山西省郭壁供水工程水源地方案比选分析

2021-07-09刘章龙

水科学与工程技术 2021年3期

刘章龙

（晋城市水务局，山西晋城 048000）

1 工程概况

郭壁供水工程位于丹河干流泽州县金村镇郭壁村东珏山脚下丹河峡谷中，距晋城市区16km。原为农灌泵站，始建于1978年，为三级提水，总扬程320m，总提水流量1.42m3/s。 1996年将农灌泵站改建为城市供水工程，目前为晋城城市生活用水唯一安全可靠的水源地，是郭壁供水工程的重要组成部分。

郭壁水源地中奥陶泉水为群泉出露，泉水封闭较难，现阶段是将河岸上的泉水封闭用管道提取利用。遇洪水期，极易出现洪水和泉水混合问题。分布在3km河底的散泉无法与河水分开，即便在枯水期，其水质受河水影响，部分指标超标，达不到饮用水水质标准。因此对水源地进行改造是必要的。

2 工程地质

区内岩溶水位标高约590m，地层总体向北西及偏北方向倾斜，地下水总体方向由北东向南西方向流动，水力坡度0.3%～0.4%。主要含水层为中奥陶统上、下马家沟组中下部，中寒武统张夏组，接受大气降水、地表水及浅层地下水的补给，岩溶发育，富水性好。地下水经调蓄后以泉水形式排泄，沿郭壁-郭壁泉一线形成南北向强径流带，部分地下水在郭壁泉从下马家沟组二段灰岩中流出，大部分沿近南北向的张裂隙穿过O1阻水带进入∈2含水层，最终在以三姑泉为主的排泄口排泄。

根据山西省第三地质工程勘察院2006年在郭壁水源地勘探群井抽水试验得知，∈2岩溶井抽水对地面水和O2岩溶水无直接水力联系，但不排除局部构造裂隙带有使上下两层水沟通的可能性，局部发生水力联系。

3 工程建设的必要性

3.1 市区扩容提质用水量剧增的需求

市委市政府规划建设的“一区六园”工业园区已初见规模，经济效益显现，人口、工业及第三产业的用水量增加，急需大量水源补充。由于缺水，2000年全市限产企业230多个，工业减产约3.5亿元；2001年全市限产企业238个，工业减产约3.8亿元。部分工矿企业的生产工艺未达到设计要求，污染了空气、水体，严重影响了人们的正常生活。供水短缺已成为制约流域经济社会发展的“瓶颈”。

3.2 实现地下水止降回升促进水资源可持续利用

长期以来，丹河流域一直是以开采地下水来满足社会和经济生活对水的需求，致使浅中层地下水被破坏，绝大部分浅中层井报废，区域岩溶深层地下水也因过度开采地下水水位以每年超过1.5m的幅度下降。由于地下水资源超采已形成高平、巴公、北石店、市区4个地下水漏斗区，而郭壁水源地的水源属于丹河流域地表水和晋城市中奥陶的排泄区，大量优质泉水流向了境外，造成了浪费。因此充分开发利用郭壁水源地，不仅能够充分利用中奥陶排泄的泉水，而且还可使高平、巴公、北石店、市区4个漏斗区地下水位回升，免除了城市塌陷的危险。

3.3 水源地现状供水能力远低于水资源量

（1）中奥陶泉水。收集共5处，分别为五龙宫泉、土坡泉提水站、渔场提水站、渡槽提水站和牛草泉提水站，供水能力分别为0.089，0.077，0.019，0.012，0.023m3/s，共计为0.22m3/s（1.9万m3/d）。其水质达生活饮用水质标准。

（2）中寒武水。2003年对9眼中的4眼寒武勘探井进行相应配套设施。提水量2.2万m3/d。其余5眼井出水量1.6万m3/d，未进行设施配套，流入丹河。其水质可达生活饮用水质标准。

（3）散泉水。根据郭壁供水管理处提供的2001～2011年观测资料（在五龙宫泉和牛草泉提水站运行情况下），主坝多年平均流量0.769m3/s，副坝多年平均流量1.378m3/s，区间散泉流量0.501m3/s（4.33万m3/d）。其水质可达生活饮用水水质标准。

3.4 水质评价

水源地的水质以市水资办2008—2011年监测资料为依据进行分析，得出水源地河水水质与《Ⅱ类地面水环境质量标准》，除硫酸盐和氟化物超标外，其他指标均满足要求，说明水源地河水功能基本适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、渔业用水一级区；其氨氮超标31.1倍，不能直接作为生活饮用水水源；可作为工业冷却用水和农业灌溉用水。

4 取水方案比较与确定

4.1 方案1：泉水收集系统方案

即在群泉区打浅层井，在井内抽水使井内水位降深低于河底标高，使泉水停流，全部从井中提出，可彻底解决泉水与洪水和河水的混合问题，保证水质达到饮用水质标准，部分中奥散泉可能收集不到。

根据山西省第三地质工程勘察院1999年3月至2006年12月做的郭壁水源地岩溶水水文地质勘探报告的水文地质和物探资料，需在水源地打13眼中奥水井，井深80m左右，总进尺999.2m，打井投资134.89万元，配套投资268.36万元，可实现建立泉水收集系统的目标。泉水收集系统的总水量为1825万m3/a，总投资403.25万元。 13眼中奥井总装机为422.0kW，单方水电费为0.13元/m3。

4.2 方案2：改河方案

即利用水源地的地形，打隧洞让河水改道，使河水与泉水分开，中奥散泉水可实现大部分收集。

根据水源地1∶1万地形图，从主坝下游1100m处的丹河河底（河底高程530m），打洞至付坝下游河底（河底高程514m），洞长975m。据东焦河水库设计，东焦河50年一遇洪水为930m3/s，30年一遇为796m3/s，为使泉水与洪水分开，改河隧洞的过水能力不小于30年一遇洪峰，洞内流速控制在6～8m/s，小于现浇混凝土的不冲流速，需要过水断面为4m×30m，为确保行洪时洞内无压，洞顶应高于水面2m，则隧洞开挖断面为150m2。洞挖石工程量14.63万m3，总投资2852万元。另外需做一道高5m长55m的拦河坝，需浆砌石653m3，投资26万元，共投资2878万元。上述工程完成后，虽能解决丹河洪水与泉水的分离，以及非汛期河水与河底散泉的分离，但解决不了汛期丹河两岸坡面洪水与河底泉水的分离，汛期下大雨时，山洪水还会与河底泉水混合，水质达不到饮用水标准。

4.3 方案3：修建封闭式集水廊道和集水井方案

根据水源地地形条件，分别在牛草泉泉水出露点以外沿主河槽修建204m长的集水廊道和1#集水坑，在五龙宫泉水出露点以外沿主河槽修建120m长的集水廊道和2#集水坑，在渔场至∈6#寒武井上游散泉水出露点以外沿主河槽修建246m长的集水廊道和3#集水坑，在土坡泉泉水出露点以外沿主河槽修建270m长的集水廊道和4#集水坑，在∈7#寒武井至郭壁副坝下游泉水出露点以外沿主河槽修建440m长的集水廊道和5#集水坑。其中，集水廊道尺寸为2m×1.5m，靠山体侧边墙为原状中奥陶陶石灰岩垂直开挖，不做其他工程措施，以利于散泉水出露，临主河槽侧边墙为50cm厚的M7.5浆砌石，廊道底板为10cm厚的C15混凝土垫层。集水坑为6m×9m的钢筋混凝土水池，池深3m，边墙和底板为20cm厚的C25钢筋混凝土，顶板为15cm厚的C25钢筋混凝土，顶梁为0.25m×0.4m的C25钢筋混凝土。修建集水廊道总长1280m和5个集水坑投资205.98万元，配套投资318.87万元，可实现建立散泉水收集的目标。总投资524.85万元。预计实施散泉集水工程后，中奥陶泉水可收集4.2万m3/d，利用率67.4%。郭壁水源地总供水能力达8.0万m3/d，并且是有保证的。

结合国家相关政策，水源地集水不宜采用井采取水，因此水源地集水方案采用第3方案。

5 取水工程设计

5.1 管道汇流系统设计

根据岩溶井的分布状况，将12眼井和5处集水坑按位置分为一级站下游和上游管线。一级站下游管线分副坝下游管线、副坝上游管线、土坡泉管线。一级站上游管线分五龙宫泉管线、主坝下游管线等5个井群。依据上述井群规划5条管线。

5.1.1 副坝下游管线

副坝下游从下至上分布有∈9#，∈2#，∈1#等3个中寒武井，均分布在丹河右岸，故在右岸由∈9#井至附属引渠压力池布置1条管线，全长638m，管径0.3～0.4m，过水流量0.056～0.209m3/s，提水高程为交汇点535.0m高程。

5.1.2 副坝上游管线

在主管线西侧从南至北分布有∈3#，∈4#，∈7#，∈6#，∈8#5眼井和5#集水坑，距主管比较近在20～70m之内，规划这些井就近送入主管内，共设7条短管，短管全长360m，其各管径与其水泵管相同，出水流量为各井的设计出水量，主管长1050m，管径0.5m，过水流量0.263 ～0.496m3/s，提水高程至交汇点535.0m。

5.1.3 土坡泉管线

在土坡泉附近分布有1眼中奥陶井，即OG1#，以及4#集水坑，沿等高线布置土坡泉管线，水压至交汇点535.0m高程，土坡泉段主管全长761m，管径0.25～0.3m，管道过水能力为0.045～0.131m3/s。

由副坝下、上游管线、土坡泉管线及∈6#和3#集水坑汇入一条主管，交汇处流量为0.836m3/s，主管长218m，管径0.5 m。出水高程为新建一级站前池的正常水位，即523.50m。

5.1.4 五龙宫泉管线

在五龙宫北侧分布有OG2中奥陶井及2#集水坑，沿管理站山脚布置五龙宫泉管线，总长为446m，管径0.15～0.3m，过水能力为0.023～0.143m3/s。出水高程为新建一级站前池的正常水位即523.50m。

5.1.5 主坝下游管线

在主坝下游分布有∈8#，∈5#等2眼井和1#集水坑，沿线布主管，全长653m，管径0.15～0.4m，管道过水能力为0.029～0.159m3/s。出水高程为新建一级站前池的正常水位，即523.50m。