米脂县张家湾水源地渗渠与水库联合调配供水模式研究

康卫东,曹珍珍,宋寿鹏,王润兰,张晨招,崔虎群,朱亮

(1.西北大学地质学系,大陆动力学国家重点实验室,西安 710069;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)

0 引言

米脂盐化工业循环经济集中区的建设和发展对完善陕西省的工业结构布局,发展陕西省的化学工业,特别是对发展地方经济有着十分重要的意义,寻找水资源以满足工业用水需求已成为当务之急。河水是本地区可开发利用的主要水资源,由于地处黄土沟壑区,河流含沙量高不适宜直接开发利用,可利用渗渠工程开采河谷地下水,可达到既取水又净沙的目的。但在每年集中用水的夏灌季节常造成河流量锐减甚至导致河流断流,造成依赖于激发河水补给的河谷地下水的衰减,同时在每年的非灌溉期又有大量的河水径流外排。为了满足米脂盐化工业循环经济集中区近期 4.6×104m3/d的需水量,本文提出了渗渠与水库联合调配的供水模式[1]。

1 水资源条件

张家湾水源地第四系冲洪积砂、砂砾卵石层与三叠系砂泥岩强风化带构成了具有双层介质结构的统一的潜水含水层(简称孔隙 -裂隙潜水含水层),据钻孔抽水资料,水位埋深 0.5～2.0m,含水层厚度 5.0～10m,水源地含水层厚度薄,单井涌水量多小于 100m3/d,不适宜采用管井集中开采地下水;无定河年均过境流量 6.3×108m3,常流量 20～30 m3/s,马湖峪河年均过境流量 0.19×108m3,地表水资源丰富,但河水流量及水位变幅大,丰、枯流量相差悬殊,且泥沙含量高。无定河年内河水流量小于 5m 3/s主要出现在 6-8月份,其多年平均小流量天数为 26天,最大天数为 66天;年内河水流量小于 1m3/s的天数,从九十年代每年 6天左右增至近年的 26天左右,最小流量连续天数从九十年代 2～3天增至近年的 14天;年内连续断流天数最高达 4天。

卧虎山水库近邻无定河且离工业集中区较近,有利于无定河向水库补水以及水库给工业集中区供水,可作为近期供水的调节水库(图 1)。

图1 张家湾水源地与水库分布图

2 渗渠工程设置

无定河河道设计平行渗渠 2条,单条渗渠长度为2 000m,单条渗渠人工滤床宽度(开挖宽度)为 24m,则 2条渗渠的人工滤床水平面积为 9.60×104m2;计算的无定河河道渗渠的河水入渗量为 3.84×104m3/d;马湖峪河河道设计渗渠 1条,渗渠长度为1 500 m,渗渠人工滤床宽度(开挖宽度)为 15m,则渗渠的人工滤床水平面积为 2.25×104m2;计算的马湖峪河河道渗渠的河水入渗量为 0.90×104m3/d。

渗渠取水工程顺河流方向布设在河床之下[2]～[3],渗渠底埋置深度为 6m,渗渠横截面为宽2 m、高 2m的直墙拱顶式廊道。第四系松散层平均厚度为 1.5 m,开挖宽度为 24 m(无定河渗渠)和 15m(马湖峪河渗渠);三迭系砂泥岩平均开挖深度 4.5m,开挖宽度 2.6～2.8m。渗渠拱顶部自下而上填置由粗至细的砂砾滤料,滤层总厚为 1.0m;滤层之上回填冲洗的河沙,厚度为 1.5 m;冲洗沙之上回填原河沙(马湖峪河渗渠回填无定河的河沙)(图 2)。

图2 渗渠取水工程结构剖面示意图

3 渗渠取水量的计算分析[4]～[5]

本文采用 mod flow数值模型法计算渗渠在河流正常来水条件和断流条件下的出水量;渗渠取水条件下的地下水运动可采用下列数学模型进行描述:

式中:H为地下水位标高(m);K为渗透系数(m/d),(K值:水平 Kh、垂向 Kv、河床淤积层垂向 K r);μ为含水层给水度;x,y,z;t为坐标变量(m);时间变量(d);H0为初始时刻水位标高(m);H1为第一类(定水位)边界水位标高(m);Hr为河水位标高(m);Hs为渗渠内水位标高(m);A为河流入渗计算面积(m2);Mr为河床淤积层厚度(m);Qr为河水渗漏量(m3/d);Qs为渗渠取水量(m3/d);n为二类边界外法线方向;Γ1为一类边界;Γ2为二类边界;D为计算区范围。

模型区渗渠工程取水量主要来源于激发的河水渗漏补给量,河流正常来水(河水淹没渗渠人工滤床)条件下,对取水井定降深(渗渠水位不低于渗渠底面)的渗渠取水量进行了稳定流计算;模型预测渗渠工程稳定取水量为 4.80×104m3/d,其中无定河渗渠稳定取水量为 3.71×104m3/d、马湖峪河渗渠稳定取水量为 1.09×104m3/d。在河流断流期间,考虑取水井(与渗渠内)水位稳定,模型计算的渗渠出水量及其衰减过程见图 3,此时渗渠很难满足工业的用水需求,需要水库补水。

图3 河流断流后渗渠出水量及其衰减曲线图

4 水库补水调节的分析计算[6]～[8]

(1)水库补水水源:无定河多年平均径流量 28.74 m3/s,每年 10月-翌年 4月河水径流稳定、径流量大,在 10-50 m3/s之间;该时期河水含沙量低,一般 1、2月在 0.5 kg/m3左右,3、4、10、11、12月在 2～4 kg/m3之间,且为农业用水量小的季节,可作为水库蓄水的补给水源。

(2)库容:卧虎山水库的总库容为 640×104m3,调节库容 221.74×104m3,在水库加固时预留了 195×104m3的淤积库容。

(3)水库自然来水与消耗:卧虎山水库区无水文站控制,按水文比拟法以马湖峪水文站作为参证站计算卧虎山水库月总径流量过程见图 4;水库的年蒸发量为 124.14×104m3;水库的年渗漏损失量为 45.22×104m3;水库的年灌溉用水量为 25×104m3。

图4 卧虎山水库月总径流量过程线

(4)水库的补水方案:水库向盐化工业集中区的供水量按 4.8×104m3/d核算,供水的保证率为 95%;为保证水库工程的持续和稳定供水,分别按河流断流(及小流量来水)45天和 60天考虑,即以水库取水 45天和 60天作为两种水库供水方案设计,两种供水方案的水库取水量分别为 216×104m3和 288×104m3(即平均为 4.8×104m3/d),该取水量与水库枯水年(95%)缺水量之和即为无定河向水库的年补水量,两种供水方案的水库年补水量分别为 265×104m3、337×104m3(表 1)。按 45天供水方案计算三种补水方案的泥沙淤积量分别为 0.13×104m3/a、0.68×104m3/a、0.49×104m3/a,水库调节的淤积量按 10年计算,则三种补水方案的淤积量分别为 66.3×104m3、71.8×104m3、69.9×104m3;按 60天供水方案计算三种补水方案的泥沙淤积量分别为 0.17×104m3/a、0.87×104m3/a、0.63×104m3/a,水库调节的淤积量按 10年计算,则三种补水方案的淤积量分别为 66.7×104m3、73.7×104m3、71.3×104m3。

表1 无定河调水与卧虎山水库蓄水方案成果表

(5)水库水量的调节计算:水库水量调节一般控制在兴利库容 221.74×104m3范围内。卧虎山水库的兴利库容是预留了 30年 195×104m3淤积量的兴利库容,也就是说除去10年调节计算期的最大淤积量 73.4×104 m3,还有 121.6×10 4m3的调节库容可供利用,即本次水库水量调节计算的可调节库容为 343.34×104m3。水库水量的调节计算结果见表 2和表 3,两种供水方案下的水库月蓄水量最大值分别为 264.36×104m3和 337.36×104m3,均小于水库可调节库容 343.34×104m3,故水库补水与供水方案是可行的,水库补水量与供水量是可靠的。

表2 水库供水 45天的水量调节计算结果表 104 m3

表3 水库供水 60天的水量调节计算结果表 104m3

5 结论

利用数值模拟计算的正常来水条件下的渗渠可供水量为 4.8×104m3/d,可以满足工业近期的需水量,在枯季小流量或断流的情况下渗渠出水量大幅度减少,很难满足工业用水需求;以 4.8×104m3/d的水库供水量计算,两种供水方案下的水库月蓄水量最大值分别为 264.36×104m3和 337.36×104m3,均小于水库可调节库容 343.34×10 4m3,故水库补水的供水方案是可行的。因此,米脂县张家湾水源地渗渠与水库联合调配供水解决了米脂盐化工业循环经济集中区近期 4.6×104m3/d的需水量,该供水模式对同类型区域(黄土高原地区)具有重要推广应用价值。

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