百威英博項(xiàng)目地下取水方案合理性論證分析

高 亮，馮琳偉

(1.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，河南 鄭州 450000；2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

百威英博(河南)啤酒有限公司年產(chǎn)2.0×105t啤酒項(xiàng)目[1]，淡季最大新鮮用水量為4 031 m3/d，旺季最大新鮮水用量為5 751 m3/d。取水地點(diǎn)為盆窯水源地，在新鄉(xiāng)市唐莊鎮(zhèn)田窯村至西山陵園一線，距青羊口斷層250 m，主要開(kāi)采碳酸鹽巖類巖溶水，設(shè)計(jì)開(kāi)采量0.9×104m3/d。分析論證范圍北起大王莊、西陳召，南至西同古、五陵，東起沿村、北陳馬，東至小谷馱、斜道，面積259 km2。

1 水文地質(zhì)條件

本區(qū)水文地質(zhì)條件主要是受地貌、巖性及地質(zhì)構(gòu)造的控制，其中位于山前地帶的青羊口斷層是主要控制因素。該斷層將本區(qū)分割為丘陵和平原兩大部分，導(dǎo)致水文地質(zhì)條件亦呈現(xiàn)明顯的差異。地下水按含水層巖性及賦存條件可分為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水(簡(jiǎn)稱巖溶水)、基巖裂隙水、松散巖類孔隙水及碎屑巖類裂隙水四大類(圖1)[2]。巖溶水廣泛分布于青羊口斷層西側(cè)的低山丘陵區(qū)，該區(qū)域奧陶系灰?guī)r廣泛分布，基巖裸露，受北東-南西向斷裂的破壞，巖層較破碎，裂隙巖溶發(fā)育，為地下水的貯存和運(yùn)移提供了有利的場(chǎng)所。本區(qū)地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，形成較豐富的碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。地下水位埋深一般為70～95 m，350 m以淺含水層厚度為100～250 m，天然條件下，地下水向南及南西方向運(yùn)移、滲流，在構(gòu)造和地貌條件適宜處，以泉水的形式溢出地表，如百泉、玫瑰泉，兩泉多年平均流量分別為3.89 ，0.18 m3/s。根據(jù)本次普查鉆孔抽水試驗(yàn)資料、收集的鉆孔資料及地面物探推測(cè)資料等成果，結(jié)合以往勘察成果，統(tǒng)一換算成15 m降深的出水量，巖溶水單井涌水量為1 000～5 000 m3/d，為水量豐富地區(qū)[3]。

圖1 水文地質(zhì)圖

基巖裂隙水主要分布于張莊、田窯附近的侵入巖體邊緣，在風(fēng)化層及基巖破碎帶內(nèi)，含有少量風(fēng)化及構(gòu)造裂隙水，以泉水形式出露，泉流量小于1 L/s。

松散巖類孔隙水分布于青羊口斷層?xùn)|側(cè)的沖洪積斜地及沖積平原淺層含水層中，主要為潛水或者半承壓水。第四系松散層中夾有較多的中細(xì)砂，地下水位埋深為6～40 m不等，含水層厚度10 m左右，可直接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給，形成較豐富的孔隙水。地下水由西北向東南運(yùn)移、滲流[4]。

碎屑巖類裂隙水主要分布于青羊口斷層?xùn)|側(cè)沖洪積及沖積平原中深層含水層中，埋藏于第四系松散巖類孔隙水之下，西部埋深較淺，向東逐漸變深，頂板埋深西部一般為20～50 m，東部一般為82～103 m。主要含水層為隱伏的新近系泥灰?guī)r和砂巖，總厚度45 m左右，一般多為厚層狀，上段質(zhì)地較純，裂隙巖溶發(fā)育，可間接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給，形成豐富的碎屑巖類裂隙水。地下水流向在山前地帶由西北流向東南，進(jìn)入平原后，地下水總流向轉(zhuǎn)向東北[5]。

巖溶水的補(bǔ)給主要為大氣降水入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給。青羊口斷層西側(cè)，裸露型巖溶水分布區(qū)(山區(qū))降水量相對(duì)較大，大氣降水主要通過(guò)構(gòu)造裂隙、溶蝕裂隙直接補(bǔ)給地下水，補(bǔ)給量較大，而第四系松散層覆蓋的巖溶水補(bǔ)給能力相對(duì)較低。巖溶水徑流和排泄嚴(yán)格受巖溶發(fā)育程度、巖層組合和構(gòu)造條件等因素控制，地下水整體流向是由北向南，水力坡度為2.5‰，裂隙巖溶發(fā)育，地下徑流條件較好。側(cè)向流入成為論證區(qū)巖溶水的另一個(gè)主要補(bǔ)給來(lái)源。地下水的排泄主要為垂直排泄，在不同的地貌、水文地質(zhì)單元有不同的排泄方式。該區(qū)巖溶水主要排泄方式為農(nóng)田灌溉和生活飲用水的開(kāi)采。

巖溶水動(dòng)態(tài)特征受氣象以及人為開(kāi)采等因素制約，其動(dòng)態(tài)類型主要為大氣降水入滲-開(kāi)采型，表現(xiàn)為大氣降水入滲補(bǔ)給使地下水位抬升，而人工開(kāi)采則使地下水位下降。區(qū)內(nèi)地下水位變化具有明顯的季節(jié)性，汛前由于開(kāi)采地下水，地下水位明顯下降，6月份達(dá)到最低；汛期水位上升，汛后至翌年1—2月份，開(kāi)采量不大，加上降雨入滲的補(bǔ)給，地下水位趨于穩(wěn)定狀態(tài)[6]。

2 用水合理性分析

酒的銷售和生產(chǎn)因氣候原因有淡季、旺季之分，全廠用水量也隨之變化。在生產(chǎn)淡季，本項(xiàng)目最大新鮮用水量為4 031 m3/d；在生產(chǎn)旺季，本項(xiàng)目最大新鮮水用量為5 751 m3/d。設(shè)計(jì)每噸啤酒的取水量為8.76 m3，其取水量小于用水定額，充分滿足定額要求。

制冷機(jī)需要冷卻水循環(huán)使用，循環(huán)水流量淡季為1 200 m3/h，旺季3 775 m3/h，平均2 640 m3/h。補(bǔ)充水采用復(fù)用水，淡季24 m3/h，旺季76 m3/h，平均53 m3/h。此外，衛(wèi)生用水和綠化用水亦采用復(fù)用水，最大日用水量為1 420 m3/d。消防水量的計(jì)算依據(jù)，以原料倉(cāng)庫(kù)、原料處理間(丙類)為消防對(duì)象，其消防水量如下：室外消防用水量45 L/s，室內(nèi)消防用水量10 L/s，火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3 h，一次消防用水量594 m3。污水處理站出水平均每天2 870.5 m3，其出水水質(zhì)已達(dá)“綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)”I 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，擬將其處理后回用于綠化、消防用水、循環(huán)水補(bǔ)充水、地面沖洗水等，盡量減少企業(yè)污水排放，以減輕對(duì)環(huán)境的污染。工藝生產(chǎn)中，去離子水、軟化水制備過(guò)程中產(chǎn)生大量的過(guò)濾器反洗水和反滲透的濃水，該部分水含鹽量較高，也可將其回收用于脫硫補(bǔ)水系統(tǒng)。 以上數(shù)據(jù)顯示，該項(xiàng)目用水結(jié)構(gòu)和用水指標(biāo)基本合理。

3 水源方案比選

3.1 水資源狀況

研究區(qū)內(nèi)青羊口斷層以東松散巖類孔隙水水量豐富區(qū)主要分布在論證區(qū)的東南部[7]，其余為水量貧乏區(qū)，含水層厚度較小，在水量貧乏區(qū)，甚至不能滿足生活飲用水需求。從抽水試驗(yàn)的成果看，位于秦莊東北側(cè)的抽水井，井深90 m，抽水試驗(yàn)穩(wěn)定水位降深28.45 m，穩(wěn)定水量24.11 m3/h，單位涌水量?jī)H為0.85 m3/h·m。

中深層碎屑巖類裂隙水含水層水量豐富區(qū)主要分布在衛(wèi)輝市區(qū)西部，唐崗、辛莊一帶，分布面積小，且距離廠區(qū)較遠(yuǎn)；其余為水量中等區(qū)和水量貧乏區(qū)，含水層厚度小，這些地區(qū)碎屑巖類裂隙水加上上層松散巖類孔隙水也僅能供應(yīng)當(dāng)?shù)鼐用裆铒嬘盟娃r(nóng)業(yè)用水。從抽水試驗(yàn)計(jì)算的成果看，青羊口斷層?xùn)|側(cè)、唐莊一中院內(nèi)的抽水井，井深300 m，靜水位埋深為32.07，抽水試驗(yàn)穩(wěn)定水位降深32.99 m，穩(wěn)定水量27.40 m3/h，單位涌水量?jī)H為0.83 m3/h·m。

青羊口斷層以西的碳酸鹽巖類巖溶水含水層，水量較豐富，換算成15 m降深，單井涌水量1 000～5 000 m3/d，為當(dāng)?shù)氐闹饕┧畬樱酁楸敬嗡吹亟ㄔO(shè)的首選含水層。從抽水試驗(yàn)計(jì)算的成果看，青羊口斷層西側(cè)、田窯村的抽水井，井深150 m，靜水位埋深為60.40 m，抽水試驗(yàn)穩(wěn)定水位降深8.66 m，穩(wěn)定水量66 m3/h，單位涌水量?jī)H為4.73 m3/h·m。

3.2 開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

據(jù)地下水統(tǒng)一調(diào)查結(jié)果，論證區(qū)青羊口斷層以東，大司馬、西寺門以北地區(qū)，地下水嚴(yán)重缺乏，不能滿足當(dāng)?shù)厣铒嬘盟稗r(nóng)田灌溉用水需求。灌溉用水一般每個(gè)小時(shí)僅能抽十幾分鐘，靠近斷層邊緣的地區(qū)耕地靠天吃飯或者開(kāi)采巖溶水灌溉，飲用水也多來(lái)自于巖溶水井的集中供水，有些村莊甚至飲水困難。大司馬、西寺門以南地區(qū)，尤其是衛(wèi)輝市區(qū)邊界地下水富水性相對(duì)較好，但也僅能滿足當(dāng)?shù)厣铒嬘盟肮まr(nóng)業(yè)用水需求，地下水開(kāi)發(fā)利用程度較高[7]。

擬建水源地附近的村莊主要有田窯和盆窯，田窯村的生活飲用水及農(nóng)田灌溉主要依靠開(kāi)采巖溶水；盆窯大約200戶村民飲用水開(kāi)采村中淺層地下水之外，其余生活飲用水及農(nóng)田灌溉均靠開(kāi)采巖溶水。此外，山彪村的農(nóng)田灌溉也主要靠開(kāi)采水源地南側(cè)的西山陵園內(nèi)的巖溶水。在論證區(qū)的其他巖溶水分布區(qū)，除少部分村莊依靠水庫(kù)水和煤礦尾水灌溉外，生活飲用水和農(nóng)田灌溉主要依靠開(kāi)采巖溶水；斷層?xùn)|側(cè)的缺水地區(qū)，東代村、呂村等地生活飲用水和農(nóng)田灌溉也靠開(kāi)采臨近區(qū)的巖溶水[8]。

開(kāi)采井對(duì)地下水位的影響不大，尚未發(fā)現(xiàn)因地下水開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。但是，整個(gè)論證區(qū)處于缺水地區(qū)，且整個(gè)華北平原地下水都處于超采狀態(tài)，該區(qū)巖溶水地下水位也處于逐年下降狀態(tài)。區(qū)內(nèi)愚公泉從1990—1998年，地下水位處于正常波動(dòng)狀態(tài)，而從1998—2008年，年均下降值0.25 m。

3.3 水源合理性分析

根據(jù)各含水層的空間分布及富水性特征分析(圖1)，百威英博啤酒廠廠區(qū)附近松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙巖溶水含水層富水性較差，含水層厚度較薄，難以滿足水源地的集中開(kāi)采，因此選擇水量豐富的巖溶水作為擬建水源地的開(kāi)采水源。擬建水源地位于唐莊鎮(zhèn)田窯村至西山陵園一線，距青羊口斷層250 m。從地下水富水程度考慮，該區(qū)域裂隙巖溶發(fā)育程度較高，且青羊口隔水?dāng)鄬幼柚沽说叵滤膫?cè)向流出，地下水富水性較好，適合水源地集中開(kāi)采。從地下水水質(zhì)的角度考慮，該區(qū)域地下水質(zhì)量級(jí)別均屬于良好型，適宜于飲用水及工業(yè)用水；從經(jīng)濟(jì)角度考慮，該區(qū)域與百威英博啤酒廠距離相對(duì)較近，且位置較高，降低了輸水代價(jià)。根據(jù)普查鉆孔抽水試驗(yàn)資料、收集的鉆孔資料及地面物探推測(cè)資料等成果，結(jié)合以往勘察成果，統(tǒng)一換算成15 m降深的出水量，巖溶水單井涌水量為1 000～5 000 m3/d，為水量豐富區(qū)。

4 巖溶水天然資源量

4.1 入滲補(bǔ)給量

入滲補(bǔ)給現(xiàn)狀年選取2010年，典型年選取1971—2000年，計(jì)算公式為

Q降=α·c·p·F

(1)

式中：Q降為降水入滲補(bǔ)給量(×104m3/年)；p為年降水量，mm/年；α為降入滲系數(shù)，取0.30；c為有效降水系數(shù)(取經(jīng)驗(yàn)值90%)；F為計(jì)算區(qū)面積，km2。

4.2 側(cè)向徑流補(bǔ)給量

根據(jù)地下水流場(chǎng)狀態(tài)，在論證區(qū)的北部邊界，區(qū)內(nèi)地下水通過(guò)側(cè)向徑流形式接受區(qū)外補(bǔ)給，經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)給量為1 172.30×104m3/年。其計(jì)算公式為

Q側(cè)=K·M·I·L

(2)

式中：Q測(cè)為含水層的側(cè)向流入量(×104m3/年)；K為邊界附近含水層的滲透系數(shù)(取9.10 m/d)；M為含水層有效厚度(取90 m)；L為邊界的長(zhǎng)度(取13 072 m)；I為邊界附近的地下水水力梯度(根據(jù)地下水流場(chǎng)圖確定，取值0.003)。

4.3 巖溶水資源量

論證區(qū)巖溶水的天然資源量，即總補(bǔ)給量為(表1)：豐水年為3 428.59×104m3/年，平水年為3 137.46×104m3/年，枯水年為2 766.79×104m3/年，現(xiàn)狀年屬于豐水年，總補(bǔ)給量為3 546.2×104m3/年。

表1 巖溶水分布區(qū)天然資源量計(jì)算表 m3/年

5 地下水水位預(yù)測(cè)

5.1 布井方案

水源地抽水井垂直地下水流向，沿著斷層帶布置，采用單排布井法，井距500～800 m，呈北東-南西方向，設(shè)5口抽水井，1口備用井(圖2)。

圖2 布井方案示意圖

5.2 含水層概化

水源地開(kāi)采井布置在斷層線附近，且斷層為阻水?dāng)鄬?，可概化為隔水邊界。長(zhǎng)期抽水時(shí)，此邊界對(duì)水流有明顯影響。根據(jù)論證區(qū)的水文地質(zhì)條件、含水層的巖性、結(jié)構(gòu)、埋藏條件，長(zhǎng)期抽水條件下，巖溶水的水位降深與時(shí)間的關(guān)系與Theis曲線一致。計(jì)算中選取完整井井群干擾非穩(wěn)定流公式，利用疊加原理計(jì)算開(kāi)采條件下中心井和邊緣井的地下水位降深，即

(3)

5.3 水位降深

水源地在群井開(kāi)采下，單井出水量不變，地下水位因各井同時(shí)抽水相互干擾而下降，采用式3疊加計(jì)算，分別計(jì)算開(kāi)采1，5，10，15，20年水位降深。由表3可得，開(kāi)采20年中心井地下水位降深為11.94 m；由表4可得，開(kāi)采20年邊緣井地下水位降深為11.02 m，此地下水位降深小于含水層厚度的1/3。此外，由水源地群井抽水時(shí)中心井水位和邊緣井水位降深時(shí)間變化得出，水源地開(kāi)采10年以后，地下水位趨于穩(wěn)定，地下水的補(bǔ)給和排泄達(dá)到新的平衡。

表3 水源地群井抽水時(shí)中心井水位降深

表4 水源地群井抽水時(shí)邊緣井水位降深

疊加區(qū)域地下水位降深后，水源地開(kāi)采20年，中心井地下水位降深為16.94 m，邊緣井地下水位降深為16.02 m，此地下水位降深仍小于含水層厚度的1/3。因此，水源地0.9×104m3/d的開(kāi)采量是有保證的，此開(kāi)采方案是合理的。

6 結(jié) 論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，巖溶水的總補(bǔ)給量為：豐水年為3 428.59×104m3/年，平水年為3 137.46×104m3/年，枯水年為2 766.79×104m3/年，現(xiàn)狀年屬于豐水年，總補(bǔ)給量為3 546.2×104m3/年。從區(qū)域地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀看，水源地分布區(qū)巖溶水地下水位處于逐年下降狀態(tài)，屬于超采區(qū)，理論上該區(qū)域不適合水源地的建設(shè)。從解析法分析計(jì)算，水源地開(kāi)采20年中心開(kāi)采井地下水位降深為16.94 m，邊緣井地下水位降深為16.02 m，此降深遠(yuǎn)小于含水層厚度的1/3，水源地的開(kāi)采量主要襲奪的是巖溶水側(cè)向流出量，由于含水層具有強(qiáng)大的調(diào)蓄功能，考慮以豐補(bǔ)歉的原則，合理地動(dòng)用部分儲(chǔ)存量是可行的。因此，此水源地作為應(yīng)急供水水源地，滿足近幾年百威英博(河南)啤酒有限公司的供水水源，允許開(kāi)采量328.5×104m3/年是安全可靠的，能滿足百威英博(河南)啤酒有限公司旺季和淡季的新鮮用水量要求。