地下水取水建筑物在地下水高效取水中的應(yīng)用效果研究

鐘耀斌

(寶雞市地下水管理監(jiān)測(cè)中心,陜西 寶雞 721001)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)水資源的需求量與消耗量十分巨大。水資源短缺問(wèn)題將直接影響到居民的生活質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)、工業(yè)的發(fā)展,因此近年來(lái)地下水資源受到了極大的重視［1-2］。馬九杰等［3］基于雙重差分與三重差分模型,分析了地下水資源管理政策對(duì)馬鈴薯種植戶節(jié)水技術(shù)采納程度的影響。李任政等［4］結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法(Fuzzy comprehensive evaluation,FCE)和層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)構(gòu)建了FCE-AHP耦合模型,對(duì)地下取水工程取水許可延續(xù)進(jìn)行全面客觀的綜合后評(píng)估。田龍等［5］以新疆地區(qū)為例,探討了地下水取用水量的審核重要性,并提出了一種基于單位耗電量的地下水取用水量的計(jì)算方法,為地下水取用水量審核工作提供了數(shù)據(jù)支持。

綜上可以看到,地下水取水工作受到許多學(xué)者的關(guān)注和重視,但當(dāng)前的研究成果中對(duì)于地下水高效取水方式的研究較少。因此,本文針對(duì)地下水取水建筑物在地下水高效取水中的應(yīng)用展開探討,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,以進(jìn)一步提升地下水取水效率,對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)發(fā)展都有積極意義。

1 研究區(qū)域概況

本文選擇的研究區(qū)域在綏德縣東南邊境的縣棗林坪河谷區(qū),屬于西北內(nèi)陸。由于地理位置和季風(fēng)的影響,該地區(qū)形成了較為獨(dú)特的氣候特點(diǎn),春季氣溫提升速度快,降水量較少;夏季氣溫較高,且降水量較大;秋季氣溫較低,空氣較為濕潤(rùn);冬季溫度低,但降雨和降雪頻率低,封凍期長(zhǎng)。該地區(qū)的鹽巖儲(chǔ)藏量十分龐大,約為1.5×1012t,因此鹽化工業(yè)極為發(fā)達(dá)。該地區(qū)的降水量年內(nèi)分配并不均勻,降水一般集中在7-9月份,見圖1。

圖1 綏德縣年降水量

該區(qū)域的地下水主要有兩種,分別為第四系松散巖類孔隙潛水和三疊系碎屑巖類裂隙水。其中,第四系松散巖類孔隙潛水主要在河漫灘中儲(chǔ)藏,在一級(jí)階地中也有所分布［6-7］。黃河河谷區(qū)的地勢(shì)相對(duì)而言坡度較小,第四系沖洪積含水層較厚,結(jié)構(gòu)相對(duì)而言不夠緊密,孔隙率較大,也因此具備較好的透水性,而地下水往往會(huì)存附在地層的孔隙之中［8］。三疊系碎屑巖類裂隙水是指賦存在三疊系碎屑巖類裂隙中的地下水［9-10］。

針對(duì)第四系沖洪積層孔隙含水層和三疊系碎屑巖類裂隙含水層進(jìn)行鉆孔抽水試驗(yàn),結(jié)果見表1。鉆孔條件為孔徑271mm、孔壁降深5m。在第四系沖洪積層孔隙含水層鉆孔抽水試驗(yàn)中,Z1孔位于研究區(qū)上游漫灘中部的水量較貧乏區(qū),該鉆孔的各項(xiàng)屬性表明含水層巖性主要是泥質(zhì)粉細(xì)砂,并存在含泥砂礫卵石。Z2孔位于研究區(qū)中游漫灘前緣的水量豐富區(qū),該鉆孔的各項(xiàng)屬性表明含水層巖性主要是泥質(zhì)粉細(xì)砂,并存在含泥砂礫卵石。Z3孔和Z4孔分別位于研究區(qū)下游距離黃河水邊線5.6和19.8m處,為水量貧乏區(qū),這兩個(gè)鉆孔的各項(xiàng)屬性表明含水層巖性主要是泥質(zhì)粉細(xì)砂、含泥砂礫卵石以及淤泥質(zhì)夾層。在三疊系碎屑巖類裂隙含水層鉆孔抽水試驗(yàn)中,Z1孔和Z4孔分別位于研究區(qū)上游石窖溝口以及下游支溝口的水量較貧乏區(qū)的風(fēng)化裂隙帶內(nèi),這兩個(gè)鉆孔的各項(xiàng)屬性表明含水層巖性主要為中細(xì)粒砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。Z2孔和Z3孔的各項(xiàng)屬性則表明含水層巖性主要為完整砂泥巖互層。

表1 鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果

2 取水建筑物取水效果及方案優(yōu)化

在進(jìn)行地下水取水建筑物取水效果計(jì)算時(shí),首先需要對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地下水二維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型建模。參考已有水文地質(zhì)概念模型的相關(guān)研究成果［11-12］,綜合研究區(qū)的地下水存附狀況,研究構(gòu)建地下水二維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型,公式如下:

(1)

式中:H為地下水位標(biāo)高,m;K為滲透系數(shù),m/d;x,y為研究區(qū)域的坐標(biāo)變量,m;xi,yi為開采井i的坐標(biāo)位置,m;h0為初始水位標(biāo)高,m;h1為一類邊界水位標(biāo)高,m;Kr為黃河河床介質(zhì)的垂向滲透系數(shù),m/d;Mr為黃河河床介質(zhì)的厚度,m;qr為黃河及支流與地下水的交換水量,m3/d;Qi為開采井i的開采量,m3/d;n為二類邊界的外法線;D為研究區(qū)域;r2為二類邊界。

基于上述內(nèi)容,研究構(gòu)建地下水二維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型,公式如下:

(2)

式中:t為時(shí)間,d;μ為給水度。

根據(jù)式(1)和式(2),可以進(jìn)行地下水取水建筑的取水量計(jì)算。目前,較為常見的地下水取水建筑有傍河管井、廊道、輻射井及滲流井等。分析研究區(qū)域的地質(zhì)、水文等,根據(jù)分析結(jié)果,通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)計(jì)算在研究區(qū)域采用傍河管井、廊道、輻射井及滲流井等地下取水建筑的允許開采量。

首先驗(yàn)證傍河管井在研究區(qū)域的允許開采量。設(shè)計(jì)井間距方案有3種,分別為100m(開采井?dāng)?shù)24眼)、150m(開采井?dāng)?shù)16眼)以及200m(開采井?dāng)?shù)12眼);單井開采量方案也為3種,分別為1 600、1 800、2 000m3/d。兩兩組合,共得到9種開采方案。根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算地下水開采效果,各方案的開采效果見圖2?？梢钥吹?開采量與開采井的降深總體呈正相關(guān)關(guān)系,且若開采量較大時(shí),應(yīng)采用單井開采量小而開采井?dāng)?shù)多的開采方案?；谘芯繀^(qū)域的實(shí)際情況,采用第二種開采方案,即單井開采量1 800m3/d、開采井?dāng)?shù)24眼。

重復(fù)上述內(nèi)容,計(jì)算得到廊道開采的最佳方案為距潛水面5m,降深5m。在該方案下,當(dāng)黃河處于平水期時(shí),廊道出水量達(dá)到64 633.79m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),廊道的出水量達(dá)到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d。輻射井的取水工程結(jié)構(gòu)平面圖見圖3。

圖2 各方案的開采效果

圖3 輻射井的取水工程結(jié)構(gòu)平面圖

通過(guò)計(jì)算結(jié)果,并綜合考慮研究區(qū)域輻射井建設(shè)成本等因素,在利用輻射井作為地下取水建筑物進(jìn)行地下水開采時(shí),方案采用17眼輻射井開采方案。在該方案下,當(dāng)黃河處于平水期時(shí),輻射井的出水量達(dá)到37 525.66m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),輻射井的出水量達(dá)到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d。滲流井的取水工程結(jié)構(gòu)平面圖見圖4。

圖4 滲流井的取水工程結(jié)構(gòu)平面圖

在滲流井的設(shè)計(jì)方案中,共設(shè)計(jì)兩種方案,分別為方案1(7口5硐室)和方案2(7口4硐室)。在上述兩種滲流井的設(shè)計(jì)方案中,豎井間距相同,均為400m;硐室的平面位置設(shè)計(jì)也相同,均為黃河平水期水邊線。兩種方案的硐室間距不等,7口5硐室方案下,間距設(shè)置為60m;7口4硐室方案下,間距設(shè)置為70m。各硐室在進(jìn)行滲流孔施工時(shí),均朝斜上方進(jìn)行,且保證每根滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為1～3m之間。在進(jìn)行滲流孔布置時(shí),其位置主要位于黃河河床上,平巷則沿著黃河在枯水期時(shí)的水邊線進(jìn)行布置?；谏鲜鰞?nèi)容,再利用相應(yīng)的剖分形式,對(duì)各方案下的滲流井取水效果進(jìn)行計(jì)算和分析。在研究區(qū)域,兩種方案的滲流井布置位置見圖5。

圖5 兩種方案的滲流井布置位置

通過(guò)計(jì)算獲取兩種方案的取水效果,結(jié)果發(fā)現(xiàn)5硐室滲流井的取水效果明顯優(yōu)于4硐室。通過(guò)計(jì)算結(jié)果,并綜合考慮研究區(qū)域滲流井建設(shè)成本等因素,在利用滲流井作為地下取水建筑物進(jìn)行地下水開采時(shí),采用方案1來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該方案下,當(dāng)黃河處于平水期時(shí),滲流井的出水量可以達(dá)到66 115.28m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),滲流井的出水量可以達(dá)到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d。可以看到,與其他地下水取水建筑物相比,滲流井的取水效果更好。因此,采用滲流井進(jìn)行研究區(qū)域的地下水取水工作。

現(xiàn)有研究成果表明,在利用滲流井進(jìn)行地下水取水時(shí),硐室數(shù)量的增加有利于滲流井取水量的增加。在本研究采用的方案中,為7口5硐室,豎井間距400m;硐室的平面位置為黃河平水期水邊線。各硐室在進(jìn)行滲流孔施工時(shí),均朝斜上方進(jìn)行,且保證每根滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為9m。在進(jìn)行滲流孔布置時(shí),其位置主要位于黃河河床上,平巷則沿著黃河在枯水期時(shí)的水邊線進(jìn)行布置。抽水為定降深5m抽水。

研究對(duì)該方案進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,優(yōu)化方案如下:滲流井硐室沿黃河枯水期水邊線布置,以獲得更大的出水量;滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為9m,直徑為0.11m,在保障取水效率的同時(shí),還能夠控制施工成本并保障施工安全;綜合考慮滲流井的地下水取水效果和施工成本、施工安全等因素,取單井5硐室。

3 優(yōu)化地下水取水方案的效果分析

在綜合考慮研究區(qū)域傍河管井、廊道、輻射井以及滲流井等地下取水建筑建設(shè)成本等因素后,研究選取各地下取水建筑進(jìn)行地下水取水工作的最佳方案設(shè)計(jì),并計(jì)算各方案下的取水量。經(jīng)過(guò)對(duì)比后,研究選擇滲流井進(jìn)行研究區(qū)域的地下水開采工作。為驗(yàn)證滲流井在研究區(qū)域的地下水開采工作中的應(yīng)用效果,將其與傍河管井、廊道、輻射井等地下取水建筑的地下水開采效果進(jìn)行對(duì)比,見表2。

表2 滲流井、傍河管井、廊道、輻射井等地下取水建筑的地下水開采效果對(duì)比

由表2可以看到,傍河管井的平水期開采量為25 139.86m3/d,枯水期開采量為17 089.93m3/d,在枯水期的開采量衰減幅度為32.02%,相對(duì)較小,但通過(guò)傍河管井進(jìn)行地下水開采的效果較差,因此在研究區(qū)域不適合采用傍河管井。當(dāng)黃河處于平水期時(shí),廊道的出水量達(dá)到64 633.79m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),廊道的出水量達(dá)到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d,開采量衰減幅度為44.73%,衰減程度巨大。當(dāng)黃河處于平水期時(shí),輻射井的出水量達(dá)到37 525.66m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),輻射井的出水量達(dá)到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d,開采量衰減幅度為39.72%,衰減程度巨大。當(dāng)黃河處于平水期時(shí),滲流井的出水量達(dá)到66 115.28m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),滲流井的出水量達(dá)到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,開采量衰減幅度為25.71%,衰減程度與其他地下水取水建筑物相比較小。因此,研究區(qū)域采取滲流井作為地下水取水建筑物的取水效果最好。

為進(jìn)一步提高滲流井的優(yōu)化效果,本研究在滲流井布置方案1的基礎(chǔ)上,提出了優(yōu)化方案。為驗(yàn)證優(yōu)化方案對(duì)地下水取水的優(yōu)化效果,以方案1為基礎(chǔ),每次僅改變滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度或滲流孔直徑。其中,方案1下的滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為9m,研究改變滲流孔長(zhǎng)度分別為7、12及14m。方案1下的滲流孔直徑為0.073m,研究改變滲流孔直徑分別為0.110、0.145及0.180m。比較各方案下的出水量,見圖6。

圖6 不同滲流孔伸入長(zhǎng)度和直徑下的出水量

由圖6(a)可知,滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度與總出水量總體呈正相關(guān)關(guān)系,但滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度越大,其曲線的斜率越小。表明當(dāng)滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度越大時(shí),增加其長(zhǎng)度后出水量的增長(zhǎng)幅度越小。可以看到,當(dāng)滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為12m時(shí)和滲流孔伸入第四系的長(zhǎng)度為14m時(shí),兩種方案下的總出水量相當(dāng)。綜合考慮施工難度與成本,選用12m更佳,這與研究設(shè)計(jì)方案一致。

由圖6(b)可知,滲流孔直徑與總出水量總體呈正相關(guān)關(guān)系,但滲流孔直徑越大,其曲線的斜率越小。表明當(dāng)滲流孔直徑越大時(shí),增加其長(zhǎng)度后出水量的增長(zhǎng)幅度越小?？梢钥吹?當(dāng)滲流孔直徑為0.110、0.145和0.180m,3種方案下的總出水量差距非常小。鑒于滲流孔直徑越大,施工難度越大,施工成本越高,因此綜合考量下,滲流孔直徑取0.110m最佳,這與研究設(shè)計(jì)方案一致。

比對(duì)優(yōu)化方案與滲流井布置方案1的取水效果,見表3。由表3可知,在優(yōu)化方案下,平水期開采量增加36 545.23m3/d,枯水期開采量增加28 992.66m3/d,開采量衰減程度降低1.81%。綜上所述,研究所提出的優(yōu)化方案的地下水取水效果更佳,更適用于研究區(qū)域的地下水開采工作。

表3 優(yōu)化方案的取水效果分析

4 結(jié) 論

地下水取水建筑物的取水效果關(guān)系到當(dāng)?shù)厮Y源的獲取與應(yīng)用,進(jìn)而影響到當(dāng)?shù)氐墓I(yè)發(fā)展與生活質(zhì)量。因此,本文探討了地下取水建筑物在研究區(qū)域的地下水取水效果,并對(duì)滲流井的布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果顯示,當(dāng)黃河處于平水期時(shí),滲流井的出水量達(dá)到66 115.28m3/d;當(dāng)黃河處于枯水期時(shí),滲流井的出水量可達(dá)到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,開采量衰減幅度為25.71%,衰減程度與其他地下水取水建筑物相比較小。在優(yōu)化方案下,平水期開采量增加36 545.23m3/d,枯水期開采量增加28 992.66m3/d,開采量衰減程度降低1.81%。綜上所述,研究所提出的優(yōu)化方案的地下水取水效果更佳,更適用于研究區(qū)域的地下水開采工作。