額仁淖爾水源地靶區(qū)地下水可開采潛力分析及可增加開采量評(píng)價(jià)

周博文，李華明，常寶成

（核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭，014010）

額仁淖爾蘇木位于二連浩特市南西部，無地表水系及湖泊，地下水嚴(yán)重匱乏，屬干旱缺水地區(qū)。二連浩特至額仁淖爾一帶賦存多種礦產(chǎn)資源，如螢石礦、鈾礦和石油等［1-2］，今后礦床開發(fā)首要條件是供水水源。近些年，區(qū)域上地下水的不合理開采逐漸加劇，地下水惡化現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)其治理和修復(fù)均需付出昂貴代價(jià)，因此，合理開采地下水顯得尤為重要。

目前關(guān)于該地區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)、開采潛力評(píng)價(jià)等研究極為匱乏，而通常人為開采地下水僅追求最大開采量的單純因素，不符合綠色勘查的根本宗旨，應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮其可開采能力，因此應(yīng)科學(xué)評(píng)價(jià)地下水資源及開采潛力［3］。評(píng)價(jià)地下水可開采潛力方法主要有開采系數(shù)法［4-6］和開采潛力指數(shù)法［7-9］。本文綜合研究已有資料，認(rèn)為區(qū)內(nèi)主要含水層為白堊系碎屑巖類孔隙水，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件圈定了水源地靶區(qū)，利用開采潛力指數(shù)法分析靶區(qū)地下水可開采潛力，利用干擾井群法［10-14］評(píng)價(jià)了靶區(qū)內(nèi)可增加開采量，為今后礦山開采供水提供依據(jù)。

1 自然地理

研究區(qū)位于錫林郭勒盟二連浩特市西南部額仁淖爾地區(qū)，地形總趨勢(shì)南高北低、東西兩側(cè)高、中間低的馬鞍形地勢(shì)。研究區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候和干旱荒漠草原氣候，春季干燥少雨，夏季短暫炎熱，秋季天高氣爽，冬季漫長(zhǎng)寒冷。區(qū)內(nèi)降水量少而集中，多年平均降水量133.4 mm，年最大降水量256.9 mm，年最小降水量39.7 mm，降水的主要形式以降雨為主，冰雹、霜和雪的降水形式甚少。受季風(fēng)影響，不同月份的降水量差異也很大，降水多集中于6～9 月4 個(gè)月份，約占全年總降水量的76.7%。區(qū)內(nèi)蒸發(fā)較為強(qiáng)烈，不同年份蒸發(fā)量差別不大，多年平均蒸發(fā)量為2 415.0 mm。蒸發(fā)最強(qiáng)烈為5～9 月，以6 月最大，多年平均達(dá)374.4 mm；1 月最小，多年平均為25.3 mm。區(qū)內(nèi)屬內(nèi)陸水系，且地表水系不發(fā)育，在高平原以片流為主，丘陵間有短的溝谷，只有降大雨時(shí)形成短暫的洪流，匯集于相對(duì)低洼處，形成臨時(shí)淖爾，靠蒸發(fā)和入滲消耗［15］。

2 水源地靶區(qū)的圈定

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)、水力特征及含水層的巖性、結(jié)構(gòu)，區(qū)域上地下水可劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水和第四系松散巖類孔隙水三大類（圖1）。

圖1 額仁淖爾地區(qū)水文地質(zhì)略圖Fig.1 Hydrogeological sketch of Erennur

基巖裂隙水分布在西部波狀高丘陵區(qū)，含水層巖性主要為華力西期花崗巖，多為不穩(wěn)定的風(fēng)化裂隙潛水；地下水位埋藏變化較大，一般小于10 m，地下水分布極不均勻，補(bǔ)給來源主要是大氣降水補(bǔ)給，水量較貧；第四系松散巖類孔隙水僅分布在丘陵區(qū)及階狀高平原臺(tái)緣陡坎前之溝谷中，含水層厚度小于1 m，主要靠大氣降水和凝結(jié)水滲入補(bǔ)給，水量貧乏。

區(qū)內(nèi)主要賦存白堊系碎屑巖類孔隙水［15］，從巖性巖相來看（圖2），西緣及東緣部分地段為山麓相沉積，其含水層以山麓相泥質(zhì)砂礫巖、礫巖為主，顆?；祀s，大小不一，且含泥質(zhì)，多呈半固結(jié)到固結(jié)狀。向中部過渡為辮狀河三角洲相沉積，含水層巖性主要由白堊系灰黃色、灰色和灰綠色砂礫巖、含礫砂巖、細(xì)砂巖互層組成。其中南部、西南部和東南部主要為辮狀河相沉積，含水層巖性主要為砂礫巖、含礫中粗砂巖；北中部主要為河流三角洲相沉積，含水層巖性主要為細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖。整體具有由南部向中部、北部砂體粒度由粗變細(xì)的特點(diǎn)。中心為SN向條帶狀湖相沉積，含水層厚度薄，連續(xù)性差，主要由含泥細(xì)砂巖、泥質(zhì)砂礫巖組成。在中部湖相泥巖帶四周，含水層厚度一般大于40 m，最厚122.10 m，泥巖帶中心含水層厚度小于20 m，含水層厚度整體由南向北、由四周向中間由厚變薄，含水層顆粒由粗變細(xì)。泥巖帶四周單井涌水量一般為100～500 m3·d-1，南西角一帶單井涌水量大于1 000 m3·d-1，泥巖帶中心部位單井涌水量小于100 m3·d-1，最小1.59 m3·d-1。在靶區(qū)西側(cè)主要接受基巖裂隙水的滲入補(bǔ)給，在南側(cè)、東側(cè)補(bǔ)給來源主要為側(cè)向徑流補(bǔ)給。從補(bǔ)給能力來看，西側(cè)基巖裂隙水的滲入補(bǔ)給及南側(cè)的側(cè)向徑流補(bǔ)給能力較強(qiáng)，而東側(cè)、東南側(cè)受二連凸起與阿爾善凸起的影響，側(cè)向徑流補(bǔ)給能力較差。

圖2 額仁淖爾地區(qū)巖性巖相圖Fig.2 Lithology and lithofacies map of Erennur

2.2 水源地靶區(qū)圈定

水源地靶區(qū)圈定依據(jù)需滿足以下條件：區(qū)內(nèi)相對(duì)富水地段；地下水補(bǔ)給徑流條件相對(duì)較好地段；水位埋深相對(duì)較淺地段；含水層厚度相對(duì)較大地段。

依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及前人綜合研究成果，按照前述圈定水源地靶區(qū)圈定條件，圍繞中心SN 湖相沉積帶中部東西兩側(cè)及南側(cè)圈定了水源地靶區(qū)（圖3），靶區(qū)的邊界主要根據(jù)相對(duì)富水地段及沉積相帶范圍控制，局部靠鉆孔控制。靶區(qū)面積約253 km2，靶區(qū)內(nèi)具有如下水文地質(zhì)特征。

圖3 額仁淖爾水源地靶區(qū)范圍Fig.3 Extension in Erennur water source target area

含水層巖性主要為白堊系含礫中粗砂巖、砂礫巖，含水層厚度一般大于80 m，最大超過200 m；單井涌水量介于100～500 m3·d-1之間，局部地段單井涌水量大于1 000 m3·d-1，單井最大涌水量一般在800～1 500 m3·d-1之間，為區(qū)內(nèi)富水性最好的地段；含水層頂板埋深在50 m 左右，承壓水位埋深為8.11～17.70 m；主要接受西、南、東南地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，水力坡度介于3‰～8‰，滲透系數(shù)介于0.38～2.93 m·d-1之間，相對(duì)其他地段，地下水補(bǔ)給徑流條件較好。

3 地下水資源量計(jì)算

地下水資源量的計(jì)算包括對(duì)地下水天然補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量的計(jì)算。本次僅計(jì)算水源地靶區(qū)內(nèi)各項(xiàng)資源量。

3.1 天然補(bǔ)給量

側(cè)向徑流補(bǔ)給是靶區(qū)內(nèi)唯一補(bǔ)給源，采用斷面法計(jì)算［16］（圖4）：

圖4 額仁淖爾水源地靶區(qū)計(jì)算斷面分布圖Fig.4 Distribution of calculation section of Erennur water source target area

計(jì)算公式：

式中：Q側(cè)補(bǔ)—地下水地下徑流流入量，104m3·a-1；L—計(jì)算地下水徑流斷面長(zhǎng)度，m；M—含水層厚度，m；K—滲透系數(shù)，m·d-1；I—地下水的水力坡度，‰；α—地下水流向與計(jì)算斷面法線間夾角，（°）。

由計(jì)算可知，水源地靶區(qū)內(nèi)白堊系碎屑巖類孔隙水天然補(bǔ)給量為213.24×104m3·a-1。

3.2 儲(chǔ)存量計(jì)算

儲(chǔ)存量計(jì)算面積是利用鉆孔對(duì)靶區(qū)內(nèi)含水層面積采用泰森剖分多邊形分割（圖5），然后在圖上量取實(shí)際面積，其余參數(shù)直接利用前人資料成果。計(jì)算公式：

圖5 額仁淖爾水源地靶區(qū)地下水儲(chǔ)存量計(jì)算分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of groundwater storage calculation of Erennur water source target area

式中：V儲(chǔ)承—承壓水儲(chǔ)存量，億m3；V彈承—彈性儲(chǔ)存量，億m3；V容承—靜儲(chǔ)量，億m3；μ*—彈性釋水系數(shù)；μ—給水度；F—含水層分布面積，m2；h—平均承壓水頭高，m；M—平均含水層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，靶區(qū)內(nèi)地下水靜儲(chǔ)量為12.62×108m3，彈性儲(chǔ)量為0.18×108m3，合計(jì)12.80×108m3。

4 地下水可開采潛力分析

4.1 可開采量計(jì)算

水源地靶區(qū)含水層巖性主要為含礫中粗砂巖和砂巖。含水層厚度較大，水量豐富，根據(jù)前面的資源計(jì)算可見，水源地靶區(qū)內(nèi)地下水天然補(bǔ)給量不多，靜儲(chǔ)量很大，根據(jù)水源地靶區(qū)地下水資源計(jì)算結(jié)果，水源地靶區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量為213.24×104m3·a-1。地下水靜儲(chǔ)量12.62×108m3。因此，按天然補(bǔ)給量的50%［4］作為地下水的可開采資源量具有較高的保證程度（計(jì)算結(jié)果見表1）。

表1 額仁淖爾水源地靶區(qū)地下水可開采資源量計(jì)算表Table 1 Calculation table of exploitable groundwater resources of Erennur water source target area

4.2 可開采潛力分析

對(duì)地下水潛力評(píng)價(jià)是正確認(rèn)識(shí)地下水開發(fā)利用程度的手段［8，17］。正確的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)地下水資源分布特點(diǎn)、地下水開采潛力和利用精細(xì)程度將有一個(gè)清晰的把握。本次評(píng)價(jià)主要考慮地下水的開采盈余量。

地下水開采潛力依據(jù)開采潛力指數(shù)［6］作為判定標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算公式為：

式中：P—地下水開采潛力指數(shù)；Q可開采量—地下水可開采量，104m3·a-1；Q現(xiàn)狀開采量—地下水現(xiàn)狀開采量，104m3·a-1。

P值的判別指標(biāo)如下：P＞1.2，有開采潛力，可擴(kuò)大開采；1.2≥P≥0.8，采補(bǔ)平衡區(qū)；P＜0.8 潛力不足，已超采。

該地區(qū)白堊系碎屑巖類裂隙孔隙水水質(zhì)普遍較差，礦化度一般介于2.92～8.55 g·L-1之間，最高可達(dá)12.88 g·L-1，不適宜作為生活飲用水。靶區(qū)內(nèi)主要為牧民及牛羊用水，總體人口密度較低，開采程度低，現(xiàn)狀開采量按分散牧民人數(shù)及牲畜總數(shù)量，按供水定額計(jì)算，水源地靶區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀開采量為3.20×104m3·a-1。

根據(jù)地下水可開采資源量計(jì)算和現(xiàn)狀開采量統(tǒng)計(jì)，對(duì)靶區(qū)進(jìn)行地下水資源潛力分析。分析結(jié)果見表2。

由表2 可見，靶區(qū)地下水開采潛力指數(shù)為32.32，屬有開采潛力區(qū)，可擴(kuò)大開采。

表2 額仁淖爾水源地靶區(qū)地下水開采潛力分析表Table 2 Analysis of groundwater exploitation potential of Erennur water source target area

5 可增加開采量評(píng)價(jià)

本次采用干擾井群法模擬試驗(yàn)來評(píng)價(jià)圈定水源地靶區(qū)地下水可增加開采量的保證程度，并預(yù)測(cè)其可開采年限。

5.1 布井方案

根據(jù)靶區(qū)內(nèi)已有鉆孔的抽水資料，影響半徑最大為274 m，最小為161 m，考慮到本區(qū)天然補(bǔ)給量較小，因此生產(chǎn)井的布置要考慮有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定開采，井距不宜太小，最終確定合理井距1 km，采用管井開采方式，依據(jù)已有鉆孔，擬在靶區(qū)中心地帶橫向排列布設(shè)4 眼開采井（圖6），設(shè)計(jì)井深220 m，依據(jù)可增加開采量計(jì)算結(jié)果，抽水井總量為2 800 m3·d-1，每眼井開采量為700 m3·d-1。

圖6 額仁淖爾水源地靶區(qū)開采井?dāng)M布置方案圖Fig.6 Proposed layout of mining wells in the target area of Erennur water source target area

5.2 水文地質(zhì)條件概化

根據(jù)前人抽水試驗(yàn)取得的參數(shù)，對(duì)選取的水源地水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化。靶區(qū)內(nèi)已有鉆孔資料顯示，承壓水含水層基本為各向同性，因此各種參數(shù)取其平均值。其中導(dǎo)水系數(shù)概化為111.48 m2·d-1，彈性釋水系數(shù)概化為0.000 17，將開采區(qū)的外圍作為無限邊界，開采時(shí)間按1、5、10、20 和30 a 計(jì) 算。

5.3 確定計(jì)算公式，計(jì)算降深值

根據(jù)概化后的水文地質(zhì)條件，可選用承壓水完整井井群干擾非穩(wěn)定流理論公式［3］計(jì)算：

式中：S—觀測(cè)井的水位下降值，m；Qi—各井抽水量，m3·d-1；W（ui）—井函數(shù)；ui—井函數(shù)自變量；ri—抽水井至觀測(cè)井距離，m；μ*—含水層彈性釋水系數(shù)；T—含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2·d-1；t—抽水延續(xù)時(shí)間，d。

5.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)布井方案，4 個(gè)井的中心點(diǎn)受干擾最強(qiáng)，可作為水位降深預(yù)報(bào)點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 井群對(duì)中心預(yù)報(bào)點(diǎn)的干擾降深計(jì)算表/mTable 3 Calculation table of interference drawdown of well group to central prediction point

圖8 水位降速變化趨勢(shì)圖Fig.8 Variation trend of water level deceleration

由表3 可見，在開采30 a 后，最大水位降深19.67 m，未超過含水層頂板，且在開采20 a 后，水位基本趨于穩(wěn)定（圖7、8），因此，按可增加開采量2 800 m3·d-1布局開采是有保證程度的。

圖7 水位降深變化趨勢(shì)圖Fig.7 Variation trend of water level drawdown

6 結(jié) 論

圈定的水源地靶區(qū)地下水天然補(bǔ)給量為213.24×104m3·a-1，地下水靜儲(chǔ)量12.80×108m3，開采潛力指數(shù)為32.32，可增加開采量為103.42×104m3·a-1，有開采潛力，可擴(kuò)大開采。按可增加開采量2 800 m3·d-1布局，開采30 a 后，最大水位降深19.67 m，未超過含水層頂板，且在開采20 a后，水位基本趨于穩(wěn)定。

本次得出的結(jié)論可為今后礦床開采供水提供參考，建議下一步在圈定的水源地靶區(qū)內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證。