晋祠泉补水工程的地下水环境影响及保护措施分析

2016-10-07 05:55菅宇翔范永平魏路锋
水利水电工程设计 2016年3期
关键词:泉域水质标准净水

菅宇翔 范永平 孙 瑞 魏路锋

晋祠泉补水工程的地下水环境影响及保护措施分析

菅宇翔范永平孙瑞魏路锋

泉域补水可能对地下水水质及水位带来一定影响,须采取相应的保护措施。结合晋祠泉补水工程,通过确定补水水质标准,评价补给工程对泉域地下水水质及水位的影响,提出泉域地下水保护和监控措施。为今后同类泉域补水工程的开发和保护提供良好的借鉴。

晋祠泉地下水补水工程环境影响

晋祠泉位于太原市晋源区晋祠镇,距太原市城区25 km,由难老泉、圣母泉、善利泉三泉组成,是山西省19个重点保护岩溶泉域之一,泉水出露于西边山断裂带上,出露高程为802.59~805 m。建国以来,由于工农业经济的迅猛发展,泉域地下水的开采量逐步增大,尤其是20世纪80—90年代,泉域范围内的大规模煤矿开发建设、疏干降压和采煤排水,大量释放了岩溶地下水,加速了泉水衰减势头,最终导致晋祠泉于1994年4月断流。

晋祠泉的断流影响当地工农业生产,也使晋祠旅游景观大为逊色。有关部门对此高度重视,通过制定泉域保护条例、关闭工矿企业等一系列措施,近年来晋祠泉域水位有一定程度的回升。2014年,山西省水利厅组织编制了 《晋祠泉复流工程实施方案》,方案提出借鉴相关工程经验,开展中心区域的近源补水方案试点——晋祠泉补水工程,利用引黄水补充地下水,促进晋祠泉尽快复流。

1 工程概况

晋祠泉补水工程分为引水工程和蓄水工程两个部分,引水工程利用引黄工程联接段清徐原水直供工程 (在建)设置的晋源分水口,铺设压力管线至蓄水工程进水口。蓄水工程位于太原市晋源区明仙沟内,距难老泉直线距离约1.5 km,设置1.05万m3的调蓄池,在调蓄池下游布置补水井。工程引水线路全长7.77 km,计划年补水量为321.2万m3。

晋祠泉补水工程的主要任务是向晋祠泉提供应急补水,促进泉域复流。本文以工程运行期对泉域地下水的影响为重点,进行环境影响评价及对策措施分析。

2 地下水影响评价

2.1补水水质标准的确定

我国的地下水人工补给工作还处于起步阶段,仅污水回用方面制定了GB/T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水质标准》,目前尚未发布有关利用地表水补给地下水的水质标准。根据水污染防治法第三十九条,“人工回灌补给地下水,不得恶化地下水质”,因此,需确定合理的补水水质标准,以保证工程运行后晋祠泉域的水质安全。

项目所在区域执行 《地下水质量标准》Ⅲ类标准,主要用于工业生产和农业灌溉,并作为部分村庄的生活水源,因此,为满足地下水使用功能,补水水质标准应以GB/T 14848—1993《地下水质量标准》Ⅲ类标准为基准;同时考虑到农村供水短期内难以全部由集中式供水替代,为保证农村饮水安全,确定补水水质标准以GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》为准进行达标控制(地下水质量标准Ⅲ类以人体健康基准值为依据,与生活饮用水卫生标准要求基本一致)。

2.2补水对地下水水质的影响

晋祠泉补水工程水源为清徐原水直供工程,清徐工程水源为经晋阳湖调蓄后的引黄水。引黄供水水质较好,但经晋阳湖调蓄后水质将有一定程度的恶化。目前,太原市政府正在对晋阳湖进行环境综合整治,经引黄水调蓄后水质有望实现达标。

综合考虑以上情况,以晋阳湖现状水质作为最不利状况,同时考虑其达标后水质 (地表水环境质量标准Ⅳ类),分别与 《地下水质量标准》Ⅲ类标准及 《生活饮用水卫生标准》进行对比分析,主要指标对比结果见表1。

表1 现状水质及各类标准对比

由表1中数据可知,晋阳湖现状水质较差,未能达到水功能区目标、同时,即使水质达标,《地表水环境质量标准》Ⅳ类标准仍与 《地下水质量标准》Ⅲ类标准及 《生活饮用水卫生标准》存在差距,难以满足泉域地下水功能水质目标要求。如工程原水不进行处理直接补至地下,将对晋祠泉域地下水水质造成不利影响,因此,需设置净水设备,对原水进行处理后再进行补水作业。

2.3补水对地下水水位的影响

根据工程方案,为使渗径较短以保证补水效果,在调蓄池下游右侧设置8眼渗漏井,井径300 mm,井深40 m,井间距25 m,穿越O2f泥灰岩隔水层,补水量为8 800 m3/d。

根据地下水动力学相关理论,补水可视为抽水的逆过程,抽水时为收敛的径向流,补水时地下水流为发散的径向流。补水时,补水井井管中水位最高,水位向井周围逐渐降低,成倒锥体状,如图1所示。

图1 补水井作用原理示意图

根据上述理论,建立数学模型对补水效果进行分析。应用轴对称流基本微分方程,补水井数学模型为:

通过采用积分变换法或Boltzmann法求解,则距补水井r处的水位上升值为:

简化可得:

其中:

在实际计算中,可取井函数W (u)的前两项进行计算,则公式可以近似表示为:

式中Δh——为距补水井r处的水位抬升值,m;

Q——为补水量,m3/h;

r——为距补水井的距离,m;

T——为导水系数,m2/h;

s——为储水系数;

t——为补水时间,h。

将各项数据带入公式,可得泉口水位抬升Δh与补水持续时间t之间的关系曲线。补水开始后,难老泉泉口水位上升幅度与补水持续时间之间呈正相关。补水100 h后水位抬升约0.58 m,补水400 h抬升约0.72 m,此后水位抬升速度趋于稳定。见图2。

因此,晋祠泉补水工程对难老泉水位的抬升作用较为明显,有利于促进晋祠泉的早日复流。

3 地下水保护措施

3.1补水水质保障措施

为保障补水水质,工程增设净水设施,出水水质以GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》进行控制。净水设施设置于蓄水池与补水井之间,为节省占地以减少对周边景观的影响,采用半地下结构的一体化净水设备,基于安全考虑选择二氧化氯消毒剂进行消毒,工艺流程见图3。工程运行期需加强对净水设施的保养和维护,以保证出水水质的安全稳定。

图2 水位上升与补水持续时间关系曲线

图3 一体化净水设备的工艺流程示意图

3.2地下水监控措施

为保障补水水质安全,运行期在净水设备出水口设置1处监测点,对补水水质进行监测。参照GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》的相关分类管理要求,晋祠泉补水工程的监测项目及频率参照SL 308—2004《村镇供水单位资质标准》中Ⅱ类供水单位的监测项目及频率进行监测,详见表2。

表2 水质监测项目及频率

4 结语

由于人工补给地下水问题的复杂性,国内目前仍处于工程经验的积累阶段。如何结合水文学和水动力学等理论,对补水过程中地下径流产生、径流路径、径流排泄等过程进行理论描述;如何利用环境化学、微生物学等理论了解补水过程中对地下水水质的影响,以及制定人工补充地下水的相关水质标准及操作规程,是今后研究探索的重点,因此,工程运行后应加强与泉域管理部门的沟通,结合已有监测站网,对泉域地下水水位及水质的变化情况实施定期监测,以掌握工程运行的实际效果及对泉域地下水环境的具体影响,为相关研究提供数据参考。

[1]赵伟丽.晋祠泉域地下水动态研究及保护措施 [J].山西水利,2014(6):18-19.

[2]柳文华.中水回灌的水质标准比较分析 [J].北京水务,2007 (4):24-26.

[3]谢娟,姜凌,李泉.地下水人工补给水质的研究——以西安市回灌为例 [J].西安工程学院学报,2002,24(4):67-72.

菅宇翔男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

范永平男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

孙瑞女助理工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

魏路锋男高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

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