大雨溝水源地非管井取水方式的選取

潘治霖，王基淵，鄭羽良

(長(zhǎng)安環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054)

在開(kāi)采地下水資源時(shí)，開(kāi)采方式的選擇要綜合考慮多方面因素。在干旱半干旱地區(qū)的河谷區(qū)大量開(kāi)采地下水，傳統(tǒng)的管井由于出水量小且易引起地下水位降幅較大等原因而不被采用。相對(duì)而言，廊道、輻射井、滲流井等開(kāi)采方式在開(kāi)采淺層地下水時(shí)，具有出水量大，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)勢(shì)，是解決大用水量用水的有效途徑［1］。這些非管井開(kāi)采方式各有特點(diǎn)及適用條件，需要根據(jù)具體條件來(lái)分析決定開(kāi)采方案［2］。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

神木縣黃河河谷區(qū)位于黃河中游陜晉峽谷陜西一側(cè)，黃河河谷漫灘分布區(qū)地下水較為豐富，現(xiàn)階段主要以管井、大口井和滲渠等零星開(kāi)采地下水，總體上水資源開(kāi)發(fā)利用程度較低。

大雨溝水源地位于神木縣黃河河谷區(qū)。黃河河谷區(qū)地勢(shì)平坦，沖洪積層結(jié)構(gòu)松散，孔隙率較大，含水層巖性以含礫砂層和砂礫卵石為主，透水性較強(qiáng)。河漫灘第四系沖洪積層含水層厚度大，一般為14～17 m，水位埋藏淺，從一級(jí)階地后緣至漫灘前緣，地下水賦存條件逐漸轉(zhuǎn)好，漫灘前緣第四系孔隙率大?？傮w地下水賦存條件較好，開(kāi)發(fā)利用條件比較優(yōu)越。

2 計(jì)算模型

2.1 概念模型

大雨溝水源地下游緊連馬鎮(zhèn)水源地，中間由一條沖溝相隔，考慮到布設(shè)取水設(shè)施相距較遠(yuǎn)，開(kāi)采時(shí)不會(huì)相互影響，故視為一個(gè)研究區(qū)，統(tǒng)一建立模型，但分別布設(shè)取水構(gòu)筑物并計(jì)算。

研究區(qū)東部邊界為黃河，考慮到不同條件下，地下水、黃河水可相互排泄補(bǔ)給，故將黃河概化為一類河流邊界。西部邊界為低山丘陵區(qū)與黃河河谷區(qū)分界線，基巖透水性差，可概化為隔水邊界?？紤]到取水工程正常工作時(shí)不會(huì)影響到黃河上、下游邊界，故將研究區(qū)南、北邊界概化為一類定水頭邊界。研究區(qū)的頂面為潛水面，可概化為潛水面邊界。研究區(qū)底面為三疊系完整基巖，基巖結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成區(qū)域隔水底板。

2.2 數(shù)值模型

為準(zhǔn)確刻畫廊道、輻射井、滲流井的取水結(jié)構(gòu)，采用Visual Modflow軟件分別建立各開(kāi)采方式的三維有限差分?jǐn)?shù)值模型。對(duì)研究區(qū)采用5×5 m的等間距網(wǎng)格進(jìn)行剖分，沿東西方向剖分為726列，沿南北方向剖分為1 396行。垂向上共40 m，分別根據(jù)取水方式進(jìn)行剖分:廊道取水模型垂向上剖分為10層，第四系含水層為7層，基巖裂隙含水層剖分3層;輻射井取水模型剖分為11層，第四系含水層剖分4層，基巖裂隙含水層剖分7層;滲流井取水模型剖分為12層，第四系含水層厚分為5層，基巖裂隙含水層剖分7層。在剖分網(wǎng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層結(jié)構(gòu)以及參數(shù)等資料，分別建立“滲流 - 管流”耦合模型［3］。

考慮到黃河流經(jīng)研究區(qū)的河段在每年6、7月將出現(xiàn)枯水期，屆時(shí)黃河水位下降、水邊線后退，這將對(duì)開(kāi)采地下水造成一定的影響。為此，針對(duì)各開(kāi)采方案，分別建立枯水期模型，計(jì)算枯水期條件下取水效果，模型中黃河水邊線按枯水期水邊線確定，黃河水位下降 1 m［4-6］。

3 各開(kāi)采方式計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 廊道開(kāi)采

由于可開(kāi)采量取決于開(kāi)采條件下激發(fā)的河流滲漏補(bǔ)給量大小。因此，在距黃河岸邊5 m的位置設(shè)計(jì)廊道開(kāi)采方式。在研究區(qū)內(nèi)沿黃河平水期水邊線布設(shè)一條長(zhǎng)約4 125 m的廊道，廊道橫截面寬2 m，高2 m，在廊道下游尾部距黃河平水期水邊線25 m處布設(shè)一口11 m豎井，豎井井壁襯砌不進(jìn)水。設(shè)計(jì)廊道頂面埋深分別為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，根據(jù)相同埋深廊道下不同豎井降深，共設(shè)計(jì)了20種計(jì)算方案。各方案計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1，圖2。

由圖可知，豎井降深相同的條件下，隨著廊道埋深的減小，廊道出水量略有增加，但單位豎井降深出水量明顯增加。隨著豎井降深的增加，廊道計(jì)算出水量顯著增加，但單位豎井降深條件下計(jì)算出水量明顯減小。因此推薦采用埋深5 m，降深5 m的廊道方案開(kāi)采黃河河谷區(qū)的地下水，在該方案作用下，平水期大雨溝水源地廊道計(jì)算出水量為69 556 m3/d，建議開(kāi)采量為69 500 m3/d。

圖1 各方案開(kāi)采量

圖2 各方案單位豎井降深出水量

將推薦方案代入枯水期模型，計(jì)算結(jié)果表明在黃河水位下降、水邊線后退條件下，廊道取水量顯著下降，在豎井水位不變條件下，廊道計(jì)算出水量減少為30 393 m3/d，枯水期建議開(kāi)采量為30 300 m3/d。

3.2 輻射井開(kāi)采

根據(jù)水文地質(zhì)條件，沿黃河河谷區(qū)布設(shè)多個(gè)輻射井取水工程，各工程間距以不產(chǎn)生顯著降深疊加為宜，在此基礎(chǔ)上計(jì)算全區(qū)地下水允許開(kāi)采量?？紤]井和井之間的干擾，在研究區(qū)設(shè)計(jì)19眼(豎井間距200 m)和25眼(豎井間距150 m)大口徑輻射井兩種方案開(kāi)采地下水。豎井降深為5 m時(shí)的取水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 輻射井各方案取水量 m3/d

由計(jì)算結(jié)果可知，19口輻射井方案中，群井作用下輻射井總出水量平水期減少了6.75%，群井作用下輻射井總出水量枯水期減少了16.39%;25口輻射井方案中，群井作用下輻射井總出水量平水期減少了12.44%，群井作用下輻射井總出水量枯水期減少了25.39%。由此可見(jiàn)，輻射井間相互影響較小，雖然增加輻射井?dāng)?shù)量會(huì)使得相鄰兩輻射井之間的距離減小，但在平水期各輻射井間相互干擾卻沒(méi)有顯著增加。

同時(shí)，19口輻射井方案中，群井作用下平枯水期出水量相差38.77%;25口輻射井方案中，群井作用下平枯水期出水量相差42.75%。由此可見(jiàn)，當(dāng)枯水期黃河水邊線后退、水位下降時(shí)，導(dǎo)致黃河水滲漏補(bǔ)給時(shí)的水力坡度變小，進(jìn)而使得各輻射井出水量顯著減小。

綜合考慮輻射井建設(shè)成本、出水量等因素，當(dāng)采用輻射井開(kāi)采區(qū)內(nèi)地下水時(shí)，推薦方案為:采用25眼輻射井方案開(kāi)采黃河河谷區(qū)的地下水，建議平水期輻射井正常開(kāi)采量50 200 m3/d，建議枯水期輻射井正常開(kāi)采量28 700 m3/d。

3.3 滲流井開(kāi)采

根據(jù)水文地質(zhì)條件，沿河谷區(qū)布設(shè)多個(gè)滲流井取水工程，各工程間距以不產(chǎn)生顯著降深疊加為宜，在此基礎(chǔ)上計(jì)算全區(qū)地下水允許開(kāi)采量。根據(jù)豎井之間的間距不同，研究區(qū)布設(shè)了5眼(豎井間距750 m)和7眼(豎井間距500 m)滲流井兩種方案。豎井降深為5 m［7］時(shí)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 滲流井各方案取水量 m3/d

由計(jì)算結(jié)果可知，5眼滲流井方案時(shí)，研究區(qū)群井作用下各滲流井水量平水期僅衰減了0.3%，群井作用下各滲流井水量枯水期衰減為1.8%;7眼滲流井方案時(shí)，研究區(qū)群井作用下各滲流井水量平水期僅僅衰減了0.78%，群井作用下各滲流井水量枯水期僅僅衰減了4.4%。由此可見(jiàn)，各滲流井相互影響較小，雖然增加滲流井會(huì)使得相鄰兩滲流井之間的距離減小，但各滲流井間相互干擾卻沒(méi)有顯著增加。

同時(shí)，在5眼滲流井方案中，群井作用下平枯水期出水量相差37.26%;在7眼滲流井方案中，群井作用下平枯水期出水量相差34.11%。由此可見(jiàn)，當(dāng)枯水期黃河水邊線后退、水位下降時(shí)，導(dǎo)致黃河水滲漏補(bǔ)給時(shí)的水力坡度變小，進(jìn)而使得各滲流井出水量顯著減小。

綜合考慮滲流井建設(shè)成本、出水量等因素，當(dāng)采用滲流井開(kāi)采區(qū)內(nèi)地下水時(shí)，推薦方案為:采用7眼滲流井方案開(kāi)采黃河河谷區(qū)的地下水，建議平水期滲流井正常開(kāi)采量77 100 m3/d，建議枯水滲流井正常開(kāi)采量48 900 m3/d。

3.4 開(kāi)采方案的選取

各開(kāi)采方式推薦方案降深均為5 m，取水效果見(jiàn)表3。

表3 各開(kāi)采方式取水效果一覽表

對(duì)比三種開(kāi)采方式取水效果，同在5 m降深條件下，相對(duì)廊道、滲流井來(lái)說(shuō)，輻射井開(kāi)采量較小，難以滿足供水要求，不宜采用。廊道取水量較好，但平枯水期衰減率為56.40%，枯水期的取水量得不到保證，而且廊道開(kāi)采方式在施工過(guò)程會(huì)對(duì)含水層造成一定破壞，因此，不宜采用廊道開(kāi)采方式。滲流井輻射孔深入黃河河床之下，能充分激發(fā)黃河水的補(bǔ)給，枯水期黃河水邊線后退條件下，取水量衰退也較小，而且滲流井具有使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)方便、運(yùn)行總體成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，因此，建議采用滲流井方式開(kāi)采地下水。

開(kāi)采量主要由滲漏補(bǔ)給組成，由于黃河流經(jīng)區(qū)內(nèi)多年平均流量遠(yuǎn)大于推薦開(kāi)采方案下的河流滲漏補(bǔ)給量，而且也考慮了枯水季節(jié)黃河水邊線后退對(duì)滲流井取水量的影響，因此在推薦方案下的平枯水期開(kāi)采量是有補(bǔ)給保證的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大雨溝水源地處于干旱半干旱地區(qū)的河谷區(qū)，設(shè)計(jì)了三種非管井取水方式。通過(guò)對(duì)三種開(kāi)采方式推薦方案的取水量，以及平枯水期取水量的衰減率進(jìn)行對(duì)比分析，并綜合考慮各方面因素，推薦采用滲流井方式開(kāi)采。滲流井?dāng)?shù)為7眼，平水期滲流井總可開(kāi)采量77 100 m3/d，枯水滲流井總可開(kāi)采量48 900 m3/d，此研究分析對(duì)大雨溝水源地水資源的開(kāi)發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義。

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