神火工业园备用水源地地下水资源计算与评价

唐石山，徐玲俊

(1.河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队，河南 商丘 476000;2.河南地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南 郑州 450053)

神火工业园备用水源地地下水资源计算与评价

唐石山1，徐玲俊2

(1.河南省地质矿产勘查开发局第十一地质队，河南 商丘 476000;2.河南地质矿产勘查开发局第二水文地质工程地质队，河南 郑州 450053)

永城市神火工业园备用水源地地下水资源计算与评价主要是对中深层地下水允许开采量进行计算与评价，采用均衡法、解析法和开采抽水试验法进行评价中深层地下水允许开采量，通过计算结果对比，地下水允许开采量差别较小，按水源地拟定的开采量开采是可行的。在现有开采条件下，水源地开采20 a中心井的最大井壁动水位埋深97.88 m，位于含水层顶板之上，故在规划年限内开采1.80×104m3/d是可行的。因此，该水源地的允许开采量是完全可靠的。

水源地;计算;评价

永城市神火工业园备用水源地地下水资源计算与评价主要是对中深层地下水允许开采量进行计算与评价，允许开采量是指在限定的开采期内，开采井群中心管井动水位埋深在允许降深范围内所获得的最大开采量，且不发生环境地质问题。根据水源地中深层地下水的水文地质条件，其评价原则是:①开采期年限为20年;②开采井群中心管井动水位埋深不超过100 m;③开采地下水不致于产生地面沉降、水质污染、水源严重干扰等环境地质问题，④采用多种方法进行计算与评价。

永城市神火工业园备用水源地详查陈官庄水源地采用均衡法、解析法和开采抽水试验法进行评价中深层地下水允许开采量。

1 计算参数的确定

根据各类型抽水试验所求得水文地质参数，陈官庄水源地计算采用 T=274.2 m2/d，μe=3.71 ×10－4，a=8.75 ×105m2/d，综合考虑以陈官庄水源地探采井求取的水跃值为主，水跃值取平均值7.52 m。

2 均衡法计算中深层地下水允许开采量

2.1 地下水补给量的计算

2.1.1 水源地开采后补给带宽度的确定

陈官庄水源地补给带的宽度即开采后降落漏斗的周边长度，只要求出陈官庄水源地开采后降落漏斗的半径即可求出补给带的宽度，水源地开采降

落漏斗为一近似圆形，其补给周长可由下式计算求得:

式中:C为补给周长(m);R为水源地影响半径(m)

水源地的影响半径R采用层流完整井裘布依承压水“大井法”计算公式:

得

式中:R为影响半径(m);K为渗透系数(m/d)，各孔抽水试验平均值取2.34 m/d;M为含水层厚度(m)，取值39.0 m;Sw为水位降深(m)，取值48.64m(为开采15年的预测降深);Q为水源地开采量18 000 m3/d;rw为水源地概化为大井的半径(m)，取值3 000 m。

通过解析法计算拟建水源地开采15年后，下降趋于缓慢(年降幅0.15 m)，可视为近似稳定，故开采时间(t)按15年计算。通过计算，陈官庄水源地开采后的影响半径R=14 125.38 m。代入(1)式，求得补给周长为:

2.1.2 中深层地下水降落漏斗周边径流补给量

1)计算公式:

2)参数确定

B:地下水周边径流补给带的周长，为88 707.39 m;

I:水力坡度，为漏斗周边的平均水力坡度，取值为1/1 500;

T:导水系数(m2/d)，取值为:274.2 m2/d;

将以上参数代入(3):

2.2 可利用弹性储存量的计算

区内中深层地下水水位埋深平均约为15.80 m，水源地设计动水位埋深为100 m，则地下水水位变幅(△s)为84.20 m。由下式计算可以利用弹性储存量。

计算公式:

式中:Q弹储为地下水可利用弹性储存量(m3/d);F为计算面积(km2)，取值 3.14 ×14 125.382 m2;μe:弹性释水系数，3.71 ×10－4;△s为水位变幅(m)，84.20 m;△t为计算时间(d)，365 ×20 d。

将以上参数代入(4):

2.3 地下水排泄量的计算

通过调查，内区及附近中深层地下水目前基本没有开采，仅刘河矿有1眼供水管井，开采量约为200 m3/d。

2.4 地下水允许开采量的计算

由中深层地下水的补给、径流和排泄条件，建立中深层地下水均衡方程。

计算公式:

式中:Q允为地下水允许开采量(m3/d);Q补为地下水补给量(m3/d);Q弹储为地下水可利用弹性储存量(m3/d);Q开为地下水现状开采量(m3/d)

将以上参数代入(5)式:

2.5 地下水资源量评价

通过对陈官庄水源地中深层地下水均衡计算，水源地在开采条件下漏斗周边补给量为16 215.71 m3/d，排泄量为200 m3/d，可动用设计动水位埋深范围内的弹性储存量2 680.97 m3/d，通过计算，陈官庄水源地中深层地下水允许开采量为18 696.68 m3/d，故陈官庄水源地按1.80×104m3/d开采是可行的。

3 解析法计算中深层地下水允许开采量

3.1 数学模型的概化及计算公式的选取

根据含水层结构、埋藏条件及含水层间的水力联系，区内中深层地下水可以概化如下:

1)水流服从达西定律。

2)含水层为均质，各向同性的承压含水层，底板水平且无限延伸。

3)假设初始水面基本水平。

4)抽水孔均为承压完整井。

5)无越流补给。

根据概化处理，区内中深层地下水采用承压完整井无越流泰斯公式计算。

a:单井无越流计算公式:

b:群井干扰无越流计算公式:

式中 S为某点的降深值(m);Q为出水量(m3/d);T为导水系数(m2/d);W(ui)为井函数;u为井函数自变量;μ为弹性释水系数;t为抽水延续时间(d)

3.2 允许开采量的计算

3.2.1 开采方案的确定

根据陈官庄水源地探采井实际抽水资料，管径Φ325 mm时，单位涌水量为 1.86～4.65 m3/h·m，换算成 20 m 降深时，单井出水量37.2～93.1 m3/h，设计单井出水量为 1 200 m3/d。

陈官庄水源地勘探孔均为完整井，中深层地下水含水层顶板埋深90～100 m，考虑目前抽水设备能力，本次水源地勘探设计动水位埋深按100 m考虑。

3.2.2 水位下降值计算

水源地在井群干扰抽水条件下，设单井出水量不变，水位则因各井同时抽水相互干扰而下降，因而在设计井数时，只考虑水位的削减，而不考虑水量的减少。

通过对本区中深层地下水实际开采量、神火工业园区水源地、陈官庄水源长观资料及葛店煤矿生活饮用供水井的水位调查，地下水水位年下降速率为0.22 m，目前周边仅有神火工业园水源地集中开采中深层地下水，允许开采量为15 000 m3/d，位于陈官庄水源地西南12 km处及陈集水源地东南13 km处，因而在计算周边开采对该水源地的影响降深时，仅考虑神火工业园区水源地的影响，其余按下降速率递增。

依据水源地井位布设方案，计算20年内不同时间中心井(陈官庄水源地S5探采井和陈集水源地3号井)的最大动水位埋深(见表1)。

区内中深层地下水属消耗型水源地，在现有开采条件下，陈官庄水源地开采20年中心井(S5探采井)的最大井壁动水位埋深97.88 m，在目前深井抽水设备允许降深范围内和井壁动水位埋深位于含水层顶板之上，在规划年限内开采1.80×104m3/d是可行的。

4 开采试验法计算中深层地下水允许开采量

4.1 计算公式的选取

本次开采性抽水试验是按设计允许开采量18 000 m3/d的开采条件进行试验的，参加抽水试验的探采结合孔共13眼，抽水延续时间为 30 d，恢复水位 10 d，平均总出水量为16 802.4 m3/d，为设计开采量的93.3%，满足规范要求。

在抽水第14 d后，水位变化微小，短时间内趋于稳定，长时间看处于微小等幅下降趋势，至抽水结束，平均下降速率每日0.10 m，故允许开采量计算采用下式:

式中:Q抽为试验的抽水量(m3/d);Q补为开采条件下的补给量(m3/d);△s为△t时间段的水位下降值(m);μF为水位下降1 m时消耗的储存量，简称单位储存量(m3/m)。

计算方法是用不同的抽水量及水位降速资料，分别代入(9)式解联立方程可求出 μF和 Q补。本次计算采用不同的抽水量Q抽1和Q抽2及对应的水位降速和可建立联立方程式:

计算 Q补后，即可求出 Q允开:

表1 陈官庄水源地中深层地下水拟定开采方案地下水水位下降值一览表

4.2 允许开采量的计算

4.2.1 补给量的计算

根据抽水试验资料，水位开始等幅下降划分为三个时段，各时段平均水量及平均降速见表2。

表2 开采性抽水试验结果表

利用表2中的资料可列出3个方程式:

解联立方程求得平均补给量(Q补)为16 613.03 m3/d。

4.2.2 水源地开采后补给面积的确定

陈官庄水源地补给面积即水源地开采后降落漏斗的范围，只要求出开采后(20年)的影响半径即可计算出补给面积，水源地近似圆形，其补给面积按下式计算:

水源地影响半径采用层流完整井裘布依承压水“大井法”计算公式:

式中:R为影响半径(m);K为渗透系数(m/d)，各孔抽水试验平均值取2.34 m/d;M为含水层厚度(m)，取值39.0 m;Sw为水位降深(m)，取值48.64 m(为开采15年的预测降深);Q为水源地开采量18 000 m3/d;rw为水源地概化为大井的半径(m)，取值3 000 m。

通过解析法计算，陈官庄水源地开采15年后，下降趋于缓慢(年降幅约0.15 m)，可视为近似稳定，故水位降深(Sw)采用15年的水位降深值48.64 m。将以上数据代入公式(14)求得水源地开采后的影响半径 R=14 125.38.0 m。

根据(13)式，求得补给面积为:

4.2.3 弹性储存量的计算

区内中深层地下水静止水位埋深平均为15.80 m，水源地勘探设计动水位埋深按100 m考虑，则在规划年限(20年)内，地下水位变幅(△s)为84.20 m。

由下式计算:

4.2.4 地下水现状排泄量

通过调查，内区及附近中深层地下水目前基本没有开采，仅刘河矿有1眼供水管井，开采量约为200 m3/d。

4.2.5 地下水允许开采量的计算

由中深层地下水的补给、径流和排泄条件，建立中深层地下水均衡方程。

计算公式:

式中:Q允为地下水允许开采量(m3/d);Q补为地下水补给量(m3/d);Q弹储为地下水可利用弹性储存量(m3/d);Q开为地下水现状开采量(m3/d)。

将以上参数代入(15)式:

通过计算，水源地在开采条件下形成降落漏斗，周边补给量为16 613.03 m3/d，排泄量为 200 m3/d，故需动用设计动水位埋深范围内的弹性储存量，通过计算地下水允许开采量为 19 094.0 m3/d，故拟建水源地按 1.80×104m3/d开采是可行的。

5 结论与建议

不同方法的计算结果较为接近，水源地投产后，每日按拟定开采量1.80×104m3/d开采是可行的。

对中深层地下水实行全面统一规划，应加强对地下水的动态监测工作，以掌握地下水水量、水位、水质动态变化 趋势，进一步论证开采区水资源的可靠程度。

［1］水文地质手册.编写委员会［M］.水文地质手册(第一版).地质出版社.1985.

［2］房佩贤等.专门水文地质学［M］.北京:地质出版社.2005.

［3］刘兆昌等.供水水文地质(第三版)［M］.北京:中国建筑工业出版社.2000.

［4］冯亿年等.河南省永城市神火工业园区陈官庄水源地供水水文地质勘探报告.2005.

Calculation and Evaluation on Groundwater Resource of The Shenhuo Industrial Park Reserve Water Source

TANG Shi－shan，XU Ling－jun
(1.11th Geological team，Exploration and Development Bureau of Henan provincial Geology＆ Mineral Resources，Shangqiu 476000，Henan;2.The Geological team of the 2nd hydrogeological Engineering，Exploration and development bureau of Henan provincial Mineral Resources，Zhengzhou 450053，Henan)

The calculation and evaluation of groundwater resources in the reserve－water－ source of Shenhuo industrial park in Wing city mainly confirm how much the allowable withdrawal quantity of the middle and deep groundwater is.Using the balance method，the analytical method and the exploitation pumping test method，the paper evaluates deep groundwater allowable withdrawal volume. Contrast to the calculating results，the difference of the allowable groundwater exploitation quantity is little. The proposed exploitation quantity according to the source situation is feasible. The water exploitation for 20 years，the maximum sidewall dynamic water level of the central well is depth of 97.88 m，located above the aquifer roof，the exploitation in the plan is 1.80 × 104m3/d. Therefore，it allows the extraction of the water source is completely reliable.

The water－resource place;to calculate and to evaluate

P641.2

A

1004－1184(2012)05－0059－03

2012－06－11

唐石山(1975－)，男，湖南东安人，工程师，主要从事水文地质、工程地质及环境地质工作。