城市地下水备用水源取水方式确定及允许开采量计算

2016-05-23陈近中

地下水 2016年2期

关键词：平水出水量开采量

陈　鹏，陈近中，刘　桃，曹　磊

(四川省地质工程勘察院，四川成都 610072)

城市地下水备用水源取水方式确定及允许开采量计算

陈鹏，陈近中，刘桃，曹磊

(四川省地质工程勘察院，四川成都 610072)

[摘要]城市地下水备用水源是水污染突发事件中城市生活用水的重要保障，在开发利用城市地下水备用水源的同时既要考虑经济问题也要避免影响城市地下水环境。通过数值模拟的方法来解决城市地下水备用水源建设过程中遇到的取水方式选择和取水量确定的问题，为科学建设城市地下水备用水源提供依据。

[关键词]地下水；备用水源；取水方式；允许开采量

近年来，环境污染问题日益突出，城市水资源短缺问题越来越严重，城市水安全文问题已经成为制约经济发展的重大难题，甚至影响着社会的安全和稳定。由于城市人口集中，居民生活用水量大，而地表水极易被污染，因此城市地下水备用水源一般以具有一定储存规模、水量稳定、水质优良、开采条件较好的地下水为主。

备用水源具有“应急”、“备用”、“水质要求高”三层含义。备用水源一旦动用，要求在短期内较大规模地取用应急水，不可避免地会在不同程度上影响地下水环境，因此应该对应急水的取用条件和取用量加以界定和限制。这样一来备用水源的取水方式和允许开采量就只摆面我们面前的一道难题。

1研究区水文地质条件

西藏措美县位于西藏南部，属于西藏山南地区。区内特定的地形地貌、地层岩性和地质构造综合控制下，地下水的分布十分不均，赋存条件差。措美县是一个水资源极其贫乏的地区，资源型缺水与工程型缺水并存，水资源短缺严重制约着措美的经济发展。措美县人口较少，规模800 m3/d的备用水源即能满足县城的中长期规划用水需求。据调查研究区局部有赋存条件相对较好的含泥质砂砾卵石层，虽然分布范围有限，但所赋存的地下水却具有一定的供水价值。

当许雄曲河谷措美电站段主要分布于当许雄曲河谷区措美电站至县委农场段漫滩及一级阶地，沿当许雄曲河床两侧呈条带状展布，长约3.5 km，宽350～950 m，地势平坦、开阔，基本上不遭受洪水的危害，现为少量草场，污染轻，地质环境条件好。含水层主要由全新统冲积砂卵石、含泥质砾石等组成。据钻孔资料，地下水埋深一般为1.0～1.8 m，单井统降涌水量为128.40～131.46 m3/d，平均统降涌水量为129.93 m3/d，影响半径54～63 m，渗透系数1.994～5.638 m/d，属单井涌水量100～1 000 m3/d的富水等级。地下水水质总体较好。

据计算，该区内天然状态下地下水资源量为74.97×104m3/a，主要由大气降水入渗补给为主。流经该区的当许雄曲流量为2.325～13.282 m3/s，与地下水联系十分密切，当采取傍河开采地下水时，地表水的渗漏补给将成为开采井的主要补给量，故该区内可建设一个傍河型小型地下水备用水源地，作为措美县城的应急供水水源。

2水文地质概念模型及边界概化

计算区为当许雄曲河谷措美电站段水源地，地下水资源具有开发利用前景的主要为第四系全新统冲积砂卵石、含泥质砾石含水层及侏罗系基岩风化带。

计算区内地下水主要补给方式为大气降水入渗补给，进行傍河开采时，地表水的渗漏补给将成为取水工程的主要补给源。进入地下的水以所在支沟域为单元，其径流、排泄主要受地形条件控制，地下水顺地势从支沟分水岭高处向沟谷低处径流，就近排泄于沟谷，再以表流形式流入当许雄曲。排泄方式主要为向地表水的排泄、人工开采以及地下水浅埋区的潜水蒸发蒸腾排泄。

计算区的北部和南部为基岩山区，可概化为隔水边界；计算区的东部为侧向补给边界，西部为侧向排泄边界，边界处地下水侧向渗入强度受大气降水强度及当许雄曲上游地下水侧向流入、流出强度的控制，均可概化为二类边界；计算区内的主要河流为当许雄曲，在天然条件下，地下水在接受大气降水入渗补给，及融雪补给后向当许雄曲排泄，在未来开采条件下，将激发当许雄曲河水渗漏补给地下水，可将当许雄曲概化为第三类河流边界。计算区的顶面为潜水面，在该面上发生着降水入渗、潜水蒸发等垂向水交换作用，可概化为潜水面边界。基岩风化带以下基岩结构致密，裂隙不发育，构成区域隔水底板[1-2]。

3各取水方式模拟计算

结合研究区的水文地质条件，考虑采用大口井、廊道或辐射井三种形式开采地下水。

3.1大口井

大口井开采方案根据抽水试验资料设计了三种井间距和三种单井开采量，分别为井间距60 m(6眼)、井间距80 m(5眼)、井间距100 m(4眼)；单井开采量 100 m3/d，150 m3/d，200 m3/d。这样分别两两组合成了九种开采方案

根据水均衡原理，采用平面二维稳定流数值模型，对各方案作用下的地下水水位降深进行计算。计算中利用调查期间所收集资料将当许雄曲河流刻画为第三类河流边界,河流渗漏性能参数C采用调参结果取0.31。最后以降深场的形式绘出各点元最终降深值，并通过各方案的开采量与最大降深关系确定管井开采方式下的最佳开采方案。计算结果见图1。

图1　最大降深与总开采量关系图

根据计算结果，在开采井数相同的条件下，随着单井开采量的增大，井间干扰增大，各开采方案的最大降深也随之增大。对比单井开采量相同的各开采方案，在一定范围增加单井开采量能显著提高总开采量，因为此时的单井开采量相对于井间距来说影响不大，井间干扰较小，未产生明显的降深叠加，而当单井开采量增大到一定范围时，由于此时的单井开采量过大，井间距相对较小，井间干扰增大降深叠加显著。综合对比九种开采方案，建议采用第井间距80 m(5眼)，单井开采量为200 m3/d的方案，总开采量1 000 m3/d。在该开采方式下，当枯水期到来时，若要维持目前的水位降深，需要减少单井开采量，通过枯水期的非稳定流数值模型计算，当单井开采量减少至120 m3/d时满足要求，此时的总开采量为600 m3/d，与平水期相比衰减了40%。

3.2廊道开采

廊道开采计算采用改进的“渗流-管流”耦合模型，以“井管-含水层之间的交换量”为耦合点，与有限差分网格耦合，建立研究区廊道开采方式的地下水三维稳定流数学模型进行计算。原“渗流-管流”耦合模型[3-4]通过引入等效渗透系数的概念建立数学模型，与原“渗流-管流”耦合模型相比，改进的“渗流-管流”耦合模型[5]更能有效的刻画井管周边的三维流，计算结果更为准确。

在沿当许雄曲岸边选择适当的位置设计廊道开采方式。在当许雄曲措美电站段底部布设一条长200 m的廊道，廊道横截面宽2 m，高2 m。廊道顶面埋深分别取2～6 m之间的整数，各埋深条件下对应的降深分别为1～6 m之间的整数，这样两两组合成20种不同埋深廊道在不同降深条件下的计算方案。采用前述改进的“渗流—管流耦合模型”分别对其进行运算。

根据计算结果，在降深相同的条件下，廊道的埋深对其出采量的影响不大。随着廊道埋深的减小，出水量略有增大，随着降深的增加，出水量有显著的增加。综合对比分析采用埋深5米，降深5 m的方案开采地下水，该方案平水期廊道出水量为1 328.12 m3/d，枯水期出水量891.32 m3/d，与平水期相比衰减了33%。

3.3辐射井开采

辐射井开采的计算同廊道开采的计算采，采用改进的“渗流-管流”耦合模型，以“井管-含水层之间的交换量”为耦合点，与有限差分网格耦合，建立研究区辐射井开采方式的地下水三维稳定流数学模型[6-7]进行计算。

根据地水文地质条件，在沿当许雄曲岸边选择适当的位置设计辐射井开采方式。考虑井和井之间的干扰影响，在研究区设计了2眼大口径辐射井的方案开采地下水，2眼辐射井竖井之间间距为200 m。距当许雄曲平水期水边线50 m，每眼辐射井设置八根辐射管，其中两根平行河流的辐射管长50 m，垂直河流伸向漫滩方向的辐射管长40 m，其余辐射管垂直河流呈扇形展布，辐射井竖井深度为20 m。

在辐射井取水量计算中，计算了当许雄曲平水期、枯水期条件下2眼辐射井方案的取水量。各辐射井在单井作用和群井作用下的取水量计算结果见表1～表4。

根据计算结果，无论是平水期还是枯水期，各辐射井在单井作用或群井作用下的出水量均随着竖井降深的增大而增大，但增加幅度有所减少，因辐射井单井作用下无井间干扰，故此时的单井出水量为其最大出水量，在群井作用时，由于井间干扰，在竖井降深不大的情况下，各辐射井之间的降深叠加影响较小，而当降深增大到一定程度时，因抽水形成的降落漏斗扩大，影响半径增大，井间干扰也随之增大，综合考虑采用竖井降深5 m，2眼辐射井平水期总出水量为1 665.61 m3/d，枯水期总出水量为1 139.20 m3/d，与平水期相比衰减了31%。

表1　平水期辐射井单井作用取水量计算结果一览表

表2　平水期辐射井群井作用取水量计算结果一览表

表3　枯水期辐射井单井作用取水量计算结果一览表

表4　枯水期辐射井群井作用取水量计算结果一览表

4开采方案比较

综合前述推荐大口井、廊道、辐射井各开采方式作用下，根据计算结果可知大口井开采方式随着抽水量的增加，其降深显著增大，枯水期衰减40%；廊道开采方式中平水期以推荐方案开采地下水总可开采量为1 328.12 m3/d，枯水期的总开采量为891.32 m3/d，枯水期衰减33%，衰减较剧烈，不过取水效果略优于大口井；辐射井开采方式平水期地下水总开采量为1 665.61 m3/d，枯水期总开采量为1 139.20 m3/d，枯水期衰减32.0%，衰减量也较大，但其取水效果优于大口井和廊道。

对比这三种取水方式取水效果表明，廊道、辐射井等非管井集水建筑物在区内取水效果比传统管井方式要好，且辐射井的取水效果要略优于廊道。从经济和运行管理方面考虑，大口井开采方式出水量较小，井数过多后不便于运行管理，其优点是开采成本及后期维护成本较低，在需水量满足要求的条件下，可以采用大口井方式开采备用水源内地下水；辐射井开采方式出水量较大，井数少，便于管理，但其开采成本及后期维护成本较高；而廊道开采方式便于管理，其开采成本及后期维护成本介于大口井与辐射井之间。城市地下水备用水源取水方式和取水量的选择可在此计算结果上结合城市自身地下水环境承载力和经济情况进行合理选取。

5结语

综上所述，在城市地下水备用水源是水污染突发事件中城市生活用水的重要保障，在开发利用城市地下水备用水源的同时需避免影响城市地下水环境，通过科学的模拟计算，综合考虑取水效果、地下水环境承载力，以及城市经济实力设计合适的取水方式和取水量是保证合理开发利用地下水资源，建好城市地下水备用水源的重要措施。

参考文献

[1]陈崇希，林敏．地下水动力学[M]．武汉：中国地质大学出版社.1999.

[2]郭东屏．地下水动力学[M]．西安：陕西科学技术出版社.1994.

[3]陈崇希，万军伟，詹红兵，等．“渗流-管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟[J]．水文地质工程地质.2004,31(1):1-8．

[4]陈崇希，林敏．渗流—管流耦合模型及其应用综述[J]．水文地质工程地质.2008 (3):70-75．

[5]陈鹏，王娟，王玮，等．木头峪水源地廊道取水允许开采量计算[J]．人民黄河.2011,33(10) :44-56．

[6]陈鹏，王玮．辐射井取水方式数值模拟方法[J]．人民黄河.2013,35 (4):48-50．

[7]王玮，畅俊斌，王俊杰．渗流井取水方式地下水允许开采量计算[J]．水文地质工程地质.2009 (1):35-43．

[中图分类号]P641.8

[文献标识码]B