山前地区地下水资源论证要点分析——以河南汉荣饮品项目为例

高 亮，冯琳伟

(1.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南省郑州市郑东新区万通街72号 450000；2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南省郑州市郑东新区康平路16号 450016)

河南汉荣饮品有限公司(卫辉厂区)年产2000万件易拉罐饮料灌装项目[1]，位于卫辉市唐庄镇，年取水量19.008万m3，日最大取水量为528m3，主要开采碎屑岩类裂隙水。分析论证范围西北边界以青羊口断层为界，该断层呈北东向分布于鹤壁市东-新乡市太公泉一带，全长大于100km，走向北东25°～40°，倾向南东，为高角度正断层，垂直断距大于1000m。该断层近时期仍有活动，因位于平原与山区衔接地带，使断层东侧新近系泥灰岩与断层西侧的砂泥岩相接触，起到了阻水作用。论证范围即小张王屯-小谷驼-冯庄一线；西边界为李士屯-山彪-冯庄一线；东至下园-郝庄-东寺门；北至小张王屯-西寺门-东寺门；南至共产主义渠即李士屯-石骆驼-下园一线，长约10km，宽约7km，面积约73km2，如图1。

图1 论证区范围图Fig.1 Utilization area of water resources

1 区域水文地质条件

1.1 地下水类型及富水性

根据含水层埋藏深度、岩性、时代结构特征，将本区地下水划分为2类即：松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水。富水程度的分级与评价，主要依据现有开采能力，松散岩类孔隙水统一换算成5m降深的单井出水量；碎屑岩类裂隙水统一换算成15m降深的单井出水量，依据计算出的单井出水量进行富水程度的划分[2-4]。

1.1.1 松散岩类孔隙水

遍布全区，主要为潜水或者微承压水。第四系松散层中夹有较多的中细砂，地下水位埋深为6-40m不等，含水层厚度10m左右，可直接接受大气降水和地表水的渗入补给，形成较丰富的孔隙水。根据本次调查结果，利用单井涌水量的大小可将区内松散岩类孔隙水的富水性划分为富水区和弱富水区2种类型。

富水区：分布于温寺门-河洼-尚庄一线以东至边界，含水层主要由第四系细砂、中细砂和粉细砂构成，部分地区含砂砾石薄层，含水层厚度10m左右，单井涌水量1000～1500m3/d。

弱富水区：分布于小张王屯村、南司马及山庄一带，含水层主要为颗粒较细的第四系细纱、粉细砂组成，厚度一般小于10m，单井涌水量小于500m3/d。

1.1.2 碎屑岩类裂隙水

遍布全区，埋藏于第四系松散岩类孔隙含水层组之下，西部埋深较浅，顶板埋深一般为50～70m；东部埋深较深，由本次物探地质解译结果可知，项目区碎屑岩类裂隙含水层组顶板可达130m左右。

主要含水层为隐伏的新近系泥灰岩和砂岩，一般多为厚层状，上段质地较纯，裂隙发育，可间接接受大气降水和地表水的渗入补给。根据单井涌水量的大小可将区内碎屑岩类裂隙水含水层的富水性划分为富水区、中等富水区、弱富水区3种类型。

富水区：分布于东寺门-郝庄-代庄一带，含水层主要由细砂、粉细砂胶结层、钙核以及泥灰岩构成，厚度45m左右，单井涌水量大于1000m3/d。

中等富水区：分布于下园-龙王庙-南社一带，含水层主要由厚层的泥灰岩和细砂岩构成，厚度45m左右，单井涌水量500～1000m3/d。

弱富水区：分布于小张王屯-大司门-石瓶一带，含水层由新近系泥岩、粉细砂岩及少量泥灰岩构成，厚度较薄，单井涌水量小于500m3/d。

1.2 地下水补给、径流、排泄条件

1.2.1 松散岩孔隙水的补给、径流、排泄

补给：地表岩性多为黄土状粉土、粉质粘土，垂直节理较发育，第四系孔隙水主要接受大气降水的入渗补给，其次是灌溉回归水和少量侧向径流补给。

径流：地下水整体流向为西北向南东，水力坡度变化较大，为1.25‰～6‰，山前水力坡度较大，向平原区逐渐变缓。

排泄：该区主要排泄方式为农田灌溉和生活饮用水开采地下水，其次为侧向径流排泄。

1.2.2 碎屑岩类裂隙水的补给、径流、排泄

补给：隐伏于第四系松散层下的新近系泥灰岩，裂隙发育，在开采状态下，主要靠大气降水的间接补给，即大气降水通过上覆含水层再补给隐伏的泥灰岩地下水，其次是侧向径流补给。

径流：地下水整体流向为西北向南东，水力坡度在1.5‰～10‰之间。

排泄：碎屑岩类裂隙水的主要排泄方式为人工开采及侧向径流排泄。

1.3 地下水的动态特征

松散岩类孔隙水动态为降水入渗补给-农业开采型，总体水位特征表现为：1-4月份水位逐渐下降，5-7月份出现全年最低水位，随着雨季到来，9-10月份水位逐渐回升，水位上升趋势一直持续到翌年春天。

碎屑岩类裂隙水隐伏于松散层之下，地下水动态影响因素较少，其动态类型为补给-开采型。主要表现为地下水接受大气降水和侧向径流补给，人工开采和侧向径流流出则是主要排泄形式。

2 地下水允许开采量计算

2.1 概化数学模型

概化水文地质数学模型，研究区含水层均质各向同性，等厚，侧向无限延伸，产状水平；完整井定流量抽水，井径无限小；含水层中水流服从Darcy定律；水头下降引起的地下水从贮存量中的释放是瞬时完成的。在上述假设条件下，单井定流量的承压完整井流的数学模型如式(1)。

(1)

式中,s为降深，m；r为井径，m；Q为涌水量，m3/d；T为导水系数，m2/d；t为时间，d；μ*为贮水系数，无量纲。

2.2 确定水文地质参数

根据数据模型的概化，本次计算选用AquiferTestv3.0软件Theis(配线法)及Cooper-Jacob(直线解析法)两种方法进行计算。计算数据选用河南宝钢制罐有限公司取水井S09抽水试验数据。

2.2.1 Theis(配线法)

(2)

(3)

(4)

式中,T为导水系数，m2/d；Q为稳定出水量，m3/d；W(μ)为井函数；S为水位降深，m；M为承压含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d；a为导压系数，m2/d。

2.2.2 Cooper-Jacob(直线解析法)

由软件自动绘制生成抽水阶段s-lg(t)曲线，软件系统由式(5)、式(6)和式(7)计算有关参数，在直线上取两点进行计算。运用AquiferTestv3.0-Cooper-Jacob(直线解析法)求得导水系数T=17.9m2/d。

(5)

(6)

(7)

式中,T为导水系数，m2/d；Q为稳定出水量，m3/d；S为t时刻的降深，m；M为承压含水层厚度，m；K为渗透系数，m/d；a为导压系数，m2/d；t0为S等于0时的时间，d。

2.2.3 水文地质参数结果确定

根据抽水试验数据(见表1)，运用软件配线法计算的T=14.4m2/d，弹性释水系数μ=0.004；软件直线解析法计算的T=17.9m2/d，计算结果详见表2。两种计算方法参数基本相当，导水系数取两种方法的平均值，即T=16.15m2/d。计算结果为T=16.15m2/d，K=0.135m/d，μ=0.004，a=3600m2/d。

表1 抽水试验数据Tab.1 Pumping test data

2.3 地下水允许开采量计算

降水入渗补给是论证岩溶水的主要补给源之一，式(8)如下。大气降水补给量为469.1万m3/a。

Q雨补=α·F·X

(8)

式中，Q雨补为降雨入渗补给量，万m3/a；α为年大气降水入渗系数，取0.1；F为计算区面积，取7.3×107m2；X为多年平均降水量，取642.6mm。

侧向径流补给根据所绘制的地下水位等值线，运用达西定律计算地下水侧向径流补给量，式(9)如下。计算得地下水侧向径流补给量为0.02万m3/a。

Q侧=K·M·I·L

(9)

式中，Q测为含水层的侧向流入量，万m3/a；K为径流补给边界附近含水层的渗透系数(采用西侧500m宝钢制罐有限公司井抽水试验)，取0.135m/d；M为含水层有效厚度，由本次物探结果取含水层厚度平均值110m；L为边界的长度，取论证范围西边界长度5500m；I为边界附近的地下水水力梯度(根据地下水流场图采用西侧水力坡度确定)，取0.0025。综上，论证范围内碎屑岩类裂隙水总补给量Q补为469.12万m3/a。

排泄量包括现状开采量及侧向径流排出量，通过调查，论证区范围内碎屑岩类裂隙水开采井共23眼，平均单井开采量约为200m3/d，即论证范围内碎屑岩类裂隙水现状开采量为167.9万m3/a；由碎屑岩类裂隙水等水位线图可知，该层地下水侧向径流排出量基本为零，即论证范围内碎屑岩类裂隙水总排泄量为167.9万m3/a。补给量论证范围内碎屑岩类裂隙水主要接受大气降水的间接补给，其次是论证范围西边界侧向径流补给。

允许开采量采用水量均衡法计算。均衡区取论证范围区域，均衡期计180d(根据资料掌握情况，均衡期取2014年9月至2015年5月之间，共计6个月，合计180d)，计算式(10)如下。计算得地下水允许开采量Q允开为301.28万m3/a。

(10)

式中,Q允开为地下水的允许开采量，m3/d；Δh为均衡期内地下水水位变化量(据本次调查)，取0.36m；Δt为均衡期时间，取180d；μ*为弹性释水系数，取0.004；F为均衡区面积，取7300万m2。

2.4 地下水资源量分析

根据物探解译项目区水文地质条件，项目区250～450m之间含水层岩性为粘土与细砂互层，主要含水段有2层，分别为260～300m、350～420m，含水层厚度110m，岩性为细砂；设计井深430～450m，单井出水量在7～13m3/h左右。

由地下水资源量计算结果，地下水补给量为469.12万m3/a，地下水排泄量为167.9万m3/a，地下水的允许开采量为301.28万m3/a。本项目取水19.008万m3/a(528m3/d)是可行的。综上所述，项目取水22m3/h(528m3/d，19.008万m3/a)是可行的。

3 采后地下水水位

3.1 布井方案的确定

本项目拟建取水井2眼，井深450m，取水层位250～450m，设计取水量每井每小时11m3，共取水22.0m3/h，528m3/d，19.008万m3/a。根据物探解译结果[5]，物探点2号、8号、16号含水层较多，水量较为丰富，考虑运行后的相互影响，本项目选取物探点2号(拟建井Z1，位于1号生产车间西南角)、物探点16号(拟建井Z2，位于厂区内东南角)作为拟建井位置。井位布置见图2。

图2 布井方案示意图Fig.2 Well spacing pattern

由实际量测结果，距本项目较近且取水层位相近的宝钢制罐有限公司井S09，距本项目拟建井Z1为400m，距本项目拟建井Z2为700m；拟建井Z1、Z2相距350m。

3.2 含水层的概化及计算公式的选取

根据本次野外调查，本项目附近3km范围内，仅有一眼井与该项目取水段相近，即项目西侧500m处的宝钢制罐有限公司取水井，取水相互有所影响；3km范围内其他井取水层位均在250m以内，取水段在本项目取水段上部，无共同取水层，取水直接影响小。因此，本次地下水水位预测分析，将宝钢制罐有限公司已建井S09及本项目两眼拟建井Z1、Z2进行同时开采情况下的降深预测分析[6]。

参与分析预测的3眼井中，Z1井处于相对中心位置，降深最大，所以仅对Z1井进行降深预测分析[7-8]。降深预测采用承压完整井无越流泰斯公式近似式计算，分别计算中心井Z1单独开采自身降深、Z2单独开采对Z1降深影响及已有井S09单独开采对Z1的降深影响，最后通过叠加计算相对中心井Z1未来不同时间的降深。根据概化处理，采用地下水承压完整井无越流泰斯公式的近似式(11)进行预测计算：

(11)

式中,Q为开采量，m3/d；K为渗透系数，m/d；M为取水层厚度，m；r为计算点到抽水井的距离，m；μ为弹性释水系数，无量纲；t为开采年限内单井累计抽水天数，d。

3.3 水位降深的计算及结果分析

拟建井Z1(取Q为11.0m3/h，M为110m，r为0.108m，K为0.135m/d，μ为0.004)和Z2(取Q为11.0m3/h，M为110m，r为350m，K为0.135m/d，μ为0.004)分别进行单采降深预测。已建宝钢制罐有限公司井S09(取Q为20.0m3/h，M为120m，r为400m，K为0.135m/d，μ为0.004)单独开采对拟建井Z1水位降深影响预测(见表3)。

表3 水位降深影响预测表Tab.3 Groundwater level prediction

根据综合叠加计算，得出现状开采条件下，本项目地下水开采1a、5a、10a、15a、20a开采井水位降深分别为39.06m、41.41m、51.01m、53.11m、54.61m(见表2)。可以看出，地下水开采20年开采井地下水位降深为54.61m，降深小于含水层厚度的1/2。水源地开采10a以后，地下水位趋于稳定，地下水的补给和排泄达到新的平衡。因此，水源地528m3/d的开采量是有保证的。

4 结论

根据以上计算结果分析，本项目设计井深450m，布井2眼，取水层位250～450m，单井取水量11m3/h，日取水量528m3/d，年取水量19.008万m3/a。取水水源拟采用新近系碎屑岩类裂隙水，采用AquiferTestv3.0软件Theis(配线法)及Cooper-Jacob(直线解析法)两种方法进行率定水文地质参数，采用水量均衡法计算得出地下水补给量为469.12万m3/a，地下水排泄量为167.9万m3/a，地下水的允许开采量为301.28万m3/a，满足项目水源要求。运用解析法预测了开采1a、5a、10a、15a、20a开采井水位降深分别为39.06m、41.41m、51.01m、53.11m、54.61m，开采10a以后，地下水的补给和排泄达到新的平衡。