大宁县割麦提水工程水源地覆盖层取水方式分析

高峰

（山西省水利水电勘测设计研究院太原030024）

1 水源地地质概述

山西省大宁县割麦沿黄提水灌溉工程由水源地、泵站、输水线路和一些出水池组成。设计取水量为1 956.6 m3/h。2010年10月～12月，对本工程水源地取水方式进行了勘察分析。水源地选址于黄河东侧河漫滩，位于马头关黄河大桥北约1 km处。场地南北长约1 400 m，东西宽50～120 m，地形较为平缓。

地表为第四系全新统洪冲积（Q4pal）粉土质砂、含细粒土砂，厚0.2～2.0 m，其下为卵石混合土、混合土卵石等巨粒土及含巨粒土层，局部夹有级配不良砂透镜体。其级配一般不良好，结构松散至稍密，卵砾石主要成分为长石砂岩、粉砂岩等，呈次圆至圆状，该层厚11.5～13.4 m，下伏三迭系中统铜川组一段（T2t1）砂岩、泥岩。

勘察期间，水源地地下水位埋深1.64～3.46 m，主要贮存于卵石混合土、混合土卵石层中，属松散岩类孔隙水，受黄河水位影响较大，总体上漫滩地下水位较黄河水位略高，覆盖层中地下水补给河水。

据水源地抽水试验结果分析统计，巨粒土层在深度8 m以上其渗透系数为7.1～13.7 m/d，平均值为10.4 m/d，属强透水层；基岩面以上（基岩面埋深13 m左右）整层渗透系数为15.0～26.8 m/d，平均值为20.0 m/d，属强透水层。水源地覆盖层渗透性呈不均匀性，8 m以上覆盖层渗透性明显弱于8 m以下覆盖层。

从资料分析，水源地抽水井单井影响范围一般60～80 m，抽水试验单井最大出水量为54 m3/h，单井影响范围约80 m。井群取水时应考虑井间干扰对出水量减少的影响。

2 河漫滩取水方式分析

1）管井取水。管井取水即在水源地凿口径300～700 mm、深度至基岩的机井，进行全井取水。根据本次勘察，覆盖层单井出水量可取平均值40 m3/h，若要达到设计取水量，需约50眼机井。据现场抽水试验，水源地水井单井影响半径约80 m，井距应在160 m以上，考虑黄河水上涨影响及水源地面积（0.22 km2），若井间互不影响，至多可布井9眼左右，出水量难以满足设计要求。

2）大口井取水。大口井（见图1）可设计为井径不小于5 m、井深不小于7 m的圆形井。为减少大口井运行过程中淤积对出水量的影响，建议挖大口井时井底不直接放置在基岩上，井深宜在12 m以内。为进行对比分析，井径分别采用5 m、10 m、12 m进行估算。

图1 大口井取水计算图

式中：Q—大口井出水量，m3/d；

k—渗透系数，m/d；

S—降深，m；

h0—静止水位至井底高度，m；

l—井至黄河岸边距离，m；

r—井半径，m。

各参数具体取值及估算结果见表1。

考虑降深、井径的差异，井深7 m、井径5 m时该估算结果与附近工程大口井抽水试验出水量比较偏小，但采用公式（1）对本水源地抽水井进行了反推出水量的计算，其计算出水量与实际出水量接近，故该估算结果可作为取水方式选择

按照公式适用条件，其供水量可采用井壁井底同时进水非完整井进水形式[1]公式（1）进行估算。的参考，见表1

表1 大口井出水量估算成果表

由表1估算结果分析，当大口井开挖深度较浅（小于7 m）时，属黄河河漫滩上部卵石混合土层，含泥量较大，其渗透性较下部卵石混合土层小，出水量较小。由于设计取水量为1 956.6 m3/h，需要布置口径12 m的大口井约44眼以上；当采用井深12 m、井径12 m的大口井时，需布置8眼以上。由于水源地可使用面积仅0.22 km2，沿河长度仅1.4 km，若考虑井间不互相影响，仅能布置5眼左右井深12 m、井径12 m的大口井，难以满足设计取水要求。

若考虑井间干扰抽水布井，大口井的数量需增大。由于井间距小于计算影响半径，井间将互有干扰。综合考虑水源地可使用面积及干扰井单井出水量，可选取井间距为150 m左右、井深12 m、井径12m的大口井10眼进行供水，大口井单井出水量可采用公式（1）进行估算，其单井出水量约为245 m3/h（见表1），其干扰系数约0.15，则10眼大口井总出水量为2 082 m3/h。基本能满足设计要求。

3）渗渠取水。水源地渗渠（见图2）可平行黄河布置，距河流水边线的距离不宜小于25 m，设计渠深不宜小于7 m，渠宽可取5 m，其出水量可采用[1]公式（2）及公式（3）进行估算。

图2 渗渠取水计算图

式中：Q—渗渠出水量，m3/d；

k—渗透系数，m/d；

S—降深，m；

R—影响半径，m；

l—渗渠至黄河岸边距离，m；

R′—影响半径R与渠宽之半C的和，m；

H1—河流方面渠底以上含水层厚度，m；

S1—河流方面的水位差，其值为 S1=H1-h0，m；

H2—河滩方面渠底以上含水层厚度，m；

S2—河滩方面的水位差，其值为S2=H2-h0，m；

h0—渗渠内水深即动水位水深，m；

L—渗渠长度，m；

H—静止水位高度或潜水层厚度，m；

qr1—河流方面相应引用流量，为α1，β1的函数。

qr2—河滩方面相应引用流量，为α2，β2的函数。

qr1与 qr2计算时，首先应分别公式（4）、（5）计算 β1、β2，

式中：T为渠底至基岩的距离，m。

β1、β2，计算结果见表 2。

当 β1、β2＞3 时，

表2 渗渠宽5 m时qr1、qr2估算成果表

采用公式（2）、（3）计算时，当渠深为7 m时，覆盖层渗透系数k取10.4 m/d，降深S取3.5 m；当渠深为12 m时，渗透系数k取20.0 m/d，降深S取8.0 m；静止水位埋深均取3.0 m，基岩面埋深取13 m，则H（静止水位高度或潜水层厚度）取10 m。参数取值及估算结果见表3。

由于设计取水量为1 956.6 m3/h，由表3可看出，渠深7 m、渠宽5 m的渗渠出水量小，需开挖大于3.6 km长渗渠才能满足设计要求。考虑水源地范围较小，开挖7 m深的渗渠，出水量难以满足设计要求。

渠深12 m、渠宽5 m的渗渠出水量相对较大，估算当渠长1 290 m时可满足设计要求，水源地顺黄河向总长约1 400 m，故布置渠深12 m、渠宽5 m的渗渠可以满足设计要求。考虑估算的误差及水源地渗透性的不均匀性，建议开挖渗渠长度为1.4 km。开挖较深的渗渠取水，缺点是施工难度较大，成本较高。

（4）大口井与渗渠组合取水。组合方式可设计8眼临河大口井，井到黄河距离可考虑30 m，井径12 m、深度 12 m，井间距150 m左右，井间由渠深7 m、渠宽5 m的渗渠相连，两侧边缘的大口井再分别向外开挖50 m的渗渠。

其中大口井单井出水量可采用公式（1）进行计算，其单井出水量约为245 m3/h，由于井间距150 m小于计算影响半径，井间将互有干扰。根据本工程条件，其干扰系数约0.15，则8眼大口井总出水量为1 666 m3/h。

表3 渗渠出水量估算成果表

渗渠长共计1 150 m，计算出水量约为703 m3/h，由于相连的大口井影响，渗渠出水量会受到影响，但靠近黄河一侧影响较小。渗渠干扰系数取0.4，则渗渠总出水量为422 m3/h，此种组合方式理论上的出水量约为2 088 m3/h。分析总出水量基本能够满足设计要求。采用该方案时，建议在近河8眼大口井的内侧（靠山一侧）再设计一眼大口井，既可以做为水源补充，也可以做为工程汇水井使用。若采用此方案，建议在工程实施时，先打一眼大口井进行生产性试验，进一步落实单井出水量及影响范围，优化设计方案。当单井出水量小于预测值，可采用增加大口井数量或采取一些辐射管或导水孔等增水措施，若出水量大于预测值，可考虑减少大口井数量及渗渠长度。

3 结语

由上述分析可知，由黄河河漫滩取水，可采取大口井方式、渗渠方式及大口井与渗渠组合方式取水。大口井取水建议采用10眼以上井深12 m、井径12 m的大口井。渗渠取水建议采用渠深12 m、渠宽5 m的渗渠。大口井与渗渠组合方式建议采用8眼井深12 m、井径12m的大口井及1.15 km长的渠深7 m、渠宽5 m的渗渠。具体采用何种方式建议设计部门进行投资、施工条件比较后选用。

［1］《供水水文地质手册》编写组.《供水水文地质手册》（第二册）［M］.北京:地质出版社，1977:265-595.