古堆巖溶泉復(fù)流方案研究

陳素霞

（臨汾市水文水資源勘測(cè)分局）

1 研究古堆泉復(fù)流意義重大

研究泉域內(nèi)的水資源優(yōu)化配置，開(kāi)展古堆泉地下水復(fù)流工程，對(duì)提高水資源利用效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)和諧發(fā)展，保護(hù)古堆泉地下水生態(tài)意義重大。為早日實(shí)現(xiàn)古堆泉復(fù)流，本文在分析水源置換和人工回灌兩種復(fù)流措施的基礎(chǔ)上提出了一種綜合復(fù)流方案。

2 水源置換措施效果分析

2.1 基本方案

禹門口東擴(kuò)工程建成之后，水源置換的范圍是全部封閉泉域內(nèi)的巖溶水井，不足水量通過(guò)引黃水補(bǔ)足。根據(jù)2012年古堆泉巖溶水開(kāi)采計(jì)算，每年置換巖溶水量為3 663萬(wàn)m3。

2.2 降雨—開(kāi)采量—水位變幅回歸分析

采用多元回歸分析，建立地下水開(kāi)采量W、降雨量P和地下水位變幅Δh三者之間的相關(guān)關(guān)系線性回歸模型。

首先設(shè)方程為：

式中：Δh為地下水水位的變化，m；P為降水量，mm；W為地下水開(kāi)采量，m3；為待定系數(shù)。

應(yīng)用最小二乘法算出方程表達(dá)式中的系數(shù)，經(jīng)F檢驗(yàn)通過(guò)后，再用此方程式計(jì)算。當(dāng)W為零時(shí)，把多年的平均降水量代入，算出的Δh值為年水位回升的數(shù)值。因?yàn)榈叵滤哂幸载S補(bǔ)欠、多年調(diào)節(jié)的規(guī)律，豐水年地下水水位不可能大幅度上升，枯水年地下水水位也不可能大幅度下降，所以當(dāng)W=0時(shí)，將多年平均降水量代入回歸方程中算出的數(shù)值，可作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)地下水關(guān)井壓采之后的逐年水位回升值。

經(jīng)計(jì)算，得到的二元一次線性回歸方程的表達(dá)式為：

老聞忍著悲痛和淚水，只是勸慰，盡量不讓氣氛緊張：“嚴(yán)寬，不要緊的，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)發(fā)達(dá)，只要有意志和信心，病很快就會(huì)好?！眹?yán)寬搖搖頭，又輕輕點(diǎn)點(diǎn)頭。

統(tǒng)計(jì)分析可知，R值0.99，表明三者之間高度正相關(guān)?；貧w方程通過(guò)了α=0.05的檢驗(yàn)，回歸效果顯著，可用于未來(lái)地下水位變化預(yù)測(cè)。

2.3 效果分析

通過(guò)禹門口東擴(kuò)工程進(jìn)行水量置換之后，泉域范圍不再開(kāi)采巖溶地下水，即未來(lái)水平年的巖溶水開(kāi)采量W=0。將多年平均降水量521.7 mm代入公式（2）可知，在不開(kāi)采巖溶地下水的基礎(chǔ)上，未來(lái)規(guī)劃水平年內(nèi)地下水位埋深逐年平均回升量Δh=2.68 m。

根據(jù)古堆泉2013年泉口埋深48.97 m計(jì)算可知，在實(shí)現(xiàn)古堆泉完全不開(kāi)采巖溶地下水的基礎(chǔ)上，需要近19 a才可能實(shí)現(xiàn)復(fù)流。

3 人工回灌措施效果分析

3.1 基本方案

根據(jù)《古堆泉水補(bǔ)給區(qū)范圍與人工增加途徑調(diào)查研究報(bào)告》，選擇新絳縣煤化工業(yè)園區(qū)水源地的9眼井作為回灌井，回灌水源為禹門口東擴(kuò)工程的引黃水，每眼回灌100 m3/h，每天回灌量為21 600 m3，回灌時(shí)間為3-10月，共計(jì)8個(gè)月。

3.2 回灌效果分析

3.2.1 回灌區(qū)水文地質(zhì)條件概化

回灌井和古堆泉均位于九原山隆起區(qū)，隆起四周被斷層包圍，可概化為長(zhǎng)6.7 km、寬6.3 km的長(zhǎng)方形區(qū)域；區(qū)內(nèi)含水層介質(zhì)概化為均質(zhì)、各向同性結(jié)構(gòu)；區(qū)外含水層介質(zhì)概化為無(wú)限、均質(zhì)、各向同性結(jié)構(gòu)。隆起區(qū)的西邊界為隔水邊界，其他三個(gè)邊界均為弱透水邊界。

3.2.2 含水層水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

（1）導(dǎo)水系數(shù)。利用九原山地?zé)崽锊糠种械男陆{1號(hào)井做單井抽水試驗(yàn)，抽水1 h后即穩(wěn)定。采用承壓水完整井的穩(wěn)定井流公式，查單位涌水量與影響半徑的關(guān)系表，確定R為500 m，計(jì)算得到九原山隆起區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)（T1）為2 950.52 m2/d，區(qū)外導(dǎo)水系數(shù)（T2）采用461.16 m2/d。

（2）貯水系數(shù)。本區(qū)承壓水含水層的貯水系數(shù)（η*）采用《宏陽(yáng)鋼鐵公司范村水源地巖溶水供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告》中的抽水試驗(yàn)成果，4口井抽水試驗(yàn)貯水系數(shù)的平均值為η*=7.9×10-3。

3.2.3 泉口水位抬升值計(jì)算

由于存在回灌區(qū)弱透水邊界，通過(guò)對(duì)邊界的側(cè)向流出量迭代計(jì)算，當(dāng)誤差小于0.1時(shí)即可確定邊界的側(cè)向流出量，進(jìn)而確定實(shí)際回灌到九原山隆起區(qū)的水量，然后再通過(guò)承壓水完整井的非穩(wěn)定井流公式，計(jì)算不同回灌時(shí)間古堆泉口的水位抬升值。具體計(jì)算步驟如下：

（1）不考慮邊界條件時(shí)，采用均衡法計(jì)算人工回灌量全部注入九原山隆起區(qū)，引起的水位抬升值ΔH。計(jì)算公式為：

式中：Q為回灌井的總注水量，m3/d；t為回灌時(shí)間，d；A為概化九原山隆起區(qū)的面積，km2；η*為貯水系數(shù)。

（2）考慮邊界流出量Q邊界時(shí)，設(shè)九原山隆起區(qū)的邊界條件為西部邊界是隔水邊界，其他邊界是弱透水邊界。計(jì)算公式如下：

式中：Q邊界是邊界的總流出量，m3/d；qi是第i條邊界的側(cè)向流量，m3/d。根據(jù)第一步計(jì)算得到的ΔH，然后計(jì)算每條邊界的qi值。公式如下：

式中：qi為第i條邊界的側(cè)向流量，m3/d；I為水力坡度；T2為九原山隆起區(qū)外的導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Li是第i條邊的長(zhǎng)度，m；R為將九原山隆起區(qū)概化為“大井”注水時(shí)穩(wěn)定流的影響半徑，m；r為將九原山隆起區(qū)概化為“大井”時(shí)的井半徑，m。

（3）實(shí)際注入九原山隆起區(qū)Q九原山的計(jì)算。將回灌量Q減去Q邊界得到Q’，替換式（5）中的Q，迭代計(jì)算至邊界誤差小于0.1，得到的Q’便是實(shí)際注入九原山隆起區(qū)的水量Q九原山。

（4）計(jì)算泉口水位抬升值S。每個(gè)實(shí)井和虛井在泉口處引起的抬升值Si采用承壓水向完整井的非穩(wěn)定流公式計(jì)算：

式中：Si為第i眼井在泉口處引起的水位抬升值，m；Q九原山為九原山實(shí)際注水量，m3；Ti為九原山隆起區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；ri為第i眼井與泉口之間的距離，m；η*為注水系數(shù)；t為回灌時(shí)間，d；i=9為注水井。

（5）計(jì)算不同回灌時(shí)間內(nèi)古堆泉泉口水位的回升值。根據(jù)上述方法，計(jì)算得到8個(gè)月內(nèi)古堆泉口的水位逐步回升值（見(jiàn)表1）。

表1 古堆泉人工回灌效果分析表

通過(guò)計(jì)算，在只考慮人工回灌影響的情況下，每年回灌8個(gè)月后，古堆泉口的水位就會(huì)抬升4.23 m，實(shí)現(xiàn)古堆泉復(fù)流需要12 a。

4 古堆泉復(fù)流綜合方案

4.1 綜合方案確定

根據(jù)水源轉(zhuǎn)換方案，禹門口東擴(kuò)工程建成之后，每年置換巖溶水量3 663萬(wàn)m3。未來(lái)規(guī)劃水平年，在不開(kāi)采巖溶地下水的基礎(chǔ)上，古堆泉域范圍內(nèi)地下水位埋深逐年平均回升2.68 m，需近19 a才可完成實(shí)現(xiàn)復(fù)流。根據(jù)人工回灌方案，以禹門口東擴(kuò)工程的引黃水為回灌水源，每年回灌8個(gè)月后，古堆泉口的水位抬升4.23 m，實(shí)現(xiàn)古堆泉復(fù)流需要12 a。為了盡早實(shí)現(xiàn)古堆泉復(fù)流，可以在水源置換的基礎(chǔ)上，開(kāi)展人工回灌措施，采用每年6個(gè)月回灌、現(xiàn)有巖溶水井全部關(guān)閉的方案。綜合分析可知，在人工回灌和關(guān)井壓采條件下，預(yù)測(cè)未來(lái)平均每年地下水位回升可達(dá)到6.07 m。以2013年泉口埋深計(jì)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)流僅需9 a時(shí)間。

4.2 復(fù)流措施

4.2.1 關(guān)井壓采

根據(jù)2011年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，泉域內(nèi)運(yùn)城市共有巖溶水井34眼，臨汾市共有開(kāi)采井322眼。在禹門口東擴(kuò)工程完全通水的情況下，實(shí)現(xiàn)全部井的關(guān)閉。

4.2.2 人工回灌

選擇新絳縣煤化工業(yè)園區(qū)水源地的9眼井作為回灌井，回灌水源為禹門口東擴(kuò)工程的引黃水，每眼回灌100 m3/h，每天回灌量為21 600 m3，回灌時(shí)間為5-10月，共計(jì)6個(gè)月。

4.3 保障措施

一是明確替代水源工程的供水優(yōu)惠政策，保障工農(nóng)業(yè)和城鄉(xiāng)生活的供水安全；二是堅(jiān)持替代水源先行、內(nèi)部改造跟進(jìn)、最后實(shí)施封井的原則，制定古堆泉域“關(guān)井壓采”政策；三是布設(shè)古堆泉域地下水監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，采用專門的水文監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，建議對(duì)泉域范圍內(nèi)的地下水開(kāi)發(fā)利用狀況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，復(fù)核古堆泉斷流狀況及原因。