杜红磊，刘双才

(河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南 郑州 450001)

近年，西平县国民经济的不断快速发展，现有的水源地供水能力已难以满足城市生产和生活需要，为此迫切寻找新的水源地，建立新的供水厂。西平县位于洪河冲积平原，中深层地下水富水性好，补给条件好，水质优良，因此水源地选址在县城西侧的水泉汪。利用建立的水文地质模型，运用解析法计算水源地中深层地下水的允许开采量。

1 水源地水文地质条件

水泉汪水源地位于西平县城西部的洪河冲积平原上，地表为褐黄色粉质粘土。县域多年平均降水量为856 mm、蒸发量为1 478 mm。区内河流属于淮河水系，其中洪河为主要常年性流水河流，平均流量为8.35 m3/s，流量最大为855 m3/s，最小流量0.01 m3/s。

中深层地下水是主要开采层，含水层顶板埋深60 m左右，底板埋深250 m左右；含水层岩性主要为第四系冰湖相(Q11g1)的粉细砂、中粗细砂及含砾中粗砂，可见2～6层，砂层累计厚度50～65 m。依据抽水试验数据，充分考虑含水层厚度，同时结合钻孔单位涌水量的大小(见表1)，将研究区中深层地下水富水性统一按300 mm口径，在降深15 m时，按照单井涌水量大小划分为强富水区和富水区。

表1 试验孔单孔稳定流抽水试验成果表

水源地中深层地下水顶板隔水层埋藏深度较大，分布连续且厚度较大，阻断大气降水的入渗补给，中深层地下水与上覆浅层地下水由于粘土隔水层的存在而使得两者之间的水力联系微弱。天然条件下，地下水由西向东缓慢径流；现状条件下由于大规模开采地下水致使在周范水源地形成一个面积约为3 km2的降落漏斗，地下水流向改变为由周边流向漏斗中心径流，且水力坡度变大。现状人工开采(水源地开采量2.0万 m3/d)为水源地地下水的主要排泄方式。现漏斗中心处最大水位埋深达到26.10 m，年际水位最大变幅1.15～2.20 m。地下水水位变动主要受周范水源地开采强度的影响，水位呈周期性上下浮动，一般每年7-8月水位埋深较大，1-3月水位回升，但总体水位呈缓慢下降趋势。地下水化学类型为主要为HCO3-Ca型水、HCO3-Ca·Na·Mg型水及HCO3-Ca·Mg型水。

2 中深层地下水水文地质参数的选择

为准确求取水源地主要开采层位的水文地质参数，利用研究钻孔分别进行单孔稳定流抽水试验、多孔抽水试验和群孔抽水试验。其中多孔非稳定流抽水试验参数计算采用降深—时间量板法、直线图解法和水位恢复法三种不同的方法分别求取各项参数(计算结果见表2)。

表2 利用多孔抽水试验求取水文地质参数计算成果表

群孔抽水试验确定参数，采用正演实验法进行参数调试，即首先给出一组参数初值，然后代入群井干扰计算公式，分别计算各观测井各时段的水位降深值，同时对计算值与实测观测降深进行拟合分析，调整参数使其拟合误差达到最小为止，这样就得到一组具有代表性的参数。采用Theis单井计算公式如下:

(1)

式中：S为观测井降深；T为含水层导水系数；Q为抽水井流量；W(U)为泰斯井函数

其中：

式中：r为抽水井至观测井距离；u为开采层位弹性释水系数；t为抽水时间

由单井泰斯井函数可构造群井抽水的干扰井流公式如下：

(2)

式中：Qi为第i个抽水井流量；ri为抽水井到观测井的距离。

其他符号意义同前。

利用干扰井流公式对大型群孔干扰抽水试验抽水孔及有关观测井的水位进行了计算与拟合。拟合过程中，充分考虑的天然水位变化及局部水位变化对观测数据的影响，拟合情况较好。需要说明的是，抽水孔降深实测值包括了井中附加降深，把附加降深减掉，与计算值拟合也较好。通过对参数反复调整、计算值和观测值拟合对比分析，最终获得了一组具有代表性的水文地质参数(见表3)。

表3 大型群孔抽水试验求取水文地质参数计算成果汇总表

综合考虑两种计算的方法的适用性、计算结果等因素，计算区综合取值如下：

T=1 200(m2/d)，a=0.95×106(m2/d)。

3 解析法计算中深层地下水允许开采量

3.1 数学模型的建立

计算区位于洪河冲积平原上，中深层地下水在区内广泛稳定分布，含水层岩性以砂卵石、含砾中粗砂、中细砂为主，砂卵砾石颗粒粒径大、沉积厚度大且分布连续，为区内地下水储存提供了良好的空间。中深层地下水顶板为粘土层，该粘土层厚度大且分布连续，隔断了与上覆浅层地下水的水力联系。可将承压含水层其概化为均质各项同性、等厚，无限延伸，不考虑越流补给。

计算公式采用无限含水层承压水泰斯井流公式进行计算，单井公式为公式(1)；根据迭加原理，可导出其群井抽水泰斯干扰井流公式为公式(2)。

3.2 允许开采量计算及水位预报

按照设计要求及供水厂实际情况，本次中深层地下水开采拟定2套开采方案。第1方案是在新建水泉汪水源地新增3.00万 m3/d的开采量，同时保持城区现有开采量不变；第2方案在新建水泉汪水源地新增3.00万 m3/d的开采量，同时关闭城区全部自备井。根据抽水试验确定单井涌水量，按照总开采量设计水源地开采井18眼。利用解析法计算、评价水源地在设定降深条件下的允许开采量，设定设计开采年限为20 a。第1方案，在第20 a末新建水泉汪水源地中心处水位降深为22.50 m，水位埋深为46.54 m；现有水源地(周范水源地)中心处水位降深为15.53 m，水位埋深为40.51 m；中心城区处水位降深为14.22 m，水位埋深为43.72 m。第2方案，在第20年末新建水泉汪水源地中心处水位降深为22.11 m，水位埋深为46.15 m；老水源地(周范)中心处水位降深为15.12 m，水位埋深为40.51 m；中心城区处水位降深为12.41 m，水位埋深41.91 m。第1开采方案和第2开采方案时各观测井水位总降深曲线见图1和图2。

图1 第1开采方案各井水位总降深历时曲线

图2 第2开采方案各井水位总降深历时曲线

根据上述计算，两种方案开采20 a后各井中水位均高于含水层顶板，因此水位下降情况在允许范围内，两种开采方案均可行。

4 结语

本文利用水文地质试验(单孔、多孔及群孔抽水试验)，含水层参数计算利用多种计算分别求取，并对计算结果进行分析、比较和相互验证；采用解析法计算开采量，选用数学模型合理，通过计算两种方案在20 a后井中水位在允许范围内，不会产生地质环境问题。本成果对类似条件水源地水文地质参数求取、预测地下水允许开采量及水源地保护方案的确定具有一定的借鉴作用。