基于開采性抽水試驗的劉征水源地地下水資源分析

王 芳，鄭俊峰

（淄博市水資源管理辦公室，山東 淄博 255000）

1.引言

淄博市劉征水源地位于大武水源地內(nèi)東南部，淄博盆地東北部，屬于大武水文地質(zhì)單元的一部分。大武水源地地處大武水文地質(zhì)單元地下水匯集區(qū)，地下水開采歷史悠久。淄河是大武水源地重要的補給來源，也是劉征水源地重要補給來源。地質(zhì)構(gòu)造屬于魯中隆起之魯山—鄒平斷隆帶，淄博向斜斷塊的東翼北端，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造不甚發(fā)育，斷裂具多期活動性質(zhì)，以正斷層和平推斷層為主，對地層分布和地下水運動起到控制作用[1]。本文重點調(diào)查研究范圍為劉征水源地及周邊區(qū)域。

2.開采性抽水試驗概況

2.1 抽水試驗方案

根據(jù)劉征水源地及其周邊地質(zhì)條件[2]，開采性抽水試驗共布置抽水井25 眼，其中正常開采17 眼，強排4 眼，備用4 眼，分居分布劃分為金山井群、西張井群、LK09 號井、北劉井群。正常開采井17 眼，平均出水量為9.80 萬m3/d，強排井1.40 萬m3/d。布置觀測井44 眼，其中自動觀測20 眼，人工觀測24 眼（圖1-1）。抽水試驗觀測井的布置，以抽水井為中心，按從密到疏，兼顧上游、下游、兩側(cè)的原則，向四周展開。

本次開采性抽水試驗在枯水期末進行，歷時52 天。7 月2日至7 月15 日為開采前階段，進行區(qū)域水位日變幅觀測，歷時14 天；7 月16 日至8 月15 日為，進行水位降深觀測，歷時31 天；8 月15 日至8 月22 日為水位恢復(fù)觀測階段，歷時7 天。

2.2 抽水主井及觀測井水位動態(tài)特征

正式開采抽水前，5 眼井正常供水，抽水主井水位均表現(xiàn)為持續(xù)下降狀態(tài)，日降幅介于6.00～50.00mm/d 之間，平均日降幅為21.23mm/d。區(qū)內(nèi)巖溶水水位持續(xù)下降的原因為枯水期內(nèi)，區(qū)內(nèi)持續(xù)開采巖溶水，但整體上開采量仍大于補給量，巖溶含水層處于消耗狀態(tài)，在巖溶水未獲得有效補給之前，區(qū)內(nèi)巖溶水水位整體表現(xiàn)為持續(xù)下降狀態(tài)。

開采階段抽水初始1 天，主井水位大幅下降，抽水主井及周邊快速形成小范圍水位降落漏斗，隨著抽水時間的延續(xù)，降落漏斗范圍逐漸擴大，抽水主井水位降幅趨緩。自7 月17 日開始，抽水主井進入緩慢下降階段。7 月23 日后，隨著大氣降水補給巖溶地下水，劉征水源地內(nèi)地下水位開始緩慢回升，抽水試驗后期，劉征水源地已進入主汛期，降水量較大，補給作用明顯，區(qū)域巖溶水位上升加快，地下水水位已經(jīng)遠高于抽水前，本次抽水試驗延續(xù)至下一個補給期。至恢復(fù)試驗時，在停泵和強降雨的雙重作用下，地下水水位迅速升高，補給迅速。7 月27 日大部分已經(jīng)回升至抽水之前的水位標高。

根據(jù)整個大武地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件及抽水試驗期間各觀測井的水位動態(tài)變化特征，將各觀測井的降深值減去區(qū)域地下水位自然降幅，得出受抽水試驗影響的觀測井有17 眼井（圖1-2）。抽水井群內(nèi)部及附近觀測井影響降深最大，西南部、東北部次之，淄河斷裂帶東部最小。

2.3 開采性抽水試驗影響分析

本次抽水試驗的最大影響范圍為一沿淄河斷裂帶北東—南西向展布的不規(guī)則橢圓形，向東跨過淄河至文登一帶，向西延伸至臥虎山坡腳一帶，向南擴展至東崖—多山建材公司一線，向北至南仇南部膠廠水源地（膠廠8 井）一線，南北長度近5700 m，東西寬度為3500 m，面積達12.80 km2，外圍影響降深等值線均為0.20 m，未影響到北部化工區(qū)。

抽水試驗期間，未形成大范圍的降落漏斗，僅在抽水主井周圍形成小面積的降落漏斗，地下水流場未發(fā)生大的改邊，僅表現(xiàn)為水力坡度發(fā)生微小的變化，地下水流向仍然是北東向。

劉征水源地與北部大武富水地段同屬大武水文地質(zhì)單元的徑流—排泄區(qū)。抽水試驗期間，抽水井群所在地段地下水水位始終高于北部地區(qū)地下水水位，且兩個地段之間始終保持一定高度的水位差，因此徑流方向一直由南西向北東；對比抽水期間不同時段水質(zhì)監(jiān)測分析結(jié)果可知，劉征水源地巖溶地下水水質(zhì)也沒有發(fā)生大的變化，故本次抽水試驗沒有引起北部地下水回流倒灌。

3.抽水試驗結(jié)果分析

3.1 劉征水源地水文地質(zhì)條件

根據(jù)抽水試驗巖溶地下水流場形態(tài)變化分析，劉征水源地巖溶地下水位高于北部大武富水地段，地下水流向為北東向。以10.20 萬m3/d 的開采量進行抽水時，基本未改變區(qū)域巖溶地下水流場形態(tài)，整個開采性抽水試驗期間始終未形成大范圍的降落漏斗，僅在主井附近存在小范圍降落漏斗，證明了抽水試驗未改變地下水的徑流模式?；謴?fù)期間，在停抽、大氣降水及上游仁河水庫泄洪等多重因素的影響下，全區(qū)地下水水位迅速上升，至抽水試驗結(jié)束，劉征水源地地下水水位標高已經(jīng)遠遠超過了抽水試驗開始前水位標高，說明了劉征水源地地下水獲得補給迅速，具有良好的徑流條件。

根據(jù)開采性抽水試驗影響范圍，最北影響接近北部大武富水地段的范圍，劉征水源地與北部大武富水地段同屬大武水文地質(zhì)單元的徑流—排泄區(qū)，以10.20 萬m3/d 開采量在劉征水源地超前截取大武水源地上游優(yōu)質(zhì)巖溶水時，不會引發(fā)北部富水地段巖溶水回流倒灌，因7 月23 日開始區(qū)域地下水位開始回升，本次抽水試驗穩(wěn)定時間較短，而北部大武富水地段又存在地下水污染問題，因此后期對劉征水源地進行開采過程中應(yīng)密切關(guān)注北部富水地段巖溶地下水水位及水質(zhì)的變化趨勢，定期開展地下水水質(zhì)評價工作[3]。

通過比較自南向北分布的觀測井各時段水位標高可知，7月16 日抽水前，抽水井群所在地段水位標高于影響范圍北部的一化9 井0.75 m；隨著抽水時間的延續(xù)，水位差呈減小趨勢，至7 月23 日水位差達到最小值，為0.68 m；之后隨著區(qū)域地下水位的逐步回升，水位差逐漸增大，8 月15 日抽水停泵后水位高于一化9 井1.21 m；抽水井群水位標高與影響范圍外的煉廠20 井水位標高差一直在增大，抽水開始后始終保持在2.0 m 以上。因此，在整個開采性抽水試驗期間，抽水井群所在地段巖溶水水位始終高于井群以北大武富水地段巖溶水水位，證明本次開采性抽水試驗沒有引發(fā)北部富水地段巖溶水回流倒灌。

3.2 抽水試驗對水源地及地表水體的影響

根據(jù)大武水源地內(nèi)觀測井水位動態(tài)特征可知，開采性抽水試驗對大武水源地北部無影響，對大武水源地南部影響相對較小，且始終未形成大的降落漏斗，對區(qū)域巖溶地下水的補、徑、排條件未產(chǎn)生大的改變，巖溶水流場形態(tài)自始至終保持由南向北徑流的趨勢，其對大武水源地的影響主要表現(xiàn)為襲奪了巖溶水向北部富水地段徑流的一部分徑流量。因此，只要按總量控制的原則，依照合理的開采資源量進行開采，就不會對大武水源地產(chǎn)生不利的影響。此外，根據(jù)北下冊水源地、坡子水源地附近觀測井水位動態(tài)變化，其水位動態(tài)變化主要受水庫滲漏、大氣降水及人工開采的影響，本次抽水試驗對北下冊水源地、坡子水源地?zé)o影響。

3.3 劉征水源地巖溶地下水允許開采量計算

本文采用開采抽水試驗法、降落漏斗法、數(shù)值模擬法3 種方法計算劉征水源地的允許開采量，并進行評價。

開采抽水試驗法是在選定的水源地范圍內(nèi)，根據(jù)水文地質(zhì)條件，選擇合適的布井方案，打探采結(jié)合井，最好在旱季，盡量按開采條件（開采降深和預(yù)計開采量）進行較長期（一個月以上）的開采性抽水試驗，根據(jù)抽水試驗的結(jié)果確定允許開采量（可開采量）[4,5]。本次抽水試驗本次抽水試驗自7月16日開始，在枯水期末期進行，平均流量為9.80 萬m3/d，大于所需水量，試驗抽水時間截至8 月15 日，共31 天，抽水后期，受降水補給影響，抽水試驗穩(wěn)定時間較短，自7 月23 日大范圍強降雨以后，進入了下一個補給期。開采性抽水試驗期間主井累計降深0.18 m～3.08 m，距離北部大武富水地段最近的金山井群降落漏斗中心水位降深為0.45 m，一直比北部一化9 井水位高，最小水位差為0.68 m，未出現(xiàn)北部巖溶水回流倒灌現(xiàn)象。7 月23日以后，巖溶地下水水位開始緩慢回升，8 月15 日以后，受停泵和大氣降水的影響，水位迅速上升，短時間內(nèi)超過抽水前的水位標高，說明劉征水源地補給條件非常好。因此，按照抽水試驗法，本次開采性抽水試驗期間總出水量9.80 萬m3/d 是可靠的。

降落漏斗法是在開采井分布范圍不發(fā)生變化，抽水井出水量相對穩(wěn)定，降落漏斗范圍也相對穩(wěn)定的前提下，根據(jù)抽水試驗形成的降落漏斗，以線性關(guān)系加以類比，推測最大允許降深情況下的出水量[6]，計算公式為：

式中：ε指區(qū)域單位降深值（m/萬m3），為“大井”出水量1 萬m3/d 時的降深值，也是降落漏斗中心水位下降最大地段的降深值；S 指水位降深值（m）；Q 指出水量（萬m3）。

根據(jù)本次抽水試驗的抽水試驗結(jié)果，在金山井群、北劉井群以及LK08 井、LK09 井附近出現(xiàn)了小面積降落漏斗，因LK08 所處的井群為強排井，不將其計算在允許開采量之內(nèi)，結(jié)合各自的分布范圍及水文地質(zhì)條件，將可能會產(chǎn)生相互干擾的抽水井群概化為3 口“大井”進行計算，分別為金山井群、北劉井群、LK09 井，把形成的降落漏斗理想化為這3 口“大井”抽水造成的，故可將公式（7-1）變?yōu)椋?/p>

式中：Si指各井降落漏斗中心水位值（m）；Fi指各井形成的降落漏斗面積（km2）；Q 指各井實際開采總量（萬m3）。

根據(jù)劉征水源地抽水試驗后期巖溶地下水等水位線圖，利用MapGis 軟件計算圈定的金山井群、北劉井群、LK09 井降落漏斗面積分別為0.098km2、0.613km2、0.234 km2，所對應(yīng)的漏斗中心最大降深分別為0.45m、1.01m、3.08m，所對應(yīng)的開采量分別為5.52 萬m3/d、0.57 萬m3/d、2.31 萬m3/d，合計8.40萬m3/d，將各值代入上述公式，計算得出=0.174m/萬m3。

金山井群因靠近北部大武富水地段，本次抽水試驗距離其最近的一化9 井7 月23 日于金山井群的水位差為0.68 m，為防止北部巖溶地下水匯流倒灌現(xiàn)象的產(chǎn)生，設(shè)計最小水位差為0.50 m，故設(shè)計允許最大降深為0.63 m；北劉井群和LK09 號井設(shè)計最大允許降深分別為1.5 m 和4.0 m。

將降落漏斗中心最大允許降深值代入公式上述公式，反算出抽水井群總的允許開采量為：

4.結(jié)論及建議

通過水文地質(zhì)調(diào)查及抽水試驗分析，劉征水源地補給條件良好，地下水流向為北東向，開采的影響范圍為向東跨過淄河至文登一帶，向西延伸至臥虎山坡腳一帶，向南擴展至東崖—多山建材公司一線，向北至南仇南部膠廠水源地（膠廠8 井）一線，面積達12.80km2。影響范圍內(nèi)觀測井水位因其所處位置的水文地質(zhì)條件不同而呈現(xiàn)不同的變化，整體上呈現(xiàn)滯后同步性。以現(xiàn)狀開采能力在劉征水源地超前截取大武水源地上游優(yōu)質(zhì)巖溶水時，地下水流向不會發(fā)生改變，不會引發(fā)北部富水地段巖溶水回流倒灌。采用開采抽水試驗法、降落漏斗法等方法計算劉征水源地的允許開采量，結(jié)合劉征水源地目前的開發(fā)利用現(xiàn)狀及供水規(guī)劃，在現(xiàn)有開采條件下，劉征水源地在開采量為9.80 萬m3/d 的情況下，不會影響劉征水源地及周邊大武水源地水文地質(zhì)情況，不會產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)問題，但開采量不應(yīng)超過11.66 萬m3/d，要合理規(guī)劃劉征水源地的開采量，注意涵養(yǎng)水源，及時掌握巖溶水水質(zhì)及流場的變化，加強水資源保護與管理工作。

圖1-1 抽水井及觀測井分布圖

圖1-2 受抽水試驗影響的觀測井分布圖