傍河地下水源地水文地质特征及水资源量评价

2021-01-21于文龙樊康康

水科学与工程技术 2021年5期

于文龙，樊康康

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

中卫市沙坡头区城乡居民生活用水现状主要依靠地下水作为水源，通过中卫市第一水厂和中卫市第二水厂处理后向城区供水。由于现状水源地存在一定程度的污染，无法切实保护水源。为此，提出在黄河岸边建辐射井取水替换现有水源，建设城市及农村供水一体化工程的构想。

拟建中卫市城市供水工程水源工程勘察区，位于中卫市机场大道以西、迎水桥以东、中央大道以南、黄河以北地区，紧邻中卫市区，其东西方向长约8.4km，南北方向宽约0.5～2.6km，面积约11.8km2。

1 勘察区水文地质特征

1.1 含水层岩性及富水性

1.1.1 含水层岩性

勘察区范围内主要发育有第四系地层和泥盆系地层。

（1）第四系全新统冲积物。表层有壤土或砂壤土层分布，发育厚度3～5m，分布较稳定。主要发育冲积卵砾石，发育厚度普遍大于50m。岩性由砂岩、片麻岩和花岗岩类等组成，磨圆较好，分选性差，多呈片状或扁平状，粒径1～15cm，最大可达30cm，卵砾石含量70%以上；砂为灰黄色细砂。粒径自上到下逐渐变细，从砂卵砾石过渡为砂砾石。其中砂卵砾石层发育厚度9.0～25.8m，砂砾石层发育厚度28～41m，所有钻孔均未揭露该层。局部夹有粉土及粉细砂透镜体，其中位于上游的钻孔揭露到多层透镜体，总厚度达15.90m。

（2）泥盆系。紫红色泥岩、砾岩、砂岩等。

1.1.2 地下水补、径、排条件

勘察区内地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水和下部基岩裂隙水。第四系松散层是本区的主要含水层，受降水和农田灌溉补给，补给来源季节影响较大。

从水文地质勘探孔揭露情况可知，本区内含水层主要分为上下两部分。上部含水层主要为砂卵砾石层，孔隙大，径流条件较好；下部含水层主要为砂砾石层，细颗粒含量较高，其中还夹有不规则的透镜体状粉土层及粉细砂层，径流条件不均一，相对较差。

地下水多以潜流的形式排入黄河及相邻渠道。在地下水埋深较小地段，蒸发也是其排泄途径之一。

勘察区范围内含水层分布于黄河漫滩及Ⅰ级阶地中，钻孔揭露地下水位埋深为1.45～2.5m，水位升降受季节影响较大，水位变幅0.5～3m。含水层厚度一般大于50m，厚度自北向南有减小的趋势，勘察区是地下水的良好渗流通道和储水场所。

1.1.3 含水层富水性

本水源地位于黄河冲积平原的浅层孔隙潜水富水区域，具有水质好、水量丰、埋深浅、含水层分布稳定等特点。上部潜水含水岩组为河床相砂卵石层，水位埋深1.45～2.5m，开采目标层厚度40～50m。

本次勘察进行了稳定流多孔抽水试验［1］，平行河岸测线方向，根据观测孔各次降深资料计算得到的渗透系数K值相差不大，范围值为4.55～8.37m/d，平均值为6.4m/d。垂直河岸测线方向，渗透系数K值范围值为2.78～11.33m/d，平均值为5.84m/d。结合区域资料、经验类比和本次试验成果综合考虑，推荐本水源地K值按6～10m/d选取。通过勘探孔剖面分析得知，上游方向含水层逐渐变薄且不规则透镜体逐渐增多，会使地层渗透系数降低，富水性变差。

1.2 勘察区水质

1.2.1 地下水水质

按照GB/T 14848—2017《地下水质量标准》分别采用单项指标评价法和综合评价法对8组民井水样进行了水质简分析试验成果进行评价。

通过综合分析民井水样的评价结果，对水源地浅层地下水质量空间分布规律形成以下初步认识：勘察区内北侧浅层地下水质量最差，总硬度、硫酸盐等指标均有不同程度超标。水源地钻孔地下水水质为Ⅴ类水质，计算所得F=7.32，按Ⅲ类水质评价标准，其中铁超标1.94倍，锰超标6.62倍。

1.2.2 黄河供水水质

按照GB/T 14848—2017《地下水质量标准》对抽水试验后黄河供水水质进行评价。试验指标中总磷、总氮、粪大肠杆菌及硫酸盐含量超标，其余指标符合标准要求。按Ⅲ类水质评价标准，其中总磷超标1.7倍，总氮超标2.21倍，粪大肠杆菌超标3.7倍，硫酸盐超标0.078倍。

1.3 地下水动态

据调查，该地区自当年的10月份至来年的4月份为枯水期，为地下水下降期，一般下降幅度为2.0～3.0m，5～10月份因灌溉用水和雨季降水（年降水量多集中于7～9月份），水位有所上升。

2 勘察区地下水资源评价

2.1 水文地质概念模型

基于区域背景水文地质条件和勘察研究成果的认识，从地下水开采和水资源计算评价的需要出发，将本水源地补给及开采条件下的水文地质模型概化。

（1）水源地资源量计算及开采限制范围。河漫滩及一级阶地范围，东西方向长约8km，南北方向宽约0.8～2.0km，面积约11.8km2。目标含水层平均厚度按40m考虑。

（2）水文地质单元补、径、排关系。本水源地处于既受包括黄河在内的侧向补给，同时地下水又排泄补给黄河的动态过程中。天然状态下，地下水主要接受大气降水和农田灌溉补给。地下水蒸发、开采及地下水向地表水泄流是地下水主要排泄方式，其中，主要排泄途经是以地下径流的形式向黄河水平排泄，其次是通过排水沟向黄河排泄，部分地下水消耗于蒸发等途径。

（3）黄河侧向补给水源地边界及补给量约束条件。天然状态下，补给量主要受过水断面的大小、过水断面的渗透系数、黄河潜流的水力坡降等因素影响。开采状态下，通过大降深疏干含水层静态储水空间，形成大的水头差和水力坡降，可以加快径流速率，加大地下水交换能力，最终改善地下水循环条件和补给条件，增大并稳定地下水长期开采量及其保证率。

（4）傍河取水［2］条件开采量及其约束条件。傍河取水条件下，潜在补给源及补给量是黄河河川基流侧向潜流补给，水源地地下水可开采量受其补给能力的控制。

2.2 水源地地下水资源量计算与评价［4］

2.2.1 天然储量计算

（1）天然储存量。根据现场勘探成果统计显示，工作区内含水层厚度由下游至上游逐渐变小，同时其成层性和规律性变差，不规则的透镜体或夹层也逐渐增多，现将工作区内潜水含水层平均厚度按40m考虑，地下水天然储量94.4×106m3。

（2）调节储量。据有关资料，该水源地所在的卫宁平原枯水期和丰水期水位变幅为2.0～3.0m，丰水期地下水位上升主要受农田灌溉补给影响，勘察区内调节储量5.9×106m3。

2.2.2 开采条件下补给量计算

本水源地邻近黄河，自然条件下地下水补给量有限，通过合理强度的开采，可有效激发黄河侧向补给量，增加水源地地下水可开采量。本阶段初步设计2个开采，降深分别为10，15m。计算时，根据取水构筑物邻河侧边界至黄河边的距离分段计算，实际距离小于500m时，按500m考虑。渗透系数K值选取综合建议值6，10m/d，分别组合估算，开采条件下黄河侧向补给量计算值在0.13×108～0.30×108m3/a。

2.2.3 地下水可开采量计算

通过建立水源地水文地质概念模型，对边界条件和水文地质参数进行确定，对黄河侧向补给水源地能力进行计算评估，对水源地静态储水量进行估算，并采用“平均布井法”对可能的开采量进行估算，以及环境约束条件下估算大降深疏干上部含水层所能提供的地下水可开采量，采用“开采强度法”估算可开采量与补给保证程度等，综合分析，对水源地地下水开采条件及可开采量进行评价。

（1）“水量均衡法”地下水可开采量计算与评估。本水源地侧向流入量与流出量之差即为黄河侧向补给量，垂直入渗量包括降水补给量及灌溉入渗补给量。自然条件下本水源地地下水有效排泄量主要包括蒸发量、排水渠排泄量。水源地目前地下水埋深2～4m，长期10m降深高强度开采下，预计水源地地下水位会出现不小于1m以上降深，则蒸发量、排水渠排泄量将被开采袭夺。开采降深S分别取10，15m，渗透系数K值选取6，10m/d，分别组合计算，开采条件下补给量计算值在2061×104～3763×104m3/a之间。

（2）单井出水量计算与评估。分别估算水源地开采条件下大口井、辐射井单井涌水量［3］。利用大口井公式估算单井涌水量，按含水层厚度分区考虑，渗透系数分别取6，10m/d组合估算多种降深条件下的单井涌水量。引用补给半径考虑“傍河取水”条件及取水构筑物邻河侧边界限制条件，分别选取200，500m。辐射井单井涌水量估算采用“等效大口井法”，有效辐射管数量按12根考虑。计算结果，大口井单井涌水量在1368～3078m3/d；利用“等效大口井法”计算的辐射井单井涌水量在3527～8160m3/d。

（3）“平均布井法”开采量计算与评估。采用“平均布井法”计算时，影响半径按照抽水试验实测的500m考虑。设定降深（10，15m）、渗透系数（6，10m/d）不同组合情况分区计算。辐射井开采量计算值2496×104～3446×104m3/a。

从水均衡的角度，天然状态下的可开采量是有限的，水源地天然补给及可开采资源仅在405万m3/a左右。从“傍河取水”方式及“袭夺”黄河过境河川基流（潜流）量的思路出发，将本水源地地下水可开采量指标定为6万～9万m3/d（约2500万～3000万m3/a），满足替换现有水源地的条件。