及地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀資料確定參數(shù)，計(jì)算出勘查區(qū)天然補(bǔ)給量為6.380萬m3/d。通過上述兩種方法對(duì)比分析論證，最終采用斷面法計(jì)算的數(shù)值作為勘查區(qū)的天然資源量。

2 擬開采量評(píng)價(jià)

當(dāng)兩口或兩口以上的水井同時(shí)抽水，而水井間距又小于兩口井的影響半徑之和時(shí)，水井的水位和流量發(fā)生相互干擾的現(xiàn)象。發(fā)生此現(xiàn)象的水井稱“干擾井”。當(dāng)井中水位降深相同時(shí)，干擾井的單井涌水量小于同樣條件下非干擾井的單井涌水量。反之，當(dāng)涌水量相同時(shí)，干擾井的水位降深大于同樣條件下非干擾井的水位降深。其作用為可降低建筑基坑和礦坑的地下水位。采用井群干擾法，該方法適用于開采井不多、抽水井較集中、開采面積不大的集中供水水源地評(píng)價(jià)，結(jié)合本地區(qū)的條件，采用該方法進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

2.1 計(jì)算區(qū)模型概化

勘查區(qū)河流滲漏補(bǔ)給地下水后，向開采區(qū)徑流。東西兩側(cè)分別為基巖山區(qū)與河谷區(qū)界限，概化為隔水邊界。南部邊界定在河水滲失處，處理為定流量補(bǔ)給邊界，考慮需預(yù)留足夠的向北部的徑流排泄量，以保證對(duì)下游出山口泉集河不造成太大的影響，將北部邊界處理為定流量排泄邊界，強(qiáng)制進(jìn)行排泄[6-8]。根據(jù)以上條件概化后，可認(rèn)為含水層是近似水平、均值、各向同性的有界含水層，隔水邊界處做一次映射，將有界含水層處理為無界含水層，按勢(shì)疊加原理，各開采井降深可用非穩(wěn)定干擾井群法解析式求解， 如式(1)：

(1)

式中：S為各井點(diǎn)的水位降深，m；H為開采區(qū)含水層厚度，m；k為滲透系數(shù)，m/d；Qi為第i口井的涌水量(抽水井為正，注水井為負(fù))，m3/d；W(ui)為井函數(shù)。

2.1.1 概化模型

根據(jù)前述布井方案和開采區(qū)的水文地質(zhì)條件，可概化成東西寬1200.00 m，南北長(zhǎng)4500.00 m，厚27.84 m的單層潛水含水層。

2.1.2 參數(shù)的確定

含水層平均厚度取本次勘探線鉆孔揭露深度內(nèi)枯水期平均含水層厚度為27.84 m。通過非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)k取本次勘探線上鉆孔的平均滲透系數(shù)為159 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T取擬建水源地區(qū)勘探線上鉆孔的平均滲透系數(shù)與平均含水層厚度的乘積為4427 m2/d，給水度采用漏斗法用早期數(shù)據(jù)獲取的數(shù)值為0.092，擬開采區(qū)面積為1200 m×1200 m。

2.2 現(xiàn)狀條件水均衡

勘查區(qū)主要補(bǔ)給為上游地表河水的入滲補(bǔ)給，排泄為向下游徑流排泄，二者處于平衡狀態(tài)。

2.3 擬建水源地設(shè)定原則

(1)勘查區(qū)北部出山口為已建的小灶火灌區(qū)引水工程，該工程年均取水量為2.690×104m3/d，預(yù)留至少大于該引水量的向北部排泄量，以保證泉集河的正常泄出量，不影響該取水工程。(2)擬建中型水源地應(yīng)選擇在平坦易“三通”、避開沙漠的地區(qū)；若降深條件允許，宜集中布井，以降低基建和提水費(fèi)用，便于施工、維護(hù)與運(yùn)行管理等。(3)擬建中型水源地距離用水礦區(qū)12 km，二者有170 m加壓高程，開采井揚(yáng)程直接影響運(yùn)行費(fèi)用。結(jié)合當(dāng)?shù)厮Y源緊缺現(xiàn)實(shí)與施工、運(yùn)行費(fèi)用等情況，開采井最大地面參照揚(yáng)程設(shè)定為：“平水年不超過37 m，特枯水年不超過40 m”，使水源地的施工與運(yùn)行費(fèi)用在較合理區(qū)間，選泵也較方便、容易，此揚(yáng)程對(duì)開采井造成的擾動(dòng)相對(duì)較小，能長(zhǎng)時(shí)間保證井的正常使用。

2.4 源匯項(xiàng)處理

由于上游河流只進(jìn)行了一個(gè)水文年的觀測(cè)，無法確定上游河水豐枯水期的來水量，因此，采用水文比擬法來設(shè)置河流水徑流量，以作為預(yù)測(cè)模型之外部環(huán)境。以枯水期斷面資源量作為河谷區(qū)多年天然補(bǔ)給量，將天然資源量6.380×104m3/d平均分配到B01～B07補(bǔ)給井中，為9114.29 m3/d。C1～C6開采井流量從2400 m3/d逐級(jí)增加到3500 m3/d，排泄井流量為天然資源量減去開采量平均分配到P01～P07號(hào)排泄井中，同時(shí)要求排泄總量至少>1.3倍下游引水工程量。

2.5 開采位置確定

擬定的開采區(qū)位于小灶火河中游的夏日阿哈木河與蘇海圖河交匯處東側(cè)的一級(jí)洪積階地，選在此處一方面該點(diǎn)處河谷寬度為3.0 km，為小灶火中游河谷區(qū)最寬處，調(diào)蓄空間大。另一方面靠近現(xiàn)代河床，可最大程度的接受河流的滲漏補(bǔ)給，綜上兩方面的因素，適宜建較集中小型水源地，可集中布設(shè)開采井，交通較為便利，便于管理。

2.6 開采方案的確定

開采井沿垂直地下水流方向呈梅花狀布置，初步確定井間距200～500 m，共2排，每排各3口井，共6口井。井結(jié)構(gòu)為完整井，鉆孔深度為揭露至基巖，井徑φ550 mm，下入35.56 cm(φ377 mm)井壁管和纏絲濾水管并填礫。濾水管長(zhǎng)度控制在30～40 m，下至含水層底部。開采井選用200QJ80—100/10型號(hào)的潛水泵，單井涌水量控制在2400～3500 m3/d左右，各開采方案具體見表1。

表1 不同開采方案

按上述4種開采方案，論證在不同井間距200 m、300 m、400 m、500 m時(shí)井群中心區(qū)域水位下降是否滿足開采要求。

3 擬建水源地允許開采量評(píng)價(jià)

3.1 開采降深分析

擬建的開采區(qū)現(xiàn)狀地下水位埋深22.62 m，在開采井的地面參照潛水泵揚(yáng)程不超過37.00 m的開采技術(shù)條件下，推算開采區(qū)漏斗開采井總水位允許降深值，平水年平均總允許降深取9.38 m，同時(shí)限定總允許降深不能超過1/2含水層厚度，為13.92 m，二者取小值為9.38 m。

采用上述4種開采方案，對(duì)開采區(qū)中心的C2號(hào)進(jìn)行降深預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)開采時(shí)間為30 d、183 d、1 a、3 a、5 a、8 a、10 a、15 a、20 a、30 a時(shí)的井群中心區(qū)域水位降深值，詳見圖1。

圖1 開采區(qū)中心區(qū)域不同開采時(shí)間下的C2號(hào)井水位降深

由圖1可知，當(dāng)井間距為200 m、300 m、400 m、500 m時(shí)，水源地運(yùn)行30 a后，開采井降深分別為5.316～7.673 m、5.206～7.488 m、5.145～7.362 m、5.164～7.337 m，均小于設(shè)定的允許降深，滿足要求。

3.2 開采技術(shù)條件分析

開采井結(jié)構(gòu)為完整井，鉆孔深度揭露至基巖，井徑φ450～550 mm，下入30.48 cm(φ325 mm)井壁管和纏絲濾水管，并填礫。開采井選用200QJ100/10～200QJ150/10型號(hào)的潛水泵。為考察集中水源地的開采能力，在單井開采量控制在2400～3500 m3/d，井距離200～500 m條件下，在允許降深分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮年內(nèi)水位動(dòng)態(tài)變幅、枯水期及特枯水年對(duì)水源地安全運(yùn)行的影響，年變幅選取開采區(qū)勘探剖面水位動(dòng)態(tài)變化最大鉆孔(K04)的年變幅，為2.40 m，小灶火中游河谷區(qū)河流為多年季節(jié)性山岳河流，年內(nèi)及年際變化大，豐水期6—9月補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量高達(dá)80%以上，所以預(yù)留2 m作為枯水期調(diào)節(jié)水位，預(yù)留3 m作為特枯水年調(diào)節(jié)水位，以提升供水保障度。據(jù)本次勘探剖面上鉆孔多落程抽水試驗(yàn)曲線，涌水量為1566～4336 m3/d時(shí)，開采井降深2.089～7.432 m，根據(jù)該曲線推算開采井開采量為2440～3500 m3/d時(shí)的降深，考慮上述四方面因素后匯總水源地運(yùn)行30 a后的開采技術(shù)條件，詳見表2～表3。

表2 開采30年后開采技術(shù)條件匯總

表3 開采30年后不同井間距的開采技術(shù)條件匯總

由表2～表3可知，當(dāng)開采量>19 200 m3/d時(shí)，各方案特枯水年均不能正常開采；當(dāng)開采量<14 400 m3/d時(shí)，各方案均能滿足正常開采；當(dāng)開采量為17 160 m3/d，井間距≥400 m時(shí)，特枯水年能正常開采。因此選取最接近設(shè)定的開采揚(yáng)程(平水年不超過37 m，特枯水年不超過40 m)，同時(shí)考慮河谷區(qū)地形的約束，適當(dāng)?shù)募械脑瓌t，綜合上述因素，選取方案2(井間距為400 m，單井開采量為2680 m3/d)作為地下水合理的開采方案。水源地運(yùn)行后中心點(diǎn)區(qū)域水位降深隨時(shí)間變化見圖2，從圖看出，水源地開采8 a后逐步趨于穩(wěn)定，井群中心開采30 a后區(qū)域水位下降6.070 m，單井流量為2800 m3/d，開采井降深為3.900 m，開采井總降深為9.970 m，<1/2含水層厚度。

4 結(jié) 論

通過不同的開采方案，采用干擾井群法確定擬建水源地區(qū)允許開采量為1.716萬m3/d，允許開采量占天然資源量的27%，從水資源開采系數(shù)看，擬建水源地有充分的資源保證，地下水降深與揚(yáng)程處于較經(jīng)濟(jì)的合理區(qū)間，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、取水方案可行，特枯水年也能正常開采，水源地保證程度較高。因此，推薦采用方案2作為地下水的合理開發(fā)利用方案。