郑州雁鸣湖地区地下水资源群抽试验分析

董永立 缪晓涓

(1.郑州市水利建筑勘测设计院，河南郑州 450006;2.郑州市引黄灌溉工程管理处，河南郑州 450045)

1 概述

郑州雁鸣湖地区位于郑州市中牟县北部，区划总面积32.21km2，是“郑汴一体化”、“中原城市群”与“中部崛起”的重要组成部分，是集居住、工业、办公、商贸、休闲为一体的生态型新城区。该地区规划新建一座自来水厂，设计日取水量9980m3，供水水源为地下水，共布置6眼抽水井和1眼备用井。

为查明地下水资源的储藏量和可开发利用量，郑州市水利建筑勘测设计院于2009年8月开始对该地区进行水源地地下水位动态监测。并于2010年8月至2011年12月进行了野外水文地质调查、水文地质物探、水文地质钻探、抽水试验和水质分析等工作。布置100m和500m深的水文地质孔各4孔，观测孔各2孔。根据所取得的基础资料，采用均衡法和解析法对地下水资源量分别进行了分析计算，论证是否满足自来水厂用水需求。

2 参数确定

2.1 潜水含水层抽水试验水文地质参数的确定

潜水含水层抽水试验主要为稳定流抽水试验，采用潜水Dupuit公式进行计算:

式中 K——渗透系数，m/d;

Q——稳定出水量，m3/d;

H——含水层厚度，m;

S——水位降深，m;

R——影响半径，m，根据单位涌水量法查表而得，并用经验值修正;

r——钻孔或过滤器半径，m。

计算结果见表1。

表1 潜水稳定流抽水试验求参成果

2.2 承压含水层抽水试验水文地质参数的确定

2.2.1 稳定流抽水试验

承压含水层稳定流抽水试验，采用承压井Dupuit公式进行计算:

式中 K——渗透系数，m/d;

Q——稳定出水量，m3/d;

M——承压含水层厚度，m;

Sw——水位降深，m;

R——影响半径，m，根据单位涌水量法查表而得，并用经验值修正;

rw——抽水孔半径，m。

计算结果见表2。

表2 承压水稳定流抽水试验求参成果

2.2.2 非稳定流抽水试验

此次承压含水层非稳定流抽水试验选择S3作为抽水井，G1作为观测井，钻孔基本情况见表3，根据调查，区域内深层水接受中层水补给，同时考虑弱含水层的弹性释水，采用配线法进行水文地质参数计算。

表3 抽水孔、观测孔基本情况

利用抽水试验观测孔G1时间降深数据在双对数坐标纸上绘制 S－t曲线，与 W(u，β)－标准曲线拟合，选配合点，取坐标值，结果见表4。

表4 配线法计算成果

2.3 水文地质参数的确定

考虑当地的水文地质条件以及计算的精度，结合区域抽水试验求参的成果，此次资源量计算选用的含水层及弱透水层水文地质参数如下:

a.潜水含水层的渗透系数取5.39m/d，含水层厚度取区域平均值55m，给水度0.08。

b.承压含水层的渗透系数取3.67m/d，导水系数240.22m2/d，贮水系数 2.78 × 10－3，导压系数 8.64万m2/d。

弱透水层垂向渗透系数取2.15×10－3m/d，贮水率4.16×10－6L/m。

3 解析法分析

3.1 布井方案

雁鸣湖示范区水源地深层水拟开采地下水9980m3/d，主要开采的是250～500m深度之间的承压水。水源地抽水井垂直地下水流向布置，布置6口抽水井，井距大于800m，呈西北—东南方向，每口井的抽水量均为1663.3m3/d。水源地布井方案设计见下图。

水源地深层布井方案图

3.2 含水层的概化及计算公式的选取

根据含水层结构、埋藏条件及含水层间的水力联系，区内深层地下水可概化为:地下水流服从达西定律;含水层为均质各向同性的承压水含水层，底板水平且无限延伸;假设初始水层基本水平;抽水井均为承压完整井;有越流补给，并考虑到弱透水层释放弹性储量，相邻含水层的水头保持不变。

根据概化处理，区内深层地下水在长期抽水过程中，中心井水位降深可用泰斯井流叠加公式计算:

上式中 S——某点的降深值，m;

Q——单井出水量，m3;

T——导水系数，m2/d;

W(u，β)——井函数;

u——井函数自变量;

t——抽水延续时间，d;

r——抽水井至任意一点的距离，m;

a——压力传导系数，m2/d。

3.3 水位降深计算及结果分析

采用上式叠加计算，水源地深层地下水增开9980m3/d后，开采1年、5年、10年、15年、20年中心井和边缘井水位降深见表5、表6，水源地开采20年中心开采井地下水位降深为7.27m，边缘井地下水位降深为6.31m。由此可以看出，水源地开采10年以后，地下水水位趋于稳定，补、排达到新的平衡。因此，水源地9980m3/d的开采量是有保证的。

表5 水源地深层井群井抽水时中心井水位降深

表6 水源地深层井群井抽水时边缘井水位降深

4 水量均衡法分析

4.1 均衡区的建立及均衡期选取

此次均衡法评价选取平水年条件对深层地下水资源进行计算。均衡期为1年，均衡区即为此次论证范围区域，面积324.5km2。区域内地下水补给项为侧向径流补给、越流补给，排泄项为水源地开采。

4.2 均衡方程的建立

依据水均衡原理，结合该区深层地下水的补给、径流、排泄条件，建立均衡方程如下:

其中

以上式中 Q补——地下水总补给量，万m3/a;

Q排——地下水总排泄量，万m3/a;

μ*——贮水系数;

F——均衡区面积，km2;

Δt——均衡时间段长，a;

ΔH——与Δt对应的水位变幅，m;

Q开——水源地开采量，万m3/a;

Q侧——侧向径流补给量，万m3/a;

Q越——越流补给量，万 m3/a。

4.3 现状年深层地下水资源评价

4.3.1 补给量

a.侧向径流补给量。根据地下水位等值线，运用达西定律计算侧向径流补给量，公式如下:

式中 Q测——含水层的侧向流入流出量，万m3/a;

K——边界附近含水层的渗透系数，m/d，取3.67m/d;

M——含水层的厚度，m，取69m;

L——边界的长度，m，取15500m;

I——边界附近的地下水水力梯度，根据地下水位降深，参考地下水流场图确定，取0.001。

经计算，侧向径流补给量为143.26万m3/a。

b.越流补给量。现状条件下，深层地下水位低于中层地下水位，因此抽水时，中层地下水通过越流补给深层地下水，越流量计算公式如下:

式中 Q越——含水层越流补给量，万m3/a;

Δh——含水层的水位差，取区域平均值0.25m;

F——计算面积即水源地范围内面积，取324.5km2;

Δt——计算时间，即均衡期。

经计算，现状条件下含水层越流流入量为444.16万m3/a。

4.3.2 排泄量

深层地下水的排泄量主要为侧向流出，根据地下水流场状态，运用达西定律计算侧向径流排泄量，其中边界附近含水层的渗透系数取3.67m/d，含水层的厚度取69m，边界长度取30500m，边界附近的地下水水力梯度，根据地下水位降深，参考地下水流场图确定，取0.002。

经计算，侧向径流补给量为563.82万m3/a。

4.3.3 均衡结果分析

通过以上分析计算，深层含水层现状条件下总补给量为587.42万 m3/a，排泄量为563.82万 m3/a，地下水处于正均衡状态，均衡差为23.61万m3/a。

4.4 开采条件下地下水资源评价

4.4.1 补给量

a.侧向径流补给量。根据解析法知，水源地开采影响范围大于此次勘察区。因此，开采条件下，地下水侧向径流补给量明显增大。根据开采条件下地下水流场状态，运用达西定律计算侧向径流补给量，其中补给边界长度增加为22000m，根据开采条件下地下水位降深，参考地下水流场图，地下水水力梯度取0.0015，其他参数同前。

经计算，开采条件下，深层地下水侧向径流补给量为305.02万 m3/a。

b.越流补给量。开采条件下深层地下水位下降，低于中层地下水位，接受中层地下水越流补给，计算得出含水层越流流入量为479.69万m3/a，其中含水层水位差取区域平均值0.27m，其他参数同前。

4.4.2 排泄量

a.侧向流出量。水源地开采条件下，地下水侧向流出量明显减少，流出量为424.49万m3/a，其中补给边界长度减少为25500m，根据开采条件下地下水位降深，边界附近的地下水水力梯度取0.0018，其他参数同前。

b.开采量。深层地下水的排泄量主要为设计的水源地开采量9980m3/d，即364.27万m3/a。

4.4.3 均衡结果分析

通过以上分析计算，深层含水层开采条件下总补给量为784.71万m3/a，总排泄量为－788.76万m3/a，地下水处于负均衡状态，均衡差为－4.05万m3/a。水源地的开采动用了一定的储存量，即含水层的弹性释水量和弱透水层的弹性释水量，水源地属于消耗性水源地。

4.4.4 弹性储存量

弹性储存量的变化采用下式计算:

式中 Q弹——含水层和弱透水层弹性释水量，万m3/a;

其他符号意义同前。

计算中，承压含水层弹性释水系数取2.78×10－3，年水位变幅取0.2m。经计算，含水层弹性释水量为18.04万 m3/a。

5 结论

分析表明:水源地开采20年，中心开采井地下水位降深为7.27m，边缘井地下水位降深为6.31m，地下水位处于含水层顶板之上，水源地深层含水层的规划开采量是有保证的;深层含水层现状条件下总补给量为587.42万m3/a，排泄量为563.82万m3/a，地下水处于正均衡状态，均衡差为23.61万m3/a;开采条件下总补给量为784.71万m3/a，总排泄量为－788.76万m3/a，地下水处于负均衡状态，均衡差为－4.05万m3/a。水源地开采主要靠的是激发地下水侧向流入量及越流补给量，袭夺地下水侧向流出量，动用了一定的储存量，水源地属于消耗性水源地。