渗流井取水方式在大会坪水源地的应用

丁天生，伍高燕

(长安大学 环境科学与工程学院，陕西 西安710064)

在我国乃至全世界，水资源问题以及与其相关的水环境问题日益成为制约地区经济发展和社会进步的瓶颈。由于长期以来人们已经大量利用了地表水资源，使今后可增加的地表水资源受到限制，故许多水资源专家认为，在满足今后世界上日益增长的用水中，地下水资源将会越来越重要。与此同时，如何合理开发利用地下水资源、如何高效修复受损的水环境，也成为当前研究的热点。在这些问题中，各类集水建筑物是重要的基础设施。

而渗流井以其得天独厚的优势在众多取水建筑物中凸显出来。渗流井由竖井、平巷、硐室和辐射孔(渗流孔)4部分组成，每个渗流井视具体情况一般包括若干个硐室，在各硐室的顶部及侧面一般向上或侧上方向上施工若干辐射孔，辐射孔伸入到河谷区的主要含水段。为方便硐室内辐射孔的施工，硐室尺寸一般为4 m×4.5 m×3.2 m，综合考虑硐室间相互干扰、工作量以及施工难度等，硐室间距为50～70m，之间通过平巷连接。为了方便渗流井施工过程中出渣等，平巷截面尺寸一般为2.2 m×2 m;整个结构体系位于河床之下的地层之中，而竖井作为取水点，位于河岸边，通过平巷与该结构体系连接，竖井即为渗流井的取水点。在第四系冲积层厚度较小的河谷区，渗流井主要进水部位为辐射孔，在冲积层厚度较大的河谷区，位于河底的平巷也是主要的进水部位。渗流井取水原理示意图如图1所示［1］。

图1 渗流井取水原理意图

1 大会坪水源地概况

1.1 水文地质概况

勘查区范围:大地坐标X=37 455 170～37 457 870 m，Y=4 212 980～4 223 430 m。地下水含水层包括第四系全新统冲洪积砂砾卵石层、三叠系碎屑岩类裂隙带、第四系更新统风积黄土，其中第四系更新统风积黄土为局部含水的透水不含水地层。区内地下水资源具有开发利用前景的富水地段为黄河漫滩地区，含水介质为第四系全新统冲洪积砂砾卵石层及三叠系基岩风化裂隙带，含水层厚度较大，为非均质轴对称各向异性。勘查区地下水资源赋存部位包括黄河河谷区和低山丘陵区。黄河河谷区地势平坦，冲洪积层结构松散，厚度较大，含水层岩性以含砾砂层和砂砾卵石为主，孔隙率较大，透水能力强，易于接受大气降水入渗补给，开采状态下还可得到黄河地表水的渗漏补给，地下水开采条件较为优越，适宜集中供水。低山丘陵区支沟纵横，地形破碎，黄土、黄土状土零星披盖于基岩梁峁上，为透水不含水地层，不易形成良好含水层，无供水意义。

天然条件下，区内地下水补给主要依靠大气降水入渗、农灌回归水补给。地下水径流主要受地形条件控制，以所在支沟为单元，地下水顺地势向黄河径流。排泄方式包括地表径流、潜水蒸发、植物蒸腾。

1.2 模型边界概化

勘查区东部边界为黄河，在天然条件下，地下水接受大气降水入渗补给后向黄河排泄，在未来开采条件下，可激发黄河水渗漏补给地下水，故将黄河概化为第三类河流边界;西部边界为低山丘陵区与黄河河谷区分界线，基岩透水性差，可概化为隔水边界;黄河水面宽广、纵向延伸长，故将漫滩上、下游边界概化为一类定水头边界;勘查区顶面为潜水面，该面上分别发生降水入渗、潜水蒸发等垂向水交换作用，可概化为潜水面边界;底面为三叠系完整基岩，基岩结构致密，裂隙不发育，构成区域隔水底板［2］。如图2所示。

2 计算模型

采用渗流井方式开采地下水时，受开采井结构及集水方式影响，井周围地下水三维流特征显著，可将地下水流概化为三维流，水流服从达西定律。另外，模型区存在大气降水入渗补给和潜水蒸发蒸腾排泄，但由于模型区面积较小，并且降水入渗量、蒸发排泄量相比开采条件下激发的河流渗漏补给量很小，故建立模型时可以忽略设计开采量之外的源汇项。根据上述水文地质概念模型，勘查区地下水三维稳定流数学模型为［2］:

式中:H为地下水标高(m);K为渗透系数(m/d);C为井管过滤器透水性能(m2/d);Qe为井管与含水层之间的水量交换(m3/d);Qp为井管内的出水量(m3/d);Kr为河床介质垂向渗透系数(m/d);Mr为河床介质厚度(m);qr为河流与地下水交换水量(m3/d);HS为取水建筑物内抽水动水位(m);Hr为河流水位(m);ΔH为水头损失(m);υ为水的运动粘滞系数(m2/s);d为“井管”的直径(m);v为渗流速度(m/s);Γ2为二类边界;D为计算区范围。

根据含水层结构及水文地质参数，建立渗流井取水三维数值模型，沿东西方向剖分为420列，沿南北方向剖分为500行，剖分网间距5 m，垂向上共40 m，剖分为12层，其中第四系分为4层，下部基岩再细分为8层，平巷埋深27 m，竖井深度31 m［3］。渗流井取水时，“渗流井—含水层”多种流态并存［4］，水力条件复杂，现以等效渗透系数为纽带将“井管”内外不同介质不同流态耦合起来，建立起渗流井取水的“渗流—管流”耦合模型［5］。根据含水层空间分布特征，把大会评勘查地段分为四个参数区，渗透系数依次5.99 m/d、9.32 m/d、14.59 m/d、2.76 m/d。给水度取 0.20。

图2 大会坪勘查地段概念模型平面图

3 开采方案设计

根据陕北地区渗流井取水经验，本次设计布设5眼5硐室渗流井，相邻竖井间距500 m，硐室平面位置位于黄河平水期水边线下方，硐室间距70 m，各硐室向斜上方施工辐射孔，单根辐射孔进入第四系含水层长度1～3 m，辐射孔主要布设在黄河河床方向，考虑到黄河在每年6、7月将出现枯水期，届时黄河水位下降、水边线后退，这将对渗流井开采造成一定的影响。为此模拟计算了黄河枯水期取水效果，模型中黄河水边线按枯水期水边线确定，黄河水位下降1 m。平巷顺黄河水边线布设，竖井据黄河水边线50 m。据此采用相应的剖分形式计算各渗流井取水量［6］。布井位置图见图3。

4 计算结果分析

经计算得出大会坪水源地渗流井开采方案平水期出水量见表1，总出水量38 889.24 m3/d，建议开采量38 800 m3/d。

由于黄河流经大会坪研究区的河段在每年的6月到7月会出现枯水期，造成河流水位下降，水边线退后。因此，将模型中的水边线改为枯水期水边线，同时把河流水位降低1 m，模拟计算得出枯水期渗流井的总出水量为30 603.78 m3/d，建议开采量30 600 m3/d。

对比平水期和枯水期出水量得出:当枯水期黄河水边线后退时，渗流井辐射孔多位于黄河之下，由于黄河水边线后退时也伴随着水位下降，这必将导致黄河水渗漏补给时的水力坡度变小，进而使渗流井出水量减小，而渗流井在黄河水边线后退时的位置差异，导致各渗流井平、枯水期出水量的差异，使得出水量衰减了21.31%。

综合考虑渗流井的建设成本、取水点数目、总出水量等因素，根据计算结果，可确定大会坪勘查地段建议开采量30 600 m3/d。

表1 渗流井平水期出水量组成计算结果

图3 大会坪勘查地段渗流井方案500 m间距布井位置图

5 地下水可开采保证程度论证

黄河水文站流量长观资料显示，黄河流经区内多年平均流量为 951.87 m3/s，最枯流量 24.3 m3/s，远大于渗流井推荐开采方案的河流渗漏补给量，且黄河与地下水水力联系较为密切;计算过程也考虑了枯水期黄河水边线后退对渗流井取水量的影响，所以各勘查地段平水期、枯水期地下水可开采量是有保证的。另外，区内第四系冲积物厚度较大，含水层渗透性能强，在采取渗流井的方式进行岸边取水时，各渗流井的取水能力是有保证的。

根据区内储存量计算成果，大会坪勘查地段地下水容积储存量为 697.23 ×104m3，单位储存量为 58.10 ×104m2，仅地下水位下降1 m所释放出的水量可维持该地段30 600 m3/d的渗流井枯水季节开采量18 d左右。

综上所述，大会坪研究区建议开采量30 600 m3/d是有充分保证的。

6 结语

(1)在“渗流—管流耦合模型”、“等效渗透系数”等理论的指导下，建立起渗流井取水的计算模型，最终确定大会坪水源地的建议开采量为30 600 m3/d。

(2)当遇到枯水期或者大旱时，河流水位下降，水边线后退，甚至会出现地下水位脱节的现象，局部将存在非饱和流，此时渗流井取水特征将变为饱和、非饱和流并存，其取水机理将更为复杂，建议研究“饱和 －非饱和、渗流 －管流”耦合模型进一步细致刻画渗流井取水数值模型，建立渗流井取水的地下水、地表水耦合模型，反映渗流井取水、补给过程［7］。

(3)由计算结果知，枯水季节黄河水边线后退较大，渗流井的出水量将衰减也较大，建议在渗流井的基础上，配以一定的蓄水工程设施，将渗流井所获取的河流渗漏补给量储存在蓄水工程内，这样可以通过以丰补歉、调节平衡的方式增大区内可供利用的水资源总量。

［1］王玮.渗流井取水计算模型及其应用［M］.西安:陕西科学技术出版社.2010.

［2］郭东屏.地下水动力学［M］.西安:陕西科学技术出版社.1994.

［3］李俊亭.地下水流数值模拟［M］.北京:地质出版社.1989:56－63.

［4］陈崇希，万军伟，詹红兵，等.“渗流 －管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟［J］.水文地质工程地质.2004，31(1):1－8.

［5］陈崇希，胡立堂.渗流－管流耦合模型及其应用综述［J］.水文地质工程地质.2008，(3):70 －75.

［6］王玮，畅俊斌，王俊杰.渗流井取水方式地下水允许开采量计算［J］.水文地质工程地质.2009，(1):35 －43.

［7］曾献奎，卢文喜，王伟卓，等.地下水与地表水耦合模拟模型研究与展望［J］.人民黄河.2009，31(11):47 －49.