某河谷地下水资源量开采计算分析

国 舸

(朝阳市农村水利建设管理局,辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

地下水是北方城镇供水系统的主要水资源来源,为保障区域水资源的合理开发利用,进行地下水资源的论证显得尤为重要[1]。为满足某河流域周边城乡取用水的可持续供给,对地下水资源量开采进行计算分析,在计算论证项目区所在水文地质单元地下水资源量及可开采量的基础上,根据已建水源井的分布位置、井深、井径,结合现状开采后项目区的地下水位降深,分析了降深的合理性,充分论证了某河谷地下水含水层的取水水量保障程度。

1 水源地水文地质条件

水源地位于某河谷漫滩,地下水含水层主要为白垩系基岩裂隙水,水源类型为微承压水,地下水补给量包括降水入渗补给量,侧向径流补给量及某河漫滩区上层第四系松散岩类孔隙潜水越流补给。该河漫滩区的第四系为全新统砂、砾砂、圆砾孔隙潜水含水层,上覆地层为较薄的黏土、粉质黏土、粉土层,局部为砾砂、卵石层直接裸露地表[2]。滩面地势较平坦开阔,坡度小,极易接受大气降水等垂直入渗补给和上游邻区、丘陵区基岩裂隙水的侧向径流补给。另外,丰水期河水补给地下水,枯水期地下水补给河水,农业灌溉期地下水也会接受渠道及田间地表水灌溉的渗漏补给。

河谷漫滩的白垩系下统基岩裂隙水是目前周边城乡的主要供水层,白垩系下统甘河组火山岩、火山碎屑岩裂隙水分布于某河西河谷之下、河谷以东的丘陵,地下水主要赋存于白垩系下统甘河组凝灰岩、晶屑凝灰岩、凝灰角砾岩、中酸性熔岩的网状风化裂隙与原生节理裂隙及构造裂隙带中[2]。丘陵基岩网状风化裂隙带厚度一般为10～20m,但多被泥质充填,且分布位置较高,赋存条件较差,富水性极不均一,实际单井涌水量<100m3/h。分布于该河高、低漫滩下部的甘河组火山岩、火山碎屑岩,网状风化裂隙及层间构造裂隙发育,一般呈片状或带状分布,厚度在30～50m不等,与上覆孔隙潜水含水层之间有相对稳定隔水层,水力联系较弱,主要补给来源为丘陵区及上游的侧向补给,地下水赋存条件好,补给来源充足,富水性较强。根据前人的勘探试验资料,抽水降深在13.37～72.14m时,单井涌水量为21.64～58.00m3/h,渗透系数0.83～5.16m/d,影响半径在254.41～655.31m之间,pH值6.65～7.91,矿化度215.82～266.73mg/L,地下水化学类型为HCO3—Ca、HCO3—Ca·Mg型。总之,该层水质好,埋藏较深,不易污染,因此作为了区域的主要供水水源。

2 地下水资源量计算

2.1 降雨入渗补给量

一般来说,降水是部分地区地下水的主要补给来源项,根据项目区河谷附近气象站记录的降水数据可知,1956—2020年区域多年平均年降水量为473.40mm,多年平均月降水量6～9月份期间占全年降水量的81.86%。由于文章计算的含水层为第四系含水层之下的白垩系基岩裂隙水,该含水层深度较厚,在水源地范围内的大部分地区地下水位埋深>30m,降水无法直接补给,缓慢的垂直补给效率导致入渗补给量很小,因此在该地下水资源量的计算中,不考虑降雨入渗补给量。

2.2 侧向径流补给量

地下水含水层在空间上展布广阔,具有连续的空间赋存状态,在水动力条件下,侧向流动速度较快,在水压力作用下侧向径流具有很高的补给速率[3-4]。根据本研究区的地质地形,判断地下水的主要流向,受水力梯度和渗透系数的影响,以白垩系含水层为侧向径流的补给量计算公式如下:

Q侧=K·B·I·H=9122.85m3/d

(1)

式中:Q侧为地下水侧向补给量,m3/d;K为渗透系数,m/d,文章取5.82m/d;B为补给断面宽度,m,文章取3000m;H为含水层厚度,m,文章取95m;I为水力坡度,文章取5.5‰。

2.3 越流补给量

白垩系含水层和上覆第四系含水层之间无明显意义的隔水层,由于第四系直接接受大气降水的补给,使得下覆白垩系含水层呈弱承压性,地下水水位低于第四系含水层水位,相邻的含水层水力压差异,导致高水位第四系含水层中的地下水会透过间隙层补给低水位白垩系含水层[5]。根据水位差及越流补给系数,可以得到的越流补给水量计算公式如下:

Q越补=F·△H·K′/M′=7778.88 m3/d

(2)

式中:Q越补为越流补给量,m3/d;F为越流区面积,m2,文章取5.40km2;△H为上层潜水与下层基岩裂隙水的水位差,m,文章取0.25;K′/M′为越流系数,1/d,文章取0.00576。

综上所述,项目区河谷水源地总补给量即为侧向补给量和越流补给量之和,水文地质单元地下水补给量为16901.73m3/d,即该区的年地下水资源量为616.91万m3。

3 地下水开采分析

3.1 地下水可开采量计算

河谷水源地地下水赋存条件较好,与地表水水力联系密切,常年能得到该河地表水的补给,开采状态下水位变幅不大,单井出水量最大为2800m3/d,根据上文对地下水资源量的计算,采用开采系数法计算地下水可开采量,计算公式为:

Q可=δ·Q总=14366.47m3/d

(3)

式中:Q可为可开采量,m3/d;δ为可开采系数,文章取0.85;Q总为地下水资源量,m3/d。

经计算,该水文地质单元的年地下水可开采量为524.38万m3。

3.2 水源井基本参数

文章水源地地下水开采分析主要计算的是项目区河谷新打的7眼水源井,平均地面高程为221.3m,井深在120～180m,井的直径在273～325mm,单井出水量70～120m3/h。为得到水源井的水文地质参数,利用7个井的群井抽水试验过程进行了计算,将得到的各参数代入如下计算承压完整井和影响半径的经验公式:

(4)

式中:Q为出水量,m3/d;K为渗透系数,m/d;H为含水层厚度,m;s为降深,m;Z为花管进水高度,m;R为影响半径,m;r为井径,m。

通过计算得到表1结果,其中主要的渗透系数为4.56～8.76m/d,影响半径在70～133m。

表1 水源井单井抽水试验参数值

3.3 开采后的地下水水位

为保障供水要求及地下水资源的持续性利用,需要对开采后的地下水位降深进行预测分析。文章的水源井群降深预测采用非稳定流干扰井群降深叠加法进行水位降深预测,计算公式为:

(5)

当u<0.01,则公式简化成:

(6)

式中:S为开采末期各井水位降深值,m;Si为任一点水位降,m;Qi为单井涌水量,m3/d;T为导水系数,m2/d;a为导压系数,m2/d;ri为任一点到i号井距离,m;t为设计年限,a。

各井之间的距离如表3所示。

表3 各井之间的距离 m

根据水文地质手册,基岩裂隙水理论上的允许降深值为从静止水位到含水层一半位置的距离,故利用公式及数据得到的计算成果如表4所示。

表4 预测各井水位降深S计算成果表 m

综上所述,当7眼井共同开采3a和5a后各井水位降深值均未达到允许降深值,开泵时间按20h计算,此时总开采量为11700m3/d。当开采时间为9a340d时,6#井的降深值达到允许降深值,若水源地继续开采,则6#井需停用,其他井可继续开采。当开采时间为10a时,剩余6眼井的降深值均未达到允许降深值,但3#井和4#井的降深值已临近允许降深值,建议停用。当6#、3#和4#井达到最大开采年限时,为确保城区供水需求,水源地应新增供水水源井。

4 结 论

通过对河谷地下水资源开采进行计算论证,认为该地在设计年限内取水是可靠、可行的,具体结论与讨论如下:

1)水源地地下水赋存条件较好,与地表水水力联系密切,常年能得到某河地表水的补给,开采状态下水位变幅不大。水源地所在水文地质单元地下水资源量为616.91万m3/a,地下水可开采量为524.38万m3/a,地下水资源量及可开采量方面均可满足周边城乡取水量要求。

2)计算的7眼水源井,单井出水量为70～120m3/h,含水层平均厚度95m,含水岩性主要为凝灰岩,渗透系数平均值5.82m3/d。通过水源井井群降深预测,水源地井群稳定出水量11700m3/d。当7眼井共同开采3a和5a后各井水位降深值均未达到允许降深值,当开采时间为10年时,井达到最大开采年限时,为确保城区供水需求,水源地应新增供水水源井。

在计划开采条件下,水源地范围内地下水水位将逐渐下降,随之上游水力坡度增大,下游水力坡度减小,可获得四周侧向的径流补给;在水位下降的同时,可增大该河地表水对地下水的补给量,更大程度的袭夺地表水。因此,随着持续开采,地下水补给量会增大,达到新的采补平衡,所以,若现有水源地的供水能力满足不了用水要求时,开展新的扩建供水工程的水资源论证是十分重要的。