玛纳斯河谷地下水库地下水开发新途径探讨

2013-08-29马长慧

中国水能及电气化 2013年4期

马长慧李涛李辉

(新疆水利水电勘测设计研究院地质研究所，新疆乌鲁木齐 830000)

玛纳斯河谷水源地经过十多年的水文地质勘察，探明是一个特大型级别的地下水库式水源地。该水源地上游南山洼地—地下水库分布面积约为880km2，第四系砂卵砾含水层厚度大于500m，经计算，玛纳斯河流域南山洼地地下水库静储量为352亿m3/年，其水源地中北部河谷中泉水量 (1.2394亿m3/年)和地下潜流量 (0.0132亿m3/年)可作为现状条件的水源地的调节开采资源量。

根据新疆水利水电勘测设计研究院2012年12月初步设计报告开采方案:井群按线型布置在玛纳斯河左、右岸泉水溢出带段中南部河床边，布井两排，左岸布井14眼，右岸布井22眼，井距200m左右，井排间距400～450m。

该水源地初步设计拟采用36眼机井，年开采7400万m3地下水。开采的地下水仅占地下水库总库容的2.1%，约占玛纳斯河多年平均径流量18.44亿m3的4.0%，开发潜力巨大，但这种传统式开采方案既不经济，更不环保。

1 水文地质条件

1.1 地下水赋存条件

该水源地地处玛纳斯河流域南山洼地中，其夹在第一、第二排构造之间 (第一排构造为其南侧的天山背斜构造，第二排构造为其北部的红山背斜构造)，见图1。

图1 玛纳斯河谷地下水库纵向水文地质剖面图

洼地内堆积了巨厚的第四系沉积物，最大厚度大于500m，为地下水的储存、运移提供了宏大的空间。流经洼地的塔西河、玛纳斯河、宁家河及金沟河四条河河水大量渗漏，且玛纳斯河为以上四条河中海拔最低的河流，见图2。故诸河部分渗漏河水汇至该水源地中，而水源地北部第二排构造是构成地下水库的天然坝体。

图2 玛纳斯河谷地下水库横向剖面图

根据河谷右岸已施工的J1～J4号探采结合井及左岸已施工的J23～J36号机井地层资料分析，埋深29～34m黏土层之上的卵砾石含水层为潜水，因受阻于北部第二排构造而溢出成泉水;水源地中北部埋深29～34m黏土层之下的砂卵砾石含水层具有承压性，已施工的右岸J1～J4号与左岸J23～J28号探采结合井 (井深100～120m)均为自流井 (各井滤水管均布置于40m以下含水层中)。

自流井区潜水位埋深一般小于0～1.0m，承压水头一般高出地面0.60～5.41m。

1.2 含水层岩性及分布特点

玛纳斯河谷水源地含水层岩性:0～34m为第四系全新统冲积的卵砾石层，结构松散，富水性极强;34m以下中—上更新统卵砾石、砂砾石层厚度达200～300m，富水性极强。下更新统砾岩厚度100～200m，富水性弱。上更新统卵砾石、砂砾石含水层为该区地下水主要供水层。全新统及上更新统卵砾石渗透系数为15.60～61.74 m/d，水质矿化度小于0.5 g/L。

水源地北部因第二排构造影响，河床Q4全新统含漂石卵砾石含水层厚度薄至8.0～10.0m，其下部为Q1砾岩及第三系泥岩与泥砂岩互层，为该地下水库的天然坝体。因此，水源地中北部潜水溢出成泉，承压区有19眼机可自流，为地下水库地下水开发新途径提供了有利条件。

1.3 地下水补给、径流条件

玛纳斯河属冰雪融水及混合补给型的山溪性河流。水量的来源以冰川和永久性积雪为主，多年平均冰川融水量为4.1422亿m3(《中国冰川目录》)，占河流总地表水的35%以上;其次为降雨、季节性融雪和浅层、深层地下水补给。

玛纳斯河是玛纳斯河流域最大河流，也是准噶尔盆地最大的内陆河流，它源于伊连哈比尔尕山脉的冰川，流程183km后，在该水源地下游红山嘴处进入平原。南山洼地与平原区的地下水通过山间河谷进行水力联系，该水源地上游南山洼地进出口山口断面径流量见表1。

表1 洼地各河出入口径流量单位:亿m3/年

根据对表1各河流出、入口流量数据的分析，塔西河减少0.396万m3/年、宁家河减少0.5395万m3/年，金沟河减少0.2312万 m3/年，而玛纳斯河增加了0.9468万m3/年，基本与其他3条河流量减少数据相勿合，这说明以上3条河及三个泉子地下水均汇入到玛纳河谷水源地中;而玛纳斯河自肯斯瓦特流出基岩山区到水源地南部的17km的卵砾石河床垂向渗漏补给为该地下水库的主要补给来源，其次为少量的春融水入渗及降水入渗补给等。

地下水库的排泄以泉水溢出为主，河床潜流、河谷潜水蒸发及裂隙水侧渗排泄量很少 (上述第二排构造的泥岩起阻挡作用)。说明水源地地下水补给稳定。

1.4 含水层富水性

水源地9眼井自流井抽水试验成果表2，井深90～120m、井径529mm、降深5m时的涌水量为4264～16807m3/d，即单位涌水量可达14.0～38.0L/m·s，为极强富水区。

续表

1.5 水源地地下水动态

通过对水源地左、右岸2009～2010年施工的J1号与J24号探采结合井自流井自流水量动态长期观测资料分析，自流量年内及年际变化稳定:均在230～260 m3/h左右，这对地下水开发新途径—采取自流集水方案十分有利。

2 水源地设计开采方案

该水源地设计水平年为2015年，设计供水量为7400万m3/年，其中石河子市供水量为5600万m3/年，玛纳斯县八乡镇供水量为400万m3/年，玛纳斯河工业园供水量为1400万m3/年，各种用途需水量、供水量及逐月供水量见表3和图3。其水源地采水方式为从36眼机井中用水泵将地下水抽到集水管中送至下游前池中，而后通过输水管线送达下游各水厂。

根据初步设计方案，该工程平均日供水量为23.22万m3，按31眼 (不含5眼备用井)机井平均每眼每年工作5468h计算，全年总耗电量为1271万kW·h，显然该种开采方案需要大量的电力资源。

表3 设计水平年供水区域的需水量及供水量

图3 2015年水源工程月供水过程图

3 水源地地下水开发新途径

根据上述水源地水文地质特征，该水源地可采用机井自流集水为主、水泵提水为辅的节约能源开采方案。水源地左、右岸集水管线与输水管线自流井拟设计的两排顺河方向的36眼机井，右岸J1～J4号机井、左岸J23～J36号机井已完成。拟设计的右岸J1～J10号机井及左岸已施工的J23～28号自流井 (两岸机井编号均由北向南)都在自流区，若将右岸布设的南端J20～J22号井移到J1号井以北地带，且补打J23号井，这样36眼机井中共有19眼机井自流。

根据左岸J24～28号机井自流井群孔抽水试验结果 (见表2)，管径529mm、水位降深5m时平均涌水量为8708.7 m3/d。

由于河谷水源地自流区南端与前池之间高差为21m左右 (自流区南端地面高程为684m左右，前池处地面标高约为663m，此段地形坡度约为8‰)，故可将自流区自流井从地面向下6m处将井壁开洞自流集水，集水管径与原设计集水管径相同 (管径1200mm)，只是将自流井区集水管埋设深度在原设计埋深再向下1.5～2.0m左右 (原自流区集水管线开挖线低于4.0～4.5m左右)。

若将自流井区集水管埋设深度设置于地面下6m，则水位降深从孔口算起平均降深为6.8m(孔口平均高于地面约0.8m)，根据表2数据，19眼自流井日自流集水量为8708.7÷5×6.8×19=22.50万m3;即月自流集水可达到686.35万m3;若考虑自流井集水时群孔干扰平均降深约1.8m，则19眼自流井日自流集水量为8708.7×19=16.55万m3;即月自流集水量为504.67万m3(年自流集水量为6056.04万m3，占年供水量7400.0万m3的81.18%)，基本达到10～次年3月月供水510.0～564.7万m3用水要求，其各月供水量不足部分以最南部非自流井水泵抽水补充。

该方案与依靠电力提水相比，若按当年电价0.5元/(kW·h)计算，每年可节约成本635.5万元×81.18%=515.9万元 (原全用水泵提水年用电量为1271万kW·h，电费为635.5万元)。按照供电标准煤耗330g标准煤/(kW·h)估算，设计50年运行期消耗标准煤为20.95万t;采取地下水开采新方案，则折算减少消耗标准煤为17.01万t/年，年减少消耗标准煤为0.3401万t，每年可减少CO2排放量81.18%。