傍河地下水源地水文地質(zhì)特征及水資源量評(píng)價(jià)

于文龍，樊康康

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)城鄉(xiāng)居民生活用水現(xiàn)狀主要依靠地下水作為水源，通過中衛(wèi)市第一水廠和中衛(wèi)市第二水廠處理后向城區(qū)供水。由于現(xiàn)狀水源地存在一定程度的污染，無(wú)法切實(shí)保護(hù)水源。為此，提出在黃河岸邊建輻射井取水替換現(xiàn)有水源，建設(shè)城市及農(nóng)村供水一體化工程的構(gòu)想。

擬建中衛(wèi)市城市供水工程水源工程勘察區(qū)，位于中衛(wèi)市機(jī)場(chǎng)大道以西、迎水橋以東、中央大道以南、黃河以北地區(qū)，緊鄰中衛(wèi)市區(qū)，其東西方向長(zhǎng)約8.4km，南北方向?qū)捈s0.5～2.6km，面積約11.8km2。

1 勘察區(qū)水文地質(zhì)特征

1.1 含水層巖性及富水性

1.1.1 含水層巖性

勘察區(qū)范圍內(nèi)主要發(fā)育有第四系地層和泥盆系地層。

（1）第四系全新統(tǒng)沖積物。表層有壤土或砂壤土層分布，發(fā)育厚度3～5m，分布較穩(wěn)定。主要發(fā)育沖積卵礫石，發(fā)育厚度普遍大于50m。巖性由砂巖、片麻巖和花崗巖類等組成，磨圓較好，分選性差，多呈片狀或扁平狀，粒徑1～15cm，最大可達(dá)30cm，卵礫石含量70%以上；砂為灰黃色細(xì)砂。粒徑自上到下逐漸變細(xì)，從砂卵礫石過渡為砂礫石。其中砂卵礫石層發(fā)育厚度9.0～25.8m，砂礫石層發(fā)育厚度28～41m，所有鉆孔均未揭露該層。局部夾有粉土及粉細(xì)砂透鏡體，其中位于上游的鉆孔揭露到多層透鏡體，總厚度達(dá)15.90m。

（2）泥盆系。紫紅色泥巖、礫巖、砂巖等。

1.1.2 地下水補(bǔ)、徑、排條件

勘察區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散層孔隙潛水和下部基巖裂隙水。第四系松散層是本區(qū)的主要含水層，受降水和農(nóng)田灌溉補(bǔ)給，補(bǔ)給來(lái)源季節(jié)影響較大。

從水文地質(zhì)勘探孔揭露情況可知，本區(qū)內(nèi)含水層主要分為上下兩部分。上部含水層主要為砂卵礫石層，孔隙大，徑流條件較好；下部含水層主要為砂礫石層，細(xì)顆粒含量較高，其中還夾有不規(guī)則的透鏡體狀粉土層及粉細(xì)砂層，徑流條件不均一，相對(duì)較差。

地下水多以潛流的形式排入黃河及相鄰渠道。在地下水埋深較小地段，蒸發(fā)也是其排泄途徑之一。

勘察區(qū)范圍內(nèi)含水層分布于黃河漫灘及Ⅰ級(jí)階地中，鉆孔揭露地下水位埋深為1.45～2.5m，水位升降受季節(jié)影響較大，水位變幅0.5～3m。含水層厚度一般大于50m，厚度自北向南有減小的趨勢(shì)，勘察區(qū)是地下水的良好滲流通道和儲(chǔ)水場(chǎng)所。

1.1.3 含水層富水性

本水源地位于黃河沖積平原的淺層孔隙潛水富水區(qū)域，具有水質(zhì)好、水量豐、埋深淺、含水層分布穩(wěn)定等特點(diǎn)。上部潛水含水巖組為河床相砂卵石層，水位埋深1.45～2.5m，開采目標(biāo)層厚度40～50m。

本次勘察進(jìn)行了穩(wěn)定流多孔抽水試驗(yàn)［1］，平行河岸測(cè)線方向，根據(jù)觀測(cè)孔各次降深資料計(jì)算得到的滲透系數(shù)K值相差不大，范圍值為4.55～8.37m/d，平均值為6.4m/d。垂直河岸測(cè)線方向，滲透系數(shù)K值范圍值為2.78～11.33m/d，平均值為5.84m/d。結(jié)合區(qū)域資料、經(jīng)驗(yàn)類比和本次試驗(yàn)成果綜合考慮，推薦本水源地K值按6～10m/d選取。通過勘探孔剖面分析得知，上游方向含水層逐漸變薄且不規(guī)則透鏡體逐漸增多，會(huì)使地層滲透系數(shù)降低，富水性變差。

1.2 勘察區(qū)水質(zhì)

1.2.1 地下水水質(zhì)

按照GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》分別采用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)法和綜合評(píng)價(jià)法對(duì)8組民井水樣進(jìn)行了水質(zhì)簡(jiǎn)分析試驗(yàn)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

通過綜合分析民井水樣的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)水源地淺層地下水質(zhì)量空間分布規(guī)律形成以下初步認(rèn)識(shí)：勘察區(qū)內(nèi)北側(cè)淺層地下水質(zhì)量最差，總硬度、硫酸鹽等指標(biāo)均有不同程度超標(biāo)。水源地鉆孔地下水水質(zhì)為Ⅴ類水質(zhì)，計(jì)算所得F=7.32，按Ⅲ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中鐵超標(biāo)1.94倍，錳超標(biāo)6.62倍。

1.2.2 黃河供水水質(zhì)

按照GB/T 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)抽水試驗(yàn)后黃河供水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)指標(biāo)中總磷、總氮、糞大腸桿菌及硫酸鹽含量超標(biāo)，其余指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。按Ⅲ類水質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其中總磷超標(biāo)1.7倍，總氮超標(biāo)2.21倍，糞大腸桿菌超標(biāo)3.7倍，硫酸鹽超標(biāo)0.078倍。

1.3 地下水動(dòng)態(tài)

據(jù)調(diào)查，該地區(qū)自當(dāng)年的10月份至來(lái)年的4月份為枯水期，為地下水下降期，一般下降幅度為2.0～3.0m，5～10月份因灌溉用水和雨季降水（年降水量多集中于7～9月份），水位有所上升。

2 勘察區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)

2.1 水文地質(zhì)概念模型

基于區(qū)域背景水文地質(zhì)條件和勘察研究成果的認(rèn)識(shí)，從地下水開采和水資源計(jì)算評(píng)價(jià)的需要出發(fā)，將本水源地補(bǔ)給及開采條件下的水文地質(zhì)模型概化。

（1）水源地資源量計(jì)算及開采限制范圍。河漫灘及一級(jí)階地范圍，東西方向長(zhǎng)約8km，南北方向?qū)捈s0.8～2.0km，面積約11.8km2。目標(biāo)含水層平均厚度按40m考慮。

（2）水文地質(zhì)單元補(bǔ)、徑、排關(guān)系。本水源地處于既受包括黃河在內(nèi)的側(cè)向補(bǔ)給，同時(shí)地下水又排泄補(bǔ)給黃河的動(dòng)態(tài)過程中。天然狀態(tài)下，地下水主要接受大氣降水和農(nóng)田灌溉補(bǔ)給。地下水蒸發(fā)、開采及地下水向地表水泄流是地下水主要排泄方式，其中，主要排泄途經(jīng)是以地下徑流的形式向黃河水平排泄，其次是通過排水溝向黃河排泄，部分地下水消耗于蒸發(fā)等途徑。

（3）黃河側(cè)向補(bǔ)給水源地邊界及補(bǔ)給量約束條件。天然狀態(tài)下，補(bǔ)給量主要受過水?dāng)嗝娴拇笮　⑦^水?dāng)嗝娴臐B透系數(shù)、黃河潛流的水力坡降等因素影響。開采狀態(tài)下，通過大降深疏干含水層靜態(tài)儲(chǔ)水空間，形成大的水頭差和水力坡降，可以加快徑流速率，加大地下水交換能力，最終改善地下水循環(huán)條件和補(bǔ)給條件，增大并穩(wěn)定地下水長(zhǎng)期開采量及其保證率。

（4）傍河取水［2］條件開采量及其約束條件。傍河取水條件下，潛在補(bǔ)給源及補(bǔ)給量是黃河河川基流側(cè)向潛流補(bǔ)給，水源地地下水可開采量受其補(bǔ)給能力的控制。

2.2 水源地地下水資源量計(jì)算與評(píng)價(jià)［4］

2.2.1 天然儲(chǔ)量計(jì)算

（1）天然儲(chǔ)存量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探成果統(tǒng)計(jì)顯示，工作區(qū)內(nèi)含水層厚度由下游至上游逐漸變小，同時(shí)其成層性和規(guī)律性變差，不規(guī)則的透鏡體或夾層也逐漸增多，現(xiàn)將工作區(qū)內(nèi)潛水含水層平均厚度按40m考慮，地下水天然儲(chǔ)量94.4×106m3。

（2）調(diào)節(jié)儲(chǔ)量。據(jù)有關(guān)資料，該水源地所在的衛(wèi)寧平原枯水期和豐水期水位變幅為2.0～3.0m，豐水期地下水位上升主要受農(nóng)田灌溉補(bǔ)給影響，勘察區(qū)內(nèi)調(diào)節(jié)儲(chǔ)量5.9×106m3。

2.2.2 開采條件下補(bǔ)給量計(jì)算

本水源地鄰近黃河，自然條件下地下水補(bǔ)給量有限，通過合理強(qiáng)度的開采，可有效激發(fā)黃河側(cè)向補(bǔ)給量，增加水源地地下水可開采量。本階段初步設(shè)計(jì)2個(gè)開采，降深分別為10，15m。計(jì)算時(shí)，根據(jù)取水構(gòu)筑物鄰河側(cè)邊界至黃河邊的距離分段計(jì)算，實(shí)際距離小于500m時(shí)，按500m考慮。滲透系數(shù)K值選取綜合建議值6，10m/d，分別組合估算，開采條件下黃河側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算值在0.13×108～0.30×108m3/a。

2.2.3 地下水可開采量計(jì)算

通過建立水源地水文地質(zhì)概念模型，對(duì)邊界條件和水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行確定，對(duì)黃河側(cè)向補(bǔ)給水源地能力進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，對(duì)水源地靜態(tài)儲(chǔ)水量進(jìn)行估算，并采用“平均布井法”對(duì)可能的開采量進(jìn)行估算，以及環(huán)境約束條件下估算大降深疏干上部含水層所能提供的地下水可開采量，采用“開采強(qiáng)度法”估算可開采量與補(bǔ)給保證程度等，綜合分析，對(duì)水源地地下水開采條件及可開采量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）“水量均衡法”地下水可開采量計(jì)算與評(píng)估。本水源地側(cè)向流入量與流出量之差即為黃河側(cè)向補(bǔ)給量，垂直入滲量包括降水補(bǔ)給量及灌溉入滲補(bǔ)給量。自然條件下本水源地地下水有效排泄量主要包括蒸發(fā)量、排水渠排泄量。水源地目前地下水埋深2～4m，長(zhǎng)期10m降深高強(qiáng)度開采下，預(yù)計(jì)水源地地下水位會(huì)出現(xiàn)不小于1m以上降深，則蒸發(fā)量、排水渠排泄量將被開采襲奪。開采降深S分別取10，15m，滲透系數(shù)K值選取6，10m/d，分別組合計(jì)算，開采條件下補(bǔ)給量計(jì)算值在2061×104～3763×104m3/a之間。

（2）單井出水量計(jì)算與評(píng)估。分別估算水源地開采條件下大口井、輻射井單井涌水量［3］。利用大口井公式估算單井涌水量，按含水層厚度分區(qū)考慮，滲透系數(shù)分別取6，10m/d組合估算多種降深條件下的單井涌水量。引用補(bǔ)給半徑考慮“傍河取水”條件及取水構(gòu)筑物鄰河側(cè)邊界限制條件，分別選取200，500m。輻射井單井涌水量估算采用“等效大口井法”，有效輻射管數(shù)量按12根考慮。計(jì)算結(jié)果，大口井單井涌水量在1368～3078m3/d；利用“等效大口井法”計(jì)算的輻射井單井涌水量在3527～8160m3/d。

（3）“平均布井法”開采量計(jì)算與評(píng)估。采用“平均布井法”計(jì)算時(shí)，影響半徑按照抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)的500m考慮。設(shè)定降深（10，15m）、滲透系數(shù)（6，10m/d）不同組合情況分區(qū)計(jì)算。輻射井開采量計(jì)算值2496×104～3446×104m3/a。

從水均衡的角度，天然狀態(tài)下的可開采量是有限的，水源地天然補(bǔ)給及可開采資源僅在405萬(wàn)m3/a左右。從“傍河取水”方式及“襲奪”黃河過境河川基流（潛流）量的思路出發(fā)，將本水源地地下水可開采量指標(biāo)定為6萬(wàn)～9萬(wàn)m3/d（約2500萬(wàn)～3000萬(wàn)m3/a），滿足替換現(xiàn)有水源地的條件。

3 地下水開采方式初步建議

考慮以輻射井［5］為主要取水型式，取水工程沿黃河河岸或大堤方向帶狀布置，充分激發(fā)黃河側(cè)向補(bǔ)給，以滿足計(jì)算條件下預(yù)期的可開采量。根據(jù)多孔穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)的影響半徑，建議井距按不小于500m布置。

建議本水源地輻射井技術(shù)參數(shù)指標(biāo)為：集水井井徑3.0m，井深30～35m，井距500m左右；水平輻射管布設(shè)3層，每層布設(shè)8根，呈“米”字型，單根水平輻射管長(zhǎng)20～30m。