陕北佳县木头峪水源地管井开采方案设计

郑新嵛

摘 要：木头峪水源地的建成、运行能够有效缓解陕北佳县的水资源供需矛盾。研究区内第四系厚度多在10～15 m之间，所以，可以考虑采用管井开采方式开采区内地下水。为了减少水源地的建设运行成本，保证出水量比较大，在统计、分析了研究区水文地质条件的基础上，建立了研究区地下水流数值模型。根据单井开采量的不同和开采井间距的不同，共设计出了9种可行的管井开采方案，并对比、分析了各可行方案的模拟结果。综合考虑了出水量、降深等因素，确定的优选方案为：开采井间距100 m，单井开采量700 m3/d，总开采量10 500 m3/d。

关键词：二维数值模型；管井；方案设计；单井开采量

中图分类号：P641.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.005

陕西省榆林市佳县水资源严重短缺，水质较差，而其境内的木头峪水源地坐落于黄河漫滩上，地表水可补给地下水资源，并且水力交替快，水质良好。此水源地的建成、运行能够在很大程度上缓解研究区的水资源供需矛盾，还可以为佳县境内正在规划建设的王家砭工业园区输送数量可观的优质水资源。为此，如何制订合理的开采方案，降低水源地的建设运行成本，同时，还要保证有较大的出水量和较高的供水保证率，这已经成为了水源地建设前亟需解决的问题。

1 水文地质条件

木头峪水源地位于黄河河漫滩上，含水层为第四系冲积层和风化基岩构成的统一含水岩组。其中，第四系冲积层含水层岩性为砂卵砾石、中粗砂等，孔隙率大，与下部基岩含水层间无相对隔水层存在。该含水层受地表水的补给作用比较明显，含水层富水性丰富，并且水质较好，具有集中开采的价值，再加上地形地貌特征为其提供了较好的开采条件，可用于大规模开采。根据收集的水文地质资料，研究区含水层厚度多在10～15 m，平均厚度为11.2 m，可以考虑采用傍河管井取水结构开采地下水。

2 地下水流二维数值模型

研究区东部边界为黄河，在未开采的条件下，地下水流场将由天然条件下的排泄改为接受地表水体反向补给，所以，将东部边界概化为第三类河流边界。北、西、南三边界以黄土层为界，该层水平渗透性较差，概化为隔水边界。研究区底部边界为中、微风化基岩，岩体比较完整，透水性较差，可将其概化为隔水边界。研究区顶面为潜水面，存在大气降水、蒸发等补给、排泄的作用，可概化为潜水面边界。

研究区拟采用管井方式开采地下水，地下水流服从达西定律。由此可建立研究区地下水二维非稳定流数学模型：

式（1）中：x，y为坐标，m；h为地下水位，m；μ为潜水含水层给水度；K为含水层渗透系数，m/d；t为时间，d；Kr为河流底质层垂向渗透系数，m/d；Mr为河流底质层厚度，m；n为研究区边界外法线方向；Γ2为第二类边界；D为此次计算区的范围。

由上述数学模型可知，此次计算将采用国际上通用的地下水流数值模拟软件Modflow模拟研究区地下水流。为了方便建立模型，将模型区沿逆时针旋转45°后采平行于X轴、Y轴等间距网格剖分，共剖分为186行、498列、68 305个活动单元，代表面积约1.708 km2。

根据模型区1∶1万数字高程模型（DEM）可获得模型区地面标高，如图1所示。地面以下40 m为风化带范围，即同一含水体的范围，也是计算范围。

图1 计算区数字高程模型（DEM）影像图

根据含水层在空间上的分布特征，将木头峪水源地划分为2个参数区，并且根据区内含水层参数计算相关结果。各水平向渗透系数分别为0.977 m/d和12.303 m/d，垂向渗透系数分别为4.127 m/d和6.000 m/d。

3 开采方案设计

根据勘查资料可知，受含水层泥质含量的影响，宜在研究区下游黄河岸边布设开采井，所以，应在该地段选择合适的位置设置井排进行开采。

3.1 设计原则

管井开采方案设计的原则是：抽水量尽可能大，研究区最大水位降深不得超过含水层厚度的1/2，供水保证率尽可能高，运行管理成本尽可能低。

3.2 可行方案

该区管井开采拟采用定流量抽水，考虑到井间干扰会对各个开采井的水位降深产生影响，所以，根据开采井数量、井间距设计了不同的开采方案。井位置布设图如图2所示。

根据富水性等级可以确定不同地段开采井的合理抽水量，研究区的富水性分区如图3所示。对比图2和图3可知，布井地段基本属于同一个富水性等级，所以，可以将布设井抽水量统一分类设计，参照含水层渗透性特征，设计了600 m3/d、700 m3/d和800 m3/d共3种单井开采量。

图2 木头峪管井布井位置图

图3 木头峪水源地富水性分区图

由此可知，按井间距的不同和单井开采量的不同设计了9种开采方案，如表1所示。

表1 木头峪水源地管井设计方案（开采量单位：m3/d）

3.3 方案优选

将各个可行方案在平水期进行稳定流模拟，得到了各开采方案下的最大降深和总出水量，如图4所示。

图4 各方案最大降深与总开采量关系图

由计算结果可知，各开采井水位降深随着总开采量的增大而增大，小单井开采量方案比较大，井开采量方案降深幅度小，这说明适宜采用多数量的小单井开采量方案。所以，采取方案8开采研究区内地下水可得到比较好的结果，即采用M2、M4、M6、M8…M40共15眼开采井，单井开采量为700 m3/d，总开采量为10 500 m3/d。在推荐方案的作用下，地下水稳定降深场如图5所示。

以上都是在平水期进行稳定流模拟的结果，并未考虑枯水期地表水位下降对开采方案造成的影响。所以，采用管井开采的非稳定流数值模型模拟方案8在枯水期地下水流场的特征，

模拟期为60 d。将平水期模拟的稳定流场作为该模拟的初始流场，地表水边线参照枯水期监测资料确定。将预定方案代入非稳定流计算模型，模拟结果如表2所示。根据计算结果可知，在枯水期，该方案抽水降深虽然比平水期稳定降深有一定的增大，如图6所示，但是，在不发生大的水位降深的情况下，仍能达到预定的开采规模。这表明，方案8在枯水期可以满足开采要求。

图5 平水期管井推荐方案末刻降深图

综合考虑管井出水量、降深等因素，当采用管井开采区内地下水时，在木头峪模型区推荐采用井间距为100 m，总井数15眼，单井开采量为700 m3/d的开采方案，建议开采量为10 500 m3/d。此时，虽然最大降深比平水期有所增加，但是，仅略微大于含水层厚度的1/2（含水层厚11.2 m），并且枯水期持续时间比较短，短期内以10 500 m3/d的开采强度开采不会引发明显的环境地质问题。

4 结论

在对研究区水文地质条件进行比较详细的分析的基础上，建立了研究区的地下水流二维数值模型。根据单井开采量的不同和开采井间距的不同，共设计了9种可行的管井开采方案，并分别在平水期和枯水期模拟了地下水流二维数值。对比、分析了各可行方案的模拟结果，综合考虑了出水量、降深等因素，确定了优选方案作为设计开采方案。

参考文献

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