灤縣新建地下水源地開采方案論證

張 林，吳立彬，李春秀

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

地下水資源作為干旱半干旱地區(qū)的主要水源，在保障飲用水安全、支持社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維系生態(tài)環(huán)境平衡等方面具有重要作用[1]。傍河地下水源地通過激發(fā)河水入滲提高了水資源的開發(fā)利用率，同時(shí)含水介質(zhì)充分發(fā)揮了過濾組分凈化水質(zhì)的作用。傍河地下水源地具有水位埋深淺，含水層穩(wěn)定，適宜集中建立井群開采。因此，科學(xué)評價(jià)水源地的開采量、井群布置、可開采量及對周邊的環(huán)境地質(zhì)影響具有重要的意義。文章結(jié)合灤縣新建地下水源地，深入分析論證了其開采方案的科學(xué)性和可靠性，對保障灤縣取水安全和城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要的支撐作用。

1 自然地理概況

1.1 勘察區(qū)范圍

根據(jù)水資源時(shí)空分布特征和開發(fā)利用現(xiàn)狀，確定調(diào)查區(qū)范圍：地理坐標(biāo)為北起山港村～何莊，南至店坨村～莊窠，西起馬各莊～南莊，東至盧龍縣南關(guān)～指揮村，控制面積610 km2。重點(diǎn)勘察區(qū)選定在響嘡街道后遷義莊村東、灤河西岸，面積約2.0 km2?？辈靺^(qū)范圍見圖1。

圖1 勘察區(qū)范圍示意圖

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建水源地位于灤河西側(cè)的一級階地上，水文地質(zhì)單元為灤河沖洪積扇上部。根據(jù)探采結(jié)合井勘探結(jié)果，擬建水源地在水平方向與垂直方向上與區(qū)域水文地質(zhì)條件基本一致，地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積地層，沿東西向基巖埋深西部淺東部深，南北方向基巖埋深北部淺南部深。

據(jù)鉆孔及抽水試驗(yàn)資料，主要開采層位為第四系第Ⅰ含水組(Q4)，底板埋深38～45 m，水位埋深約5.5～6.0 m，含水層厚度26～34 m，巖性以中粗砂、中粗砂含礫石為主，砂礫混雜，結(jié)構(gòu)松散。礫石成分主要為片麻巖、石英巖、砂巖及火成巖等，分選中等，磨圓度較好，直徑一般2～15 mm，個(gè)別20～50 mm。水動力特征為潛水，單位涌水量30～50 m3/h·m，滲透系數(shù)25～80 m/d，水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水，礦化度468.3～494.1 mg/l，pH值7.48～7.59，總硬度(以CaCO3計(jì))為276.1～288.0 mg/L，氟化物含量0.32～0.36 mg/L。

2 開采方案論證

2.1 水源井的布置

根據(jù)水源地水文地質(zhì)條件、水廠規(guī)模、已施工的2眼探采結(jié)合井抽水試驗(yàn)資料及傍河水源地特點(diǎn)，布置方案是平行于灤河。靠近灤河西側(cè)盡量多布設(shè)，目的是盡最大可能襲奪河流補(bǔ)給及吸取河?xùn)|岸漫灘地下水補(bǔ)給。按2排布置，靠近灤河的水源井單井出水量按照200 m3/h計(jì)算，布置7眼，另一排按照150 m3/h計(jì)算，布置5眼，共計(jì)布置水源井12眼，其中4眼井作為備用水源井，排間距150～200 m，井間距150～200 m，詳見圖2。

井孔結(jié)構(gòu)：井孔深度至完整基巖，主要開采段為12 m以下含水層，終孔孔徑Φ1 000 mm。井管種類及規(guī)格：井管包括井壁管、濾水管和沉淀管，其中井壁管、沉淀管采用Ф529 mm螺旋鋼管，濾水管采用Ф529 mm橋式濾水管。濾料規(guī)格Ф3～5 mm，止水采用粘土球，封孔用優(yōu)質(zhì)粘土。

2.2 水源地中心點(diǎn)水位降深預(yù)測

項(xiàng)目實(shí)施后地下水位變化，主要由以下幾個(gè)方面因素確定：(1)由于取水引起的地下水位下降；(2)由于降水入滲、河道滲漏補(bǔ)給和其他補(bǔ)給使地下水位上升；(3)整個(gè)區(qū)域內(nèi)其他用水戶的開采所引起的地下水位的下降。

依本區(qū)水文地質(zhì)條件和布井方案，將擬建水源地開采段目的層概化為非均質(zhì)、各向同性、等厚、水平埋深、供水邊界的矩形開采區(qū)，開采井為干擾潛水井，設(shè)擬建水源地開采4×104m3/d，單井出水量為200 m3/h的水源井6眼和120 m3/h的水源井4眼，則開采后中心水位下降值計(jì)算方法見式(1)：

s=s1+s2

(1)

式中：s為水源地中心點(diǎn)水位下降值(m)；s1為水源井開采對中心點(diǎn)水位下降影響值之和(簡稱干擾降深)(m)；s2為開采期區(qū)域水位下降值(m)。

圖2 水源井布置圖

2.2.1 干擾降深(s1)

根據(jù)水位疊加原理，干擾條件下，某點(diǎn)水位降深等于本井開采和其他井開采對其影響值的疊加值，公式如下：

(2)

式中：s1為干擾井群對計(jì)算點(diǎn)處產(chǎn)生的總水位降深(m)；Qi為第ⅰ眼井干擾井的單井出水量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；H為潛水含水層原始水位(m)；a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d)，a=KH/μ；t為開采期限(d)；ri為第ⅰ眼井到計(jì)算點(diǎn)的距離(m)。s1為t時(shí)刻計(jì)算點(diǎn)水位降深(m)；H為潛水含水層原始厚度(m)；Qi為第ⅰ眼井單井開采量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；μ為給水度；ri為第ⅰ眼井到計(jì)算點(diǎn)的距離(m)；t為預(yù)報(bào)時(shí)間(d)。

2.2.2 區(qū)域背景下降值s2

擬建水源地地處灤河一級階地內(nèi)，地下水位與灤河水位聯(lián)系密切，升降同步。根據(jù)河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院地下水位資料，地下水位多年變化不大，處于多年均衡狀態(tài)。

2.2.3 擬建水源地中心的降深預(yù)報(bào)

依據(jù)式(1)計(jì)算，水源地開采10 a，中心點(diǎn)水位降為7.35 m，水源地開采30 a，中心點(diǎn)水位降為7.35 m，各開采時(shí)段末水源井中心點(diǎn)的干擾降深、總降深、動水位埋深等結(jié)果詳見表1。

表1 水源地中心點(diǎn)水位降深預(yù)報(bào)表 m

水源地主要含水層為中粗砂含礫石，厚度約26～34 m，富水性較強(qiáng)，水質(zhì)良好，適宜建設(shè)集中供水水源地。由擬建水源地各井降深預(yù)報(bào)可知，在目前埋深(約6 m)的基礎(chǔ)上開采10 a后，地下水位降深7.35 m，屆時(shí)水位埋深13.35 m，使用普通水泵即可汲取，是目前開采技術(shù)條件完全可以達(dá)到的。

2.3 允許開采量

水源地地處灤河一級階地，地下水主要補(bǔ)給來源除灤河滲漏補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給外，本水文地質(zhì)單元內(nèi)灤河二級階地地下水均向本區(qū)徑流，水力坡度3‰左右，徑流條件良好。本區(qū)含水層巖性主要由砂卵礫石組成，含水層的滲透性強(qiáng)，富水性好。水源地傍河取水，開采時(shí)可以獲得大量的地表水入滲補(bǔ)給量，成為可開采量的主要組成部分。灤河月均河道來水量在3億 m3/a以上，在扣除水庫放水量的情況下，來水量亦超過1.1億 m3。灤河豐沛的水量為水源地提供了充足的補(bǔ)給來源，且灤河每年引水時(shí)間都在2個(gè)月以上，如果考慮著這部分水量，水源地補(bǔ)給量會更有保證。據(jù)區(qū)域地下水資源計(jì)算，多年平均大氣降水入滲補(bǔ)給量為2 576.13×104m3/a，漫灘及一級階地的地下水溢出量為41.86×104m3/a。擬建水源地位于灤河一級階地上，可以得到較充足的大氣降水入滲補(bǔ)給、地下水溢出補(bǔ)給。

開采條件下，灤河對地下水增補(bǔ)量按單寬流量公式計(jì)算，見式(3)：

(3)

式中：Q增為開采條件下灤河對地下水的增補(bǔ)量(104m3/a)；△h為河水位與沿岸地下水位差(m)，經(jīng)計(jì)算，屆時(shí)河水位高于地下水2.8 m；μ為潛水含水層平均給水度(據(jù)均衡計(jì)算，取μ=0.24)；α為導(dǎo)壓系數(shù)(據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算，α=3.97×104m2/d)；t為補(bǔ)給時(shí)間(d)；L為補(bǔ)給帶寬度(m)(按開采井間距和影響半徑考慮，取L=1 260 m)。

計(jì)算結(jié)果，水源地開采后，灤河可增加地下水補(bǔ)給量363.57×104m3/a。

2.4 對周邊水資源部況、環(huán)境地質(zhì)的影響

2.4.1 對周邊水資源的影響

水源地開采前，主要補(bǔ)給來源為灤河滲漏及大氣降水入滲補(bǔ)給，水源地投產(chǎn)運(yùn)行后，將會增大河水對地下水的補(bǔ)給量，使地表水資源受到損失，但相對灤河來說其量甚微，且主要發(fā)生時(shí)間多在汛期。因此，對地表水資源不會產(chǎn)生明顯的影響。水源地開采后的主要補(bǔ)給來源為汛期灤河滲漏補(bǔ)給，投產(chǎn)后動用地下水靜儲量很少，對地下水資源也不會造成顯著的影響。

新建水源地運(yùn)行后，原有水源地開采井和部分企業(yè)自備井將全部關(guān)閉，可以緩解對區(qū)域水環(huán)境的影響，隨著地下水位的下降，灤河的地表水將更進(jìn)一步補(bǔ)給地下水，因此對區(qū)域水資源不會造成顯著的影響。

2.4.2 對環(huán)境地質(zhì)的影響

本區(qū)地處灤河沖洪積扇頂部，含水層為砂卵礫石層，顆粒較粗，且不存在粘性土及軟弱地層，水源地開采后不會引發(fā)地面沉降、地面塌陷以及水質(zhì)惡化等環(huán)境地質(zhì)問題。

3 結(jié)語

綜上可知，水源地運(yùn)行后，計(jì)算水位降深合理；在開采條件下，激發(fā)補(bǔ)給量會有所增加，而且部分排泄量(地下水溢出量及潛水蒸發(fā)量等)將轉(zhuǎn)化為補(bǔ)給量，屆時(shí)實(shí)際開采時(shí)的水位降深將小于計(jì)算降深。隨著水源地運(yùn)行，現(xiàn)有水源井陸續(xù)關(guān)閉，這些開采量的減少對地下水位的下降起到一定的緩解作用。因此，在不增加新的開采條件下，水源地開采4×104m3/d地下水是有充分保證的，對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響也是可控的。