干扰井群法在地下水开采中的应用分析

赵中省,李友龙

(江苏省水文地质工程地质勘察院,江苏 淮安 223005)

我国逐步提高城镇化水平,中小城市迅速发展。中小城市常以地下水为主要供水水源。中小城镇供水范围小,供水井集中;供水水文地质单元相对独立,在开采地下水的初期,多缺少科学开采方案、统筹规划。地下水多年开采,常出现与地下水开采有关的一些环境地质问题。如：地下水位逐年不断下降,地面沉降等。重新调整地下水开采,设计可持续地下水开采方案,已是这些城市地下水开采、管理的重要内容。干扰井群法适宜中小城市地下水开采方案的设计。本文以江苏省淮阴县城市规划区可持续地下水开采设计方案为例,探讨干扰井群法在设计地下水开采方案中的应用。

地下水是淮阴县主要供水水源之一,年开采量 467万 m3,占县城供水量的 48%,随着县城规模的扩大及地表水污染的加重,地下水已成为县城发展优先考虑的水源,需求量逐年增加,到 2015年规划需地下水量 600万 m3。因此,合理开采地下水是供水规划实施的保证。

1 水文地质条件

1.1 含水岩组及富水性

县城规划区面积 50 km2,属黄泛冲积平原区,地势平坦,地面标高 13m左右,地表分布的第四系全新统粉土、粉砂,有利于各种外源水入渗补给地下水。

据含水介质、地层时代,规划区存在呈面状分布的松散岩类孔隙水及北东一南西带状分布的 碳酸盐岩类裂隙、溶洞水(岩溶水)。前者按其埋藏条件分为三个含水岩组。

I含水岩组：埋藏于地下 40m以内,赋存浅层孔隙水,含水层岩性为第四系全新统(Q4)粉土、粉砂及晚更新统(Q3)含钙质结核亚粘土,厚度 5～20m。水位埋深 1.5～6.0 m,单井涌水量一般小于 500m3/d,孔隙潜水均受到不同程度的污染。

Ⅱ含水岩组：顶板埋深 35.28～55.60 m,底板埋深55.88～97.69 m。赋存中深层孔隙承压水,是淮阴县地下水主要开采层。含水层由 2～3层中下更新统(Q1-2)冲湖含砾中粗砂、中细砂组成,厚度 17.89～26.43m,单井涌水量 500～1000m3/d,规划区东部大于 1000m3/d。目前,水位埋深一般大于 20m。I、Ⅱ含水层岩组无明显的连续隔水层,两者地下水水力联系密切。

Ⅲ含水岩组：赋存深层孔隙承压水,是邻区淮阴市的主要供水层,本区内开采较少。含水层顶板 埋深大于 150 m,由上第三系下草湾组(NX)含砾泥质中砂、中粗砂及中细砂组成,厚度约 40m。单井涌水量S大于 1 000m3/d,水位埋深45.90～55.0m,已超采。

岩溶水：呈北东—南西带状赋存于震旦系灰岩、钙质千枚岩裂隙、岩溶中。分布于规划区中部,面积约 28.61 km2,岩溶水区第Ⅲ含水岩组缺失。岩溶含水层顶板埋深 86.21～167.85m,富水性不均,多受构造、岩性控制。水位埋深 4.55m。

1.2 中深层孔隙承压水开采现状及水位动态

中深层孔隙承压水是淮阴县地下水主要开采对象,其可采资源量为 681万 m3/a。2002年开采量为 2.55万 m3/a,平均水位标髙 8.49m;2009年开采量达 417.93万 m3/a,剩余资源量为 263.07万 m3/a。县城及杨庄棉纺厂为东、西两个集中开采区,随着开采量的增加,供水井水位逐年下降(图1),两个集中开采区均已形成常年性水位下降漏斗。目前,中深层孔隙承压水位标高 3.3～-15.50m,平均 -10.85m(表 1),比 2002年累计下降 1.49m。东、西两集中开采区地下水下降率分别为 1.34m/a、1.89m/a。

图1 中深层孔隙水开采量与水位相关图

表1 中深层孔隙承压水水位状况表

2 地下水开采方案确定

2.1 方法及原理

在井群开采地下水时,各井间地下水位相互影响、削减,任一井点处的水位,均为评价区井群开采地下水复合影响的结果。其水位降 S是各井对其影响的水位降值 Si的迭加。故可表示为：

当长时间开采地下水时,(2)式可简化为：

式中：Qi为 i井开采量,m/d;S为计算井点的水位降,m;ri为计算井点到 i号抽水井的距离,m;ti为计算时间,d;W(ui)为井函数;T为导水系数,m2/d;a为压力传导系数m2/d.

据规划需地下水量,设计不同的地下水开采方案,用上列各式求得不同开采方案下各井点的水位降。通过方案对比达到优化地下水开采。

2.2 水文地质参数计算

水文地质参数亦采取干扰井群法计算

由(4)式得：

当评价区有 2个以上的供水井水位降深值已知时,即可用(4)式求得 T、a。

设 j、k井水位降深分别为 Sj、Si, 由(4)式得：

T、a用(5)式解方程得。

2号、9号供水井水位降分别为 21.0m、19.10m;水位埋深相应为 26.46m、25.52m,把表2 中有关资料代入(6)式得：

表2

解方程(7)得 T为 334.30m2/d;a为 1.59×106m2/d。用此作为干扰井群法确定地下水开采方案的水文地质参数。

3 确定中深层孔隙承压水开采方案

3.1 开采方案

依干扰井群法计算原理,确定中深层孔隙承压水开采方案,把 2015年规划需要地下水量(比现状增采 133万 m3/d)为目标函数,且各开采方案 2012年全部得到实施。据县城的规划布局及供水井网的分布,拟定三种开采方案。

方案 I：增采地下水量,由现在建成区(东区)17眼井承担,每眼井增采量为 215m3/d,2015年中深层孔隙承压水平均水位标高-22.27m(表3 ),比 2009年水位降低 11.43m,下降率为 1.90 m/a,东、西区平均水位标高分别为 -22.62m,-21.27m,相应水位下降率为 2.18m/a、1.39m/a.

表3 2015年中深层孔隙承压水位待征统计表

方案Ⅱ：增采地下水量,由全区 23眼井承担,每眼井增采量为 160 m/d,2015年中深层孔隙 承压水平均水位标高-21.90m,比 2009年水位降低 11.05 m,年下降 1.84 m;东、西区平均水位标高分别为 -21.35m、-23.47 m,相应水位下降率为 1.97m/a、1.53m/a。

方案Ⅲ ：区内供水井保持现状开采水平,于小营、果林场地增加 6眼中深层孔腺承压水开采 井,新增井每眼开采量为610m3/d,可达到 2015需增地下水量,2015年中深层孔隙承压水平均水位标高 -19.78m,比 2009年水位下降 8.93 m,年下降 1.49 m;东、西区平均水位标高分别为 -19.26 m、-21.18m,相应水位下降率为 1.62m/a、1.17m/a。

3.2 开采方案对比及选择

方案 I、Ⅱ便于实施,亦有利于县城区的经济发展,但均有东西区地下水位下降快、降幅大,部分供水井水位到 2015年已超过含水层顶板,可导致不良环境水文地质问题的产生,不利于县城区地下水可持续开采。方案Ⅲ解决了地下水不均匀开采不足的问题,地下水位均高于含水层顶板 5 m。因此,以选择方案Ⅲ开采地下水为佳,有利县城区地下水可持续开采。

4 结语

干扰井群法适于井位集中,井数不多,且开采承压水的中小城市可持续地下水开采方案的设计。在地下水资源评价中有较高的利用价值,淮阴县城规划区现有供水井地下水开采量保持不变,于小营、果林场地新增 6眼井保证 2015年规划需地下水量方案较好,此地下水开采方案,有利于区内环境水文地质条件的保护、控制地下水位下降,可使中深层孔隙承压水得到可持续全面开发。

[1]王丽亚等.北京平原地下水可持续开采方案分析.水文地质工程地质,2010,(1).

[2]赵云云.干扰群井基坑降水设计中的水位复核.勘察科学技术,2008,(2).

[3]邵艳等.干扰群井变流量非稳定井流计算分析.安徽建筑工程学报,2000,(3).

[4]薛禹群.地下水动力学(第二版).地质出版社,1997,9.