云南安寧市石江水源地地下涌水量預(yù)測(cè)方法對(duì)比

龍立新

(云南省有色地質(zhì)局三一二隊(duì)，云南 昆明 650300)

云南安寧石江水源地位于安寧市南西向6公里處縣街街道辦事處石江村旁。該區(qū)有一個(gè)相對(duì)完整的水文單元，屬于溶蝕-潛流并迭谷盆。

圖1 云南安寧石江水源地地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig 1.Geological Sketch Map of Shijiang Water Resource in Anning，Yunnan

該區(qū)棲霞組加茅口組白云質(zhì)灰?guī)r埋深較大，地下水類(lèi)型屬承壓水，受大氣降水影響較小。水源地未來(lái)開(kāi)采的地下水主要主要是棲霞茅口組白云質(zhì)灰?guī)r含水層深部的巖溶水(圖2)。棲霞茅口組白云質(zhì)灰?guī)r充水因素有：流經(jīng)水源地的鳴矣河通過(guò)上覆第四系砂礫石層及西南面的張性斷裂導(dǎo)水直接補(bǔ)給，周?chē)严端娜鹾畬娱g接導(dǎo)水補(bǔ)給。該水源地目前有4口機(jī)井開(kāi)采上部地下水，水量遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，但隨著深部水資源勘查開(kāi)發(fā)，需要評(píng)價(jià)深部含水層涌水量，為機(jī)井設(shè)計(jì)和開(kāi)采施工提供可靠的水文地質(zhì)參數(shù)，指導(dǎo)水源地安全高效生產(chǎn)。地下水資源量與許多因素有關(guān)，如地下水水位、降雨量、開(kāi)采區(qū)徑流面積、潛水蒸發(fā)量等。若將這些因素作為自變量，則它們與地下水資源量之間存在統(tǒng)計(jì)相關(guān)關(guān)系，如果變量只有一個(gè)，稱(chēng)為一元相關(guān)或簡(jiǎn)相關(guān)；若有兩個(gè)以上的自變量，則稱(chēng)多元相關(guān)或復(fù)相關(guān)。在多元相關(guān)中只研究其中一個(gè)變量對(duì)因變量的影響，而將其它自變量視為常變量的稱(chēng)為偏相關(guān)。自變量為一次式稱(chēng)線性相關(guān)，是高次式稱(chēng)非線性相關(guān)。本文通過(guò)采用的“大井法”、“比擬法”和多年平均徑流模量法計(jì)算資源量進(jìn)行對(duì)比研究，為該水源地涌水量預(yù)測(cè)工作提供可靠依據(jù)。

圖2 石江低緩溶蝕谷坡亞型(河流谷底地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面簡(jiǎn)圖)Fig 2.Shijiang Low-Gentle Karst Valley Slope Sup-Type

2 水源地機(jī)井涌水量預(yù)測(cè)

2.1 預(yù)測(cè)范圍及邊界條件

在沒(méi)有具體開(kāi)采地下水方案的情況下，將該水源地正在抽取地下水的4口機(jī)井(機(jī)井井深約135m～150m)涌水量作最低估算水平，新設(shè)計(jì)的取水機(jī)井5口，井間距離約為300m，井深300m(井徑φ277mm為主要取水段)作為本次取水機(jī)井涌水量預(yù)測(cè)井深。水文單元東面以峨眉山玄武巖組(P2β)地層分界線為隔水邊界，北西面以一平浪組(T3y)頁(yè)巖為隔水邊界，南西面以F1張性斷層為無(wú)限補(bǔ)給邊界。預(yù)測(cè)范圍為近似長(zhǎng)方形，面積約13.6km2。

2.2 方法選擇及公式確定

根據(jù)含水層含水類(lèi)型水及地下水力特征、機(jī)井布置形狀及區(qū)域水文地質(zhì)條件，采用兩種方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，再用多年平均徑流模量法計(jì)算資源量，相互比對(duì)驗(yàn)證，提出合適的地下水開(kāi)采量。

(1)大井法(水動(dòng)力學(xué)法)：將水源地未來(lái)開(kāi)采分布范圍假設(shè)為一個(gè)理想大井，抽水過(guò)程中，機(jī)井涌水量包括其周?chē)乃唤档统尸F(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即認(rèn)為以機(jī)井群為中心形成的地下水輻射流場(chǎng)，擴(kuò)展到補(bǔ)給邊界，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。地下水水位不隨時(shí)間而變化，形成動(dòng)平衡狀態(tài)。未來(lái)機(jī)井群開(kāi)采地下水時(shí)，含水層地下水流場(chǎng)將發(fā)生改變，由承壓水轉(zhuǎn)為無(wú)壓，因此采用“大井法”承壓水轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井裘布依公式預(yù)測(cè)群井涌水量，公式：

式中：Q一般、Q最大—群井涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

K—含水層滲透系數(shù)( m/d)；H—水柱高度(m)；

M—含水層厚度(m)；h—?jiǎng)铀恢辆装逅叨?m)；R0—“大井”影響半徑(m)；—涌水量變化系數(shù)。

式中：Q一般、Q最大—新機(jī)井群預(yù)測(cè)總涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F—新機(jī)井設(shè)計(jì)開(kāi)采影響面積(m2)；S—新機(jī)井設(shè)計(jì)水位降(m)；

Q0一般、Q0最大—水源地群井總涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F0—水源地現(xiàn)狀開(kāi)采影響面積(m2)；S0—水源地目前開(kāi)采井水位降深(m)。

2.3 參數(shù)選取

(1)大井法涌水量參數(shù)選取

求得各含水層的K值，河積相砂卵礫石層及二疊系下統(tǒng)棲霞組加茅口組虎斑狀白云質(zhì)灰?guī)r的滲透系數(shù)分別取其平均值8.92m/d和4.21m/d；

h—?jiǎng)铀恢恋装逅叨龋?/p>

r0—“大井”半徑(m)，據(jù)水源地機(jī)井設(shè)計(jì)間距離確定。預(yù)測(cè)范圍大致為正方形，其長(zhǎng)a=300m，寬采用平均值b=300m，采用公式r0=∩(a+b)/4，其中b/a=1.0?！芍挡楸淼?.0，計(jì)算r0=150m；

λ—涌水量變化系數(shù)，采用水源地開(kāi)采機(jī)井流量長(zhǎng)觀資料，得λ=1.36

表1 石江水源地機(jī)井抽水試驗(yàn)成果表Tab 1.Machinery Well Abstraction Experiment Result

(2)比擬法涌水量參數(shù)選取

Q0一般—采用水源地旱雨季抽水機(jī)井水量長(zhǎng)觀資料平均值9189.5m3/d；

Q0最大—采用水源地雨季抽水機(jī)井水量長(zhǎng)觀資料最大值12497.7m3/d；

F0—水源地現(xiàn)狀開(kāi)采影響面積為6.85×105m2；

S0—水源地目前實(shí)測(cè)開(kāi)采井水位降深(m)，即S0=6.2m；

F—新機(jī)井設(shè)計(jì)開(kāi)采影響最大面積，開(kāi)采面積2.14×106m2；

S—新機(jī)井群設(shè)計(jì)水位降深，S=18.5m；

(3)涌水量預(yù)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，水源地井群井深300m的“大井法”預(yù)測(cè)一般涌水量為36716.3m3/d，最大涌水量為49934.2m3/d，“比擬法”預(yù)測(cè)一般涌水量為30406.5m3/d，最大涌水量為41352.8m3/d，多年平均徑流模量法計(jì)算資源量為30483.6m3/d。見(jiàn)下表2、表3、表4。

表2 大井法預(yù)測(cè)涌水量結(jié)果Tab 2.Prognosis Welling of Big Well Method

表3 比擬法預(yù)測(cè)涌水量結(jié)果Tab 3.Prognosis Welling of Simulation Method

(4)采用多年平均徑流模量法計(jì)算資源量的結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 多年平均徑流模量法計(jì)算水資源結(jié)果Tab 4.Water Resource Calculation of Years Average Runoff Modal Method

3 討論與結(jié)論

通過(guò)計(jì)算對(duì)比論證、資料查實(shí)，該水源地在設(shè)計(jì)5口大口徑、井深300m的采水機(jī)井，大井法預(yù)測(cè)的一般涌水量為36716.3 m3/d，最大涌水量為49934.2 m3/d；比擬法預(yù)測(cè)一般涌水量為30406.5 m3/d，最大涌水量為41352.8 m3/d；多年平均徑流模量法計(jì)算資源量為30483.6 m3/d。

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，大井法與比擬法預(yù)測(cè)，相對(duì)誤差為20.8%，其主要原因?yàn)?/p>

(1)大井法為理想化模型，將含水層理論化為均質(zhì)體，而本區(qū)張性斷裂發(fā)育，導(dǎo)水性較強(qiáng)，裂隙含水層不可能完全均質(zhì)、各向同性，從而導(dǎo)致抽水試驗(yàn)求得的滲透系數(shù)偏大，計(jì)算時(shí)只能視為均質(zhì)層，而可能使大井法預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。

(2)大井法計(jì)算公式基于穩(wěn)定流理論推導(dǎo)而來(lái)，要求地下水有比較充分的補(bǔ)給條件，影響半徑邊界上的水頭高度永遠(yuǎn)穩(wěn)定在計(jì)算采用的高度上，將補(bǔ)給量預(yù)測(cè)保持在一個(gè)恒定的狀態(tài)。但在開(kāi)采的過(guò)程，由于疏干，水頭高度會(huì)逐漸降低，地下水補(bǔ)給量減少，也可能會(huì)造成預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。

(3)大井法假設(shè)地下水為穩(wěn)定流，將空間流簡(jiǎn)化為平面流，且處于穩(wěn)定流狀態(tài)?？墒穷A(yù)測(cè)機(jī)井涌水量時(shí)，計(jì)算水位降深少則數(shù)米至十幾米，大則近百米，“大井”井壁水流早已不是緩變流，同時(shí)由于不同富水性的多層含水層的復(fù)雜性，在大流量降深條件下，很難處于穩(wěn)定流狀態(tài)，因而也可能導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。

(4)比擬法的預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，兩者所處水文地質(zhì)單元、構(gòu)造環(huán)境及水文地質(zhì)條件相同，取水機(jī)井充水水源通道基本相同，而且該法可比較直觀的查明充水因素、水源及通道等，充分綜合了各種因素，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。

兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差20.8%，但絕對(duì)誤差僅6309.8m3/d，對(duì)于整個(gè)水文地質(zhì)單元深部開(kāi)采而言亦不是很大，預(yù)測(cè)結(jié)果仍可稱(chēng)得上基本一致。

比較幾種計(jì)算方法及目前水源地開(kāi)采現(xiàn)狀，目前在水源地新設(shè)計(jì)的5口機(jī)井總的開(kāi)采量設(shè)計(jì)為20000～25000m3/d是比較合適的。