城市地下水備用水源取水方式確定及允許開采量計(jì)算

陳　鵬，陳近中，劉　桃，曹　磊

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

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城市地下水備用水源取水方式確定及允許開采量計(jì)算

陳鵬，陳近中，劉桃，曹磊

(四川省地質(zhì)工程勘察院，四川 成都 610072)

[摘要]城市地下水備用水源是水污染突發(fā)事件中城市生活用水的重要保障，在開發(fā)利用城市地下水備用水源的同時(shí)既要考慮經(jīng)濟(jì)問題也要避免影響城市地下水環(huán)境。通過數(shù)值模擬的方法來解決城市地下水備用水源建設(shè)過程中遇到的取水方式選擇和取水量確定的問題，為科學(xué)建設(shè)城市地下水備用水源提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地下水；備用水源；取水方式；允許開采量

近年來，環(huán)境污染問題日益突出，城市水資源短缺問題越來越嚴(yán)重，城市水安全文問題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大難題，甚至影響著社會(huì)的安全和穩(wěn)定。由于城市人口集中，居民生活用水量大，而地表水極易被污染，因此城市地下水備用水源一般以具有一定儲(chǔ)存規(guī)模、水量穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良、開采條件較好的地下水為主。

備用水源具有“應(yīng)急”、“備用”、“水質(zhì)要求高”三層含義。備用水源一旦動(dòng)用，要求在短期內(nèi)較大規(guī)模地取用應(yīng)急水，不可避免地會(huì)在不同程度上影響地下水環(huán)境，因此應(yīng)該對(duì)應(yīng)急水的取用條件和取用量加以界定和限制。這樣一來備用水源的取水方式和允許開采量就只擺面我們面前的一道難題。

1研究區(qū)水文地質(zhì)條件

西藏措美縣位于西藏南部，屬于西藏山南地區(qū)。區(qū)內(nèi)特定的地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造綜合控制下，地下水的分布十分不均，賦存條件差。措美縣是一個(gè)水資源極其貧乏的地區(qū)，資源型缺水與工程型缺水并存，水資源短缺嚴(yán)重制約著措美的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。措美縣人口較少，規(guī)模800 m3/d的備用水源即能滿足縣城的中長(zhǎng)期規(guī)劃用水需求。據(jù)調(diào)查研究區(qū)局部有賦存條件相對(duì)較好的含泥質(zhì)砂礫卵石層，雖然分布范圍有限，但所賦存的地下水卻具有一定的供水價(jià)值。

當(dāng)許雄曲河谷措美電站段主要分布于當(dāng)許雄曲河谷區(qū)措美電站至縣委農(nóng)場(chǎng)段漫灘及一級(jí)階地，沿當(dāng)許雄曲河床兩側(cè)呈條帶狀展布，長(zhǎng)約3.5 km，寬350～950 m，地勢(shì)平坦、開闊，基本上不遭受洪水的危害，現(xiàn)為少量草場(chǎng)，污染輕，地質(zhì)環(huán)境條件好。含水層主要由全新統(tǒng)沖積砂卵石、含泥質(zhì)礫石等組成。據(jù)鉆孔資料，地下水埋深一般為1.0～1.8 m，單井統(tǒng)降涌水量為128.40～131.46 m3/d，平均統(tǒng)降涌水量為129.93 m3/d，影響半徑54～63 m，滲透系數(shù)1.994～5.638 m/d，屬單井涌水量100～1 000 m3/d的富水等級(jí)。地下水水質(zhì)總體較好。

據(jù)計(jì)算，該區(qū)內(nèi)天然狀態(tài)下地下水資源量為74.97×104m3/a，主要由大氣降水入滲補(bǔ)給為主。流經(jīng)該區(qū)的當(dāng)許雄曲流量為2.325～13.282 m3/s，與地下水聯(lián)系十分密切，當(dāng)采取傍河開采地下水時(shí)，地表水的滲漏補(bǔ)給將成為開采井的主要補(bǔ)給量，故該區(qū)內(nèi)可建設(shè)一個(gè)傍河型小型地下水備用水源地，作為措美縣城的應(yīng)急供水水源。

2水文地質(zhì)概念模型及邊界概化

計(jì)算區(qū)為當(dāng)許雄曲河谷措美電站段水源地，地下水資源具有開發(fā)利用前景的主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵石、含泥質(zhì)礫石含水層及侏羅系基巖風(fēng)化帶。

計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給方式為大氣降水入滲補(bǔ)給，進(jìn)行傍河開采時(shí)，地表水的滲漏補(bǔ)給將成為取水工程的主要補(bǔ)給源。進(jìn)入地下的水以所在支溝域?yàn)閱卧?，其徑流、排泄主要受地形條件控制，地下水順地勢(shì)從支溝分水嶺高處向溝谷低處徑流，就近排泄于溝谷，再以表流形式流入當(dāng)許雄曲。排泄方式主要為向地表水的排泄、人工開采以及地下水淺埋區(qū)的潛水蒸發(fā)蒸騰排泄。

計(jì)算區(qū)的北部和南部為基巖山區(qū)，可概化為隔水邊界；計(jì)算區(qū)的東部為側(cè)向補(bǔ)給邊界，西部為側(cè)向排泄邊界，邊界處地下水側(cè)向滲入強(qiáng)度受大氣降水強(qiáng)度及當(dāng)許雄曲上游地下水側(cè)向流入、流出強(qiáng)度的控制，均可概化為二類邊界；計(jì)算區(qū)內(nèi)的主要河流為當(dāng)許雄曲，在天然條件下，地下水在接受大氣降水入滲補(bǔ)給，及融雪補(bǔ)給后向當(dāng)許雄曲排泄，在未來開采條件下，將激發(fā)當(dāng)許雄曲河水滲漏補(bǔ)給地下水，可將當(dāng)許雄曲概化為第三類河流邊界。計(jì)算區(qū)的頂面為潛水面，在該面上發(fā)生著降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，可概化為潛水面邊界?；鶐r風(fēng)化帶以下基巖結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成區(qū)域隔水底板[1-2]。

3各取水方式模擬計(jì)算

結(jié)合研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，考慮采用大口井、廊道或輻射井三種形式開采地下水。

3.1大口井

大口井開采方案根據(jù)抽水試驗(yàn)資料設(shè)計(jì)了三種井間距和三種單井開采量，分別為井間距60 m(6眼)、井間距80 m(5眼)、井間距100 m(4眼)；單井開采量 100 m3/d，150 m3/d，200 m3/d。這樣分別兩兩組合成了九種開采方案

根據(jù)水均衡原理，采用平面二維穩(wěn)定流數(shù)值模型，對(duì)各方案作用下的地下水水位降深進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中利用調(diào)查期間所收集資料將當(dāng)許雄曲河流刻畫為第三類河流邊界,河流滲漏性能參數(shù)C采用調(diào)參結(jié)果取0.31。最后以降深場(chǎng)的形式繪出各點(diǎn)元最終降深值，并通過各方案的開采量與最大降深關(guān)系確定管井開采方式下的最佳開采方案。計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1　最大降深與總開采量關(guān)系圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在開采井?dāng)?shù)相同的條件下，隨著單井開采量的增大，井間干擾增大，各開采方案的最大降深也隨之增大。對(duì)比單井開采量相同的各開采方案，在一定范圍增加單井開采量能顯著提高總開采量，因?yàn)榇藭r(shí)的單井開采量相對(duì)于井間距來說影響不大，井間干擾較小，未產(chǎn)生明顯的降深疊加，而當(dāng)單井開采量增大到一定范圍時(shí)，由于此時(shí)的單井開采量過大，井間距相對(duì)較小，井間干擾增大降深疊加顯著。綜合對(duì)比九種開采方案，建議采用第井間距80 m(5眼)，單井開采量為200 m3/d的方案，總開采量1 000 m3/d。在該開采方式下，當(dāng)枯水期到來時(shí)，若要維持目前的水位降深，需要減少單井開采量，通過枯水期的非穩(wěn)定流數(shù)值模型計(jì)算，當(dāng)單井開采量減少至120 m3/d時(shí)滿足要求，此時(shí)的總開采量為600 m3/d，與平水期相比衰減了40%。

3.2廊道開采

廊道開采計(jì)算采用改進(jìn)的“滲流-管流”耦合模型，以“井管-含水層之間的交換量”為耦合點(diǎn)，與有限差分網(wǎng)格耦合，建立研究區(qū)廊道開采方式的地下水三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。原“滲流-管流”耦合模型[3-4]通過引入等效滲透系數(shù)的概念建立數(shù)學(xué)模型，與原“滲流-管流”耦合模型相比，改進(jìn)的“滲流-管流”耦合模型[5]更能有效的刻畫井管周邊的三維流，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

在沿當(dāng)許雄曲岸邊選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)計(jì)廊道開采方式。在當(dāng)許雄曲措美電站段底部布設(shè)一條長(zhǎng)200 m的廊道，廊道橫截面寬2 m，高2 m。廊道頂面埋深分別取2～6 m之間的整數(shù)，各埋深條件下對(duì)應(yīng)的降深分別為1～6 m之間的整數(shù)，這樣兩兩組合成20種不同埋深廊道在不同降深條件下的計(jì)算方案。采用前述改進(jìn)的“滲流—管流耦合模型”分別對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在降深相同的條件下，廊道的埋深對(duì)其出采量的影響不大。隨著廊道埋深的減小，出水量略有增大，隨著降深的增加，出水量有顯著的增加。綜合對(duì)比分析采用埋深5米，降深5 m的方案開采地下水，該方案平水期廊道出水量為1 328.12 m3/d，枯水期出水量891.32 m3/d，與平水期相比衰減了33%。

3.3輻射井開采

輻射井開采的計(jì)算同廊道開采的計(jì)算采，采用改進(jìn)的“滲流-管流”耦合模型，以“井管-含水層之間的交換量”為耦合點(diǎn)，與有限差分網(wǎng)格耦合，建立研究區(qū)輻射井開采方式的地下水三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型[6-7]進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)地水文地質(zhì)條件，在沿當(dāng)許雄曲岸邊選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)計(jì)輻射井開采方式?？紤]井和井之間的干擾影響，在研究區(qū)設(shè)計(jì)了2眼大口徑輻射井的方案開采地下水，2眼輻射井豎井之間間距為200 m。距當(dāng)許雄曲平水期水邊線50 m，每眼輻射井設(shè)置八根輻射管，其中兩根平行河流的輻射管長(zhǎng)50 m，垂直河流伸向漫灘方向的輻射管長(zhǎng)40 m，其余輻射管垂直河流呈扇形展布，輻射井豎井深度為20 m。

在輻射井取水量計(jì)算中，計(jì)算了當(dāng)許雄曲平水期、枯水期條件下2眼輻射井方案的取水量。各輻射井在單井作用和群井作用下的取水量計(jì)算結(jié)果見表1～表4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，無論是平水期還是枯水期，各輻射井在單井作用或群井作用下的出水量均隨著豎井降深的增大而增大，但增加幅度有所減少，因輻射井單井作用下無井間干擾，故此時(shí)的單井出水量為其最大出水量，在群井作用時(shí)，由于井間干擾，在豎井降深不大的情況下，各輻射井之間的降深疊加影響較小，而當(dāng)降深增大到一定程度時(shí)，因抽水形成的降落漏斗擴(kuò)大，影響半徑增大，井間干擾也隨之增大，綜合考慮采用豎井降深5 m，2眼輻射井平水期總出水量為1 665.61 m3/d，枯水期總出水量為1 139.20 m3/d，與平水期相比衰減了31%。

表1　平水期輻射井單井作用取水量計(jì)算結(jié)果一覽表

表2　平水期輻射井群井作用取水量計(jì)算結(jié)果一覽表

表3　枯水期輻射井單井作用取水量計(jì)算結(jié)果一覽表

表4　枯水期輻射井群井作用取水量計(jì)算結(jié)果一覽表

4開采方案比較

綜合前述推薦大口井、廊道、輻射井各開采方式作用下，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知大口井開采方式隨著抽水量的增加，其降深顯著增大，枯水期衰減40%；廊道開采方式中平水期以推薦方案開采地下水總可開采量為1 328.12 m3/d，枯水期的總開采量為891.32 m3/d，枯水期衰減33%，衰減較劇烈，不過取水效果略優(yōu)于大口井；輻射井開采方式平水期地下水總開采量為1 665.61 m3/d，枯水期總開采量為1 139.20 m3/d，枯水期衰減32.0%，衰減量也較大，但其取水效果優(yōu)于大口井和廊道。

對(duì)比這三種取水方式取水效果表明，廊道、輻射井等非管井集水建筑物在區(qū)內(nèi)取水效果比傳統(tǒng)管井方式要好，且輻射井的取水效果要略優(yōu)于廊道。從經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行管理方面考慮，大口井開采方式出水量較小，井?dāng)?shù)過多后不便于運(yùn)行管理，其優(yōu)點(diǎn)是開采成本及后期維護(hù)成本較低，在需水量滿足要求的條件下，可以采用大口井方式開采備用水源內(nèi)地下水；輻射井開采方式出水量較大，井?dāng)?shù)少，便于管理，但其開采成本及后期維護(hù)成本較高；而廊道開采方式便于管理，其開采成本及后期維護(hù)成本介于大口井與輻射井之間。城市地下水備用水源取水方式和取水量的選擇可在此計(jì)算結(jié)果上結(jié)合城市自身地下水環(huán)境承載力和經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行合理選取。

5結(jié)語

綜上所述，在城市地下水備用水源是水污染突發(fā)事件中城市生活用水的重要保障，在開發(fā)利用城市地下水備用水源的同時(shí)需避免影響城市地下水環(huán)境，通過科學(xué)的模擬計(jì)算，綜合考慮取水效果、地下水環(huán)境承載力，以及城市經(jīng)濟(jì)實(shí)力設(shè)計(jì)合適的取水方式和取水量是保證合理開發(fā)利用地下水資源，建好城市地下水備用水源的重要措施。

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[中圖分類號(hào)]P641.8

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0075-03

[作者簡(jiǎn)介]陳鵬(1986-)，男，江西信豐人，工程師，主要從事水文學(xué)及水資源研究。

[基金項(xiàng)目]中國地質(zhì)調(diào)查局“青藏高原重點(diǎn)地區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目(1212011221120)

[收稿日期]2016-03-03