大寧縣割麥提水工程水源地覆蓋層取水方式分析

高峰

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院太原030024）

1 水源地地質(zhì)概述

山西省大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程由水源地、泵站、輸水線路和一些出水池組成。設(shè)計(jì)取水量為1 956.6 m3/h。2010年10月～12月，對(duì)本工程水源地取水方式進(jìn)行了勘察分析。水源地選址于黃河?xùn)|側(cè)河漫灘，位于馬頭關(guān)黃河大橋北約1 km處。場(chǎng)地南北長(zhǎng)約1 400 m，東西寬50～120 m，地形較為平緩。

地表為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土砂，厚0.2～2.0 m，其下為卵石混合土、混合土卵石等巨粒土及含巨粒土層，局部夾有級(jí)配不良砂透鏡體。其級(jí)配一般不良好，結(jié)構(gòu)松散至稍密，卵礫石主要成分為長(zhǎng)石砂巖、粉砂巖等，呈次圓至圓狀，該層厚11.5～13.4 m，下伏三迭系中統(tǒng)銅川組一段（T2t1）砂巖、泥巖。

勘察期間，水源地地下水位埋深1.64～3.46 m，主要貯存于卵石混合土、混合土卵石層中，屬松散巖類孔隙水，受黃河水位影響較大，總體上漫灘地下水位較黃河水位略高，覆蓋層中地下水補(bǔ)給河水。

據(jù)水源地抽水試驗(yàn)結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，巨粒土層在深度8 m以上其滲透系數(shù)為7.1～13.7 m/d，平均值為10.4 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水層；基巖面以上（基巖面埋深13 m左右）整層滲透系數(shù)為15.0～26.8 m/d，平均值為20.0 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水層。水源地覆蓋層滲透性呈不均勻性，8 m以上覆蓋層滲透性明顯弱于8 m以下覆蓋層。

從資料分析，水源地抽水井單井影響范圍一般60～80 m，抽水試驗(yàn)單井最大出水量為54 m3/h，單井影響范圍約80 m。井群取水時(shí)應(yīng)考慮井間干擾對(duì)出水量減少的影響。

2 河漫灘取水方式分析

1）管井取水。管井取水即在水源地鑿口徑300～700 mm、深度至基巖的機(jī)井，進(jìn)行全井取水。根據(jù)本次勘察，覆蓋層單井出水量可取平均值40 m3/h，若要達(dá)到設(shè)計(jì)取水量，需約50眼機(jī)井。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，水源地水井單井影響半徑約80 m，井距應(yīng)在160 m以上，考慮黃河水上漲影響及水源地面積（0.22 km2），若井間互不影響，至多可布井9眼左右，出水量難以滿足設(shè)計(jì)要求。

2）大口井取水。大口井（見圖1）可設(shè)計(jì)為井徑不小于5 m、井深不小于7 m的圓形井。為減少大口井運(yùn)行過程中淤積對(duì)出水量的影響，建議挖大口井時(shí)井底不直接放置在基巖上，井深宜在12 m以內(nèi)。為進(jìn)行對(duì)比分析，井徑分別采用5 m、10 m、12 m進(jìn)行估算。

圖1 大口井取水計(jì)算圖

式中：Q—大口井出水量，m3/d；

k—滲透系數(shù)，m/d；

S—降深，m；

h0—靜止水位至井底高度，m；

l—井至黃河岸邊距離，m；

r—井半徑，m。

各參數(shù)具體取值及估算結(jié)果見表1。

考慮降深、井徑的差異，井深7 m、井徑5 m時(shí)該估算結(jié)果與附近工程大口井抽水試驗(yàn)出水量比較偏小，但采用公式（1）對(duì)本水源地抽水井進(jìn)行了反推出水量的計(jì)算，其計(jì)算出水量與實(shí)際出水量接近，故該估算結(jié)果可作為取水方式選擇

按照公式適用條件，其供水量可采用井壁井底同時(shí)進(jìn)水非完整井進(jìn)水形式[1]公式（1）進(jìn)行估算。的參考，見表1

表1 大口井出水量估算成果表

由表1估算結(jié)果分析，當(dāng)大口井開挖深度較淺（小于7 m）時(shí)，屬黃河河漫灘上部卵石混合土層，含泥量較大，其滲透性較下部卵石混合土層小，出水量較小。由于設(shè)計(jì)取水量為1 956.6 m3/h，需要布置口徑12 m的大口井約44眼以上；當(dāng)采用井深12 m、井徑12 m的大口井時(shí)，需布置8眼以上。由于水源地可使用面積僅0.22 km2，沿河長(zhǎng)度僅1.4 km，若考慮井間不互相影響，僅能布置5眼左右井深12 m、井徑12 m的大口井，難以滿足設(shè)計(jì)取水要求。

若考慮井間干擾抽水布井，大口井的數(shù)量需增大。由于井間距小于計(jì)算影響半徑，井間將互有干擾。綜合考慮水源地可使用面積及干擾井單井出水量，可選取井間距為150 m左右、井深12 m、井徑12m的大口井10眼進(jìn)行供水，大口井單井出水量可采用公式（1）進(jìn)行估算，其單井出水量約為245 m3/h（見表1），其干擾系數(shù)約0.15，則10眼大口井總出水量為2 082 m3/h?；灸軡M足設(shè)計(jì)要求。

3）滲渠取水。水源地滲渠（見圖2）可平行黃河布置，距河流水邊線的距離不宜小于25 m，設(shè)計(jì)渠深不宜小于7 m，渠寬可取5 m，其出水量可采用[1]公式（2）及公式（3）進(jìn)行估算。

圖2 滲渠取水計(jì)算圖

式中：Q—滲渠出水量，m3/d；

k—滲透系數(shù)，m/d；

S—降深，m；

R—影響半徑，m；

l—滲渠至黃河岸邊距離，m；

R′—影響半徑R與渠寬之半C的和，m；

H1—河流方面渠底以上含水層厚度，m；

S1—河流方面的水位差，其值為 S1=H1-h0，m；

H2—河灘方面渠底以上含水層厚度，m；

S2—河灘方面的水位差，其值為S2=H2-h0，m；

h0—滲渠內(nèi)水深即動(dòng)水位水深，m；

L—滲渠長(zhǎng)度，m；

H—靜止水位高度或潛水層厚度，m；

qr1—河流方面相應(yīng)引用流量，為α1，β1的函數(shù)。

qr2—河灘方面相應(yīng)引用流量，為α2，β2的函數(shù)。

qr1與 qr2計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)分別公式（4）、（5）計(jì)算 β1、β2，

式中：T為渠底至基巖的距離，m。

β1、β2，計(jì)算結(jié)果見表 2。

當(dāng) β1、β2＞3 時(shí)，

表2 滲渠寬5 m時(shí)qr1、qr2估算成果表

采用公式（2）、（3）計(jì)算時(shí)，當(dāng)渠深為7 m時(shí)，覆蓋層滲透系數(shù)k取10.4 m/d，降深S取3.5 m；當(dāng)渠深為12 m時(shí)，滲透系數(shù)k取20.0 m/d，降深S取8.0 m；靜止水位埋深均取3.0 m，基巖面埋深取13 m，則H（靜止水位高度或潛水層厚度）取10 m。參數(shù)取值及估算結(jié)果見表3。

由于設(shè)計(jì)取水量為1 956.6 m3/h，由表3可看出，渠深7 m、渠寬5 m的滲渠出水量小，需開挖大于3.6 km長(zhǎng)滲渠才能滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]水源地范圍較小，開挖7 m深的滲渠，出水量難以滿足設(shè)計(jì)要求。

渠深12 m、渠寬5 m的滲渠出水量相對(duì)較大，估算當(dāng)渠長(zhǎng)1 290 m時(shí)可滿足設(shè)計(jì)要求，水源地順黃河向總長(zhǎng)約1 400 m，故布置渠深12 m、渠寬5 m的滲渠可以滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]估算的誤差及水源地滲透性的不均勻性，建議開挖滲渠長(zhǎng)度為1.4 km。開挖較深的滲渠取水，缺點(diǎn)是施工難度較大，成本較高。

（4）大口井與滲渠組合取水。組合方式可設(shè)計(jì)8眼臨河大口井，井到黃河距離可考慮30 m，井徑12 m、深度 12 m，井間距150 m左右，井間由渠深7 m、渠寬5 m的滲渠相連，兩側(cè)邊緣的大口井再分別向外開挖50 m的滲渠。

其中大口井單井出水量可采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，其單井出水量約為245 m3/h，由于井間距150 m小于計(jì)算影響半徑，井間將互有干擾。根據(jù)本工程條件，其干擾系數(shù)約0.15，則8眼大口井總出水量為1 666 m3/h。

表3 滲渠出水量估算成果表

滲渠長(zhǎng)共計(jì)1 150 m，計(jì)算出水量約為703 m3/h，由于相連的大口井影響，滲渠出水量會(huì)受到影響，但靠近黃河一側(cè)影響較小。滲渠干擾系數(shù)取0.4，則滲渠總出水量為422 m3/h，此種組合方式理論上的出水量約為2 088 m3/h。分析總出水量基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。采用該方案時(shí)，建議在近河8眼大口井的內(nèi)側(cè)（靠山一側(cè)）再設(shè)計(jì)一眼大口井，既可以做為水源補(bǔ)充，也可以做為工程匯水井使用。若采用此方案，建議在工程實(shí)施時(shí)，先打一眼大口井進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，進(jìn)一步落實(shí)單井出水量及影響范圍，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。當(dāng)單井出水量小于預(yù)測(cè)值，可采用增加大口井?dāng)?shù)量或采取一些輻射管或?qū)椎仍鏊胧?，若出水量大于預(yù)測(cè)值，可考慮減少大口井?dāng)?shù)量及滲渠長(zhǎng)度。

3 結(jié)語

由上述分析可知，由黃河河漫灘取水，可采取大口井方式、滲渠方式及大口井與滲渠組合方式取水。大口井取水建議采用10眼以上井深12 m、井徑12 m的大口井。滲渠取水建議采用渠深12 m、渠寬5 m的滲渠。大口井與滲渠組合方式建議采用8眼井深12 m、井徑12m的大口井及1.15 km長(zhǎng)的渠深7 m、渠寬5 m的滲渠。具體采用何種方式建議設(shè)計(jì)部門進(jìn)行投資、施工條件比較后選用。

［1］《供水水文地質(zhì)手冊(cè)》編寫組.《供水水文地質(zhì)手冊(cè)》（第二冊(cè)）［M］.北京:地質(zhì)出版社，1977:265-595.