邢高哲,沈春强,王万平,畅俊斌

(1.陕西地矿九○八环境地质有限公司,陕西 西安 710600;2.青海省环境地质勘查局,青海 西宁 810001)

1 研究区概况

1.1 地下水形成的自然条件

花土沟集中水源地位于柴达木盆地最西侧的子盆地阿拉尔盆地的西北部,隶属海西州茫崖市管辖,距花土沟镇70 km。区内北、西、南三面环山,中部及东部为冲洪积及冲湖积平原,属典型的高原大陆性气候。降雨稀少,多年平均降水量55.34 mm,气候干燥,多年平均蒸发量2 856.93 mm,寒冷,风大沙多,冬长夏短,四季不分明。区内随着海拔高度的增加降水量逐渐增高。研究区为内陆闭流型山间盆地。其水系不甚发育,无论是常年水流还是洪流沟谷,均呈放射状或聚合状分布,主要为源于山区以冰雪融水补给为主的常年性河流如斯巴利克河、阿达滩河,这两条河流主要靠降雨和冰雪融水补给,以流量变化大,出山后即渗失断流为特征,其渗失断流也是本次水源地主要的补给来源,另为平原区泉水汇成的泉集河,最终汇聚于尕斯库勒湖中。水源地周边地貌划主要为湖积、冲湖积平原、冲洪积平原、山麓斜坡堆积洪积平原、构造剥蚀高海拔丘陵,水源地位于冲洪积平原,主要为砂泥质砂砾石,基底岩性为泥岩。

1.2 水文地质条件

水源地南北两侧山前洪积平原及中部斯巴利克河—阿达滩河冲洪积平原的中部-后缘,为单一巨厚砂卵砾石的潜水层,从中部-前缘地带递变为上部潜水,下部为承压水的双层结构,它们为同一补给来源。由于所处地貌部位、埋藏条件和含水岩性的不同,其水量水质有明显的差别。水源地含水层岩性为泥砂卵石、泥砂砾石及粗砂砾卵石,水位埋深沿沼泽中心向南北两侧水位埋深逐渐增大,水源地揭露潜水含水层岩性主要为砂砾卵石,水位埋深4.03～19.96 m。含水层厚度202.60～82.45 m,渗透系数28.91～37.05 m/d,单井涌水量6 955.2～8 678.02 m3/d,水质较好(图1)。

图1 研究区水文地质构造图

地下水补给主要为南部斯巴利克河及阿达滩河地表水渗漏形成地下水径流补给,渗漏补给量为73.36×104m3/d。北部阿哈提山基岩裂隙水侧向径流和大气降水入渗对地下水补给作用较小。山前冲洪积平原是地下水的形成-径流带,此带沉积岩相为洪积—冲洪积砂砾卵石层,岩性单一,颗粒粗、厚度大,透水性强,地下水径流速度快,水循环交替积极。地下水以水平运动为主。山前平原地下水流向基本与洪积扇轴线方向相一致,由盆地周边的各个方向向盆地中心最低点汇集。地下水排泄方式为地下水溢出、蒸发蒸腾和人工开采。

补给来源较大,根据钻孔数据及抽水试验结果,计算经过水源地断面径流量24.78×104m3/d。

2 咸水倒灌的主要因素分析

根据上述区内自然条件及水文地质描述,水源地位于水源地阿拉尔盆地中北部,斯巴利克河—阿达滩河冲洪积平原地下水排泄的段,水源地周边有大量的泉集河及泉点,地下水埋深靠近排泄段较浅,由于低洼处地下水泄出形成面积不同的小湖,由于长时间的蒸发效应,湖中变咸,通过采样测试工作基本查明了地下水咸淡分区及地下水的水化学成分。研究区大部为咸水区,淡水区主要分布芒崖生活区西公路以南的青海省境内。工作区淡水区地下水类型主要以Cl·HCO3-Na·Ca和Cl·HCO3·SO4-Na·Ca型水,咸水区地下水类型主要为Cl-SO4-Na-Mg型、Cl-Na-Mg和Cl-Mg-Na型咸卤水。

水源地地下水开采从补给方面论主要源于地下水径流补给,从排泄方面看主要是袭夺北侧地下水蒸发,由于地下水开采的蒸发袭夺量不大,对水文-生态环境的影响较小。但是在水源地开采过程中如果集中开采,可能引起咸水倒灌入水源地,影响水质。

3 水文地质概念模型

工作区南部平原的水源地地下水拟开采井区,含水层主要为第四系砂砾卵石构成的单层结构的潜水含水层,地下水主要接受由南西向北东方向的地下水径流补给,水源地拟开采井揭露的含水层厚度大、富水性强,含水层分布范围广、具有统一的地下水流场。

根据工作区的水文地质条件,水源地地下水拟开采井区的水文地质概念模型可概化为:含水层均质、各向同性、等厚、无界、底板水平,为单层结构的大厚度潜水含水层,天然状态具有定常渗透流速的侧向地下水径流补给,地下水开采主要受控于地下水径流量及含水层厚度与水文地质参数等。

4 地下水流数学模型

图2 水源地开采井区地下水渗流平面图

坐标系旋转后,空间M点的新坐标与旧坐标关系可表示为:

基于水文地质概念模型及新坐标体系,可以建立平面二维地下水流数学模型,写为:

式中:s*为地下水位降深线性化变形参量(m);s为地下水位降深(m);H为 含水层初始厚度(潜水位基准取含水层底板)(m);h为 含水层剩余厚度(潜水位基准取含水层底板)(m);T为含水层导水系数(m2/d);K为 含水层渗透系数(m/d);μ为含水层给水度;V为地下水渗透流速(m/d);I为 地下水水力坡度;ne为 含水层有效孔隙度;Q为地下水开采量(m3/d);δ为δ函数;x＇oy＇,t分别为 新系坐标变量(m)和时间变量(d)。

求解上述数学模型可得到如下地下水单井开采的井流公式:

图3 水源地开采井群与计算点平面位置及其关系图

基于地下水单井开采稳定井流公式及旧坐标体系,地下水井群开采的稳定井流公式可表示为:

5 地下水开采方案设置

工作区共施工六眼探采结合井(ZK1～ZK6),ZK1抽水降深2.96 m的出水量7 107 m3/d,ZK2抽水降深3.00 m的出水量8 678 m3/d,ZK3抽水降深3.84 m的出水量8 544 m3/d,ZK4抽水降深8.32 m的出水量6 955 m3/d,ZK5抽水降深3.69 m的出水量7 277 m3/d,ZK6抽水降深3.35 m的出水量7 272 m3/d。ZK1～ZK6孔抽水降深3～4 m(仅ZK4孔降深大于8 m)的单井涌水量7 000～8 500 m3/d,推算降深5 m的单井涌水量均大于10 000 m3/d,探采结合孔ZK1～ZK6可以作为水源地的开采井。考虑到ZK3、ZK4孔距离北侧地下咸水区较近,不宜作为长期的地下水开采井,以避免地下咸水倒灌进入水源井;故设置ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔为水源地地下水的正常开采井,ZK3、ZK4孔水源地地下水的备用开采井。

水源地地下水开采预测设置三个方案,具体预测方案设置如下:

方案1:水源地地下水开采量2×104m3/d预测方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的单井开采量均为0.50×104m3/d;

方案2:水源地地下水开采量3×104m3/d预测方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的单井开采量均为0.75×104m3/d,为本次普查水源地预设的目标开采量;

方案3:水源地地下水开采量4×104m3/d预测方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的单井开采量均为1.00×104m3/d。

6 地下水开采预测与评价

水源地地下水开采预测模型选用具有均匀地下水径流补给的井群开采的稳定井流公式,地下水径流补给量以工作区南侧a-a＇断面地下水径流量为基准,开采井群为ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔。

水源地地下水开采预测的参数依据勘探与试验成果等给出,确定的计算参数:地下水流向与坐标系水平轴(y轴)的夹角α=39°,开采井井半径r=0.15 m,含水层渗透系数K=31.46 m/d,含水层给水度μ=0.08,含水层有效孔隙度ne=0.2,含水层厚度H=200 m,地下水水力坡度I=0.002 5;计算的含水层导压系数a=78 650 m2/d,地下水渗透流速V=0.393 3 m/d,预测模型的综合参数B=400 000 m。

水源地地下水开开采预测选取了973个计算点,将开采井点(ZK1、ZK2、ZK5、ZK6)与计算点的坐标(x,y)及计算参数代入水源地开采预测模型(井群开采的稳定井流公式),分别对方案1(开采量2×104m3/d)、方案2(开采量3×104m3/d)、方案3(开采量4×104m3/d)进行地下水开采降深预测,预测结果列入表1,编绘的水源地三个开采方案的地下水降深场预测图详见图4～图6。

表1 水源地开采布设方案环境问题(咸水倒灌)测算表

图4 水源地开采方案1(开采量2×104m3/d)的地下水降深场预测图

图5 水源地开采方案2(开采量3×104m3/d)的地下水降深场预测图

水源地地下水开开采方案1(开采量2×104m3/d)、方案2(开采量3×104m3/d)、方案3(开采量4×104m3/d)的开采井井壁最大预测降深值分别为3.87 m、5.83 m、7.81 m。方案1的单井开采量0.50×104m3/d、总开采量2×104m3/d,区域地下水降深1.49～3.87 m,地下水降深小,但总开采量也较小;方案2的单井开采量0.75×104m3/d、总开采量3×104m3/d,区域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深适中,地下水单井开采量接近抽水试验抽水量,地下水总开采量为水源地预设的目标开采量;方案3的单井开采量1.00×104m3/d、总开采量4×104m3/d,区域地下水降深3.00～7.81 m,地下水单井开采量接近推算的单井涌水量,地下水总开采量大,但地下水降深也大。

综述,本次水源地允许开采量推荐方案2,即推荐水源地开采量3×104m3/d的预测方案。水源地地下水允许开采量3×104m3/d仅为a-a＇断面地下水径流量21×104m3/d的1/7(约占14%),地下水单井开采量0.75×104m3/d接近抽水试验出水量,区域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深比较适中,基本不会导致环境水文地质问题;地下水开采从补给方面论主要源于地下水径流补给,从排泄方面看主要是袭夺北侧地下水蒸发,由于地下水开采的蒸发袭夺量不大,对水文-生态环境的影响甚微。