古堆岩溶泉复流方案研究

陈素霞

（临汾市水文水资源勘测分局）

1 研究古堆泉复流意义重大

研究泉域内的水资源优化配置，开展古堆泉地下水复流工程，对提高水资源利用效率，实现经济和生态和谐发展，保护古堆泉地下水生态意义重大。为早日实现古堆泉复流，本文在分析水源置换和人工回灌两种复流措施的基础上提出了一种综合复流方案。

2 水源置换措施效果分析

2.1 基本方案

禹门口东扩工程建成之后，水源置换的范围是全部封闭泉域内的岩溶水井，不足水量通过引黄水补足。根据2012年古堆泉岩溶水开采计算，每年置换岩溶水量为3 663万m3。

2.2 降雨—开采量—水位变幅回归分析

采用多元回归分析，建立地下水开采量W、降雨量P和地下水位变幅Δh三者之间的相关关系线性回归模型。

首先设方程为：

式中：Δh为地下水水位的变化，m；P为降水量，mm；W为地下水开采量，m3；为待定系数。

应用最小二乘法算出方程表达式中的系数，经F检验通过后，再用此方程式计算。当W为零时，把多年的平均降水量代入，算出的Δh值为年水位回升的数值。因为地下水具有以丰补欠、多年调节的规律，丰水年地下水水位不可能大幅度上升，枯水年地下水水位也不可能大幅度下降，所以当W=0时，将多年平均降水量代入回归方程中算出的数值，可作为未来实现地下水关井压采之后的逐年水位回升值。

经计算，得到的二元一次线性回归方程的表达式为：

老闻忍着悲痛和泪水，只是劝慰，尽量不让气氛紧张：“严宽，不要紧的，现在医学发达，只要有意志和信心，病很快就会好。”严宽摇摇头，又轻轻点点头。

统计分析可知，R值0.99，表明三者之间高度正相关。回归方程通过了α=0.05的检验，回归效果显著，可用于未来地下水位变化预测。

2.3 效果分析

通过禹门口东扩工程进行水量置换之后，泉域范围不再开采岩溶地下水，即未来水平年的岩溶水开采量W=0。将多年平均降水量521.7 mm代入公式（2）可知，在不开采岩溶地下水的基础上，未来规划水平年内地下水位埋深逐年平均回升量Δh=2.68 m。

根据古堆泉2013年泉口埋深48.97 m计算可知，在实现古堆泉完全不开采岩溶地下水的基础上，需要近19 a才可能实现复流。

3 人工回灌措施效果分析

3.1 基本方案

根据《古堆泉水补给区范围与人工增加途径调查研究报告》，选择新绛县煤化工业园区水源地的9眼井作为回灌井，回灌水源为禹门口东扩工程的引黄水，每眼回灌100 m3/h，每天回灌量为21 600 m3，回灌时间为3-10月，共计8个月。

3.2 回灌效果分析

3.2.1 回灌区水文地质条件概化

回灌井和古堆泉均位于九原山隆起区，隆起四周被断层包围，可概化为长6.7 km、宽6.3 km的长方形区域；区内含水层介质概化为均质、各向同性结构；区外含水层介质概化为无限、均质、各向同性结构。隆起区的西边界为隔水边界，其他三个边界均为弱透水边界。

3.2.2 含水层水文地质参数计算

（1）导水系数。利用九原山地热田部分中的新绛1号井做单井抽水试验，抽水1 h后即稳定。采用承压水完整井的稳定井流公式，查单位涌水量与影响半径的关系表，确定R为500 m，计算得到九原山隆起区的导水系数（T1）为2 950.52 m2/d，区外导水系数（T2）采用461.16 m2/d。

（2）贮水系数。本区承压水含水层的贮水系数（η*）采用《宏阳钢铁公司范村水源地岩溶水供水水文地质勘察报告》中的抽水试验成果，4口井抽水试验贮水系数的平均值为η*=7.9×10-3。

3.2.3 泉口水位抬升值计算

由于存在回灌区弱透水边界，通过对边界的侧向流出量迭代计算，当误差小于0.1时即可确定边界的侧向流出量，进而确定实际回灌到九原山隆起区的水量，然后再通过承压水完整井的非稳定井流公式，计算不同回灌时间古堆泉口的水位抬升值。具体计算步骤如下：

（1）不考虑边界条件时，采用均衡法计算人工回灌量全部注入九原山隆起区，引起的水位抬升值ΔH。计算公式为：

式中：Q为回灌井的总注水量，m3/d；t为回灌时间，d；A为概化九原山隆起区的面积，km2；η*为贮水系数。

（2）考虑边界流出量Q边界时，设九原山隆起区的边界条件为西部边界是隔水边界，其他边界是弱透水边界。计算公式如下：

式中：Q边界是边界的总流出量，m3/d；qi是第i条边界的侧向流量，m3/d。根据第一步计算得到的ΔH，然后计算每条边界的qi值。公式如下：

式中：qi为第i条边界的侧向流量，m3/d；I为水力坡度；T2为九原山隆起区外的导水系数，m2/d；Li是第i条边的长度，m；R为将九原山隆起区概化为“大井”注水时稳定流的影响半径，m；r为将九原山隆起区概化为“大井”时的井半径，m。

（3）实际注入九原山隆起区Q九原山的计算。将回灌量Q减去Q边界得到Q’，替换式（5）中的Q，迭代计算至边界误差小于0.1，得到的Q’便是实际注入九原山隆起区的水量Q九原山。

（4）计算泉口水位抬升值S。每个实井和虚井在泉口处引起的抬升值Si采用承压水向完整井的非稳定流公式计算：

式中：Si为第i眼井在泉口处引起的水位抬升值，m；Q九原山为九原山实际注水量，m3；Ti为九原山隆起区的导水系数，m2/d；ri为第i眼井与泉口之间的距离，m；η*为注水系数；t为回灌时间，d；i=9为注水井。

（5）计算不同回灌时间内古堆泉泉口水位的回升值。根据上述方法，计算得到8个月内古堆泉口的水位逐步回升值（见表1）。

表1 古堆泉人工回灌效果分析表

通过计算，在只考虑人工回灌影响的情况下，每年回灌8个月后，古堆泉口的水位就会抬升4.23 m，实现古堆泉复流需要12 a。

4 古堆泉复流综合方案

4.1 综合方案确定

根据水源转换方案，禹门口东扩工程建成之后，每年置换岩溶水量3 663万m3。未来规划水平年，在不开采岩溶地下水的基础上，古堆泉域范围内地下水位埋深逐年平均回升2.68 m，需近19 a才可完成实现复流。根据人工回灌方案，以禹门口东扩工程的引黄水为回灌水源，每年回灌8个月后，古堆泉口的水位抬升4.23 m，实现古堆泉复流需要12 a。为了尽早实现古堆泉复流，可以在水源置换的基础上，开展人工回灌措施，采用每年6个月回灌、现有岩溶水井全部关闭的方案。综合分析可知，在人工回灌和关井压采条件下，预测未来平均每年地下水位回升可达到6.07 m。以2013年泉口埋深计算，实现复流仅需9 a时间。

4.2 复流措施

4.2.1 关井压采

根据2011年统计数据，泉域内运城市共有岩溶水井34眼，临汾市共有开采井322眼。在禹门口东扩工程完全通水的情况下，实现全部井的关闭。

4.2.2 人工回灌

选择新绛县煤化工业园区水源地的9眼井作为回灌井，回灌水源为禹门口东扩工程的引黄水，每眼回灌100 m3/h，每天回灌量为21 600 m3，回灌时间为5-10月，共计6个月。

4.3 保障措施

一是明确替代水源工程的供水优惠政策，保障工农业和城乡生活的供水安全；二是坚持替代水源先行、内部改造跟进、最后实施封井的原则，制定古堆泉域“关井压采”政策；三是布设古堆泉域地下水监测站网，采用专门的水文监测孔进行监测。同时，建议对泉域范围内的地下水开发利用状况进行详细的调查，复核古堆泉断流状况及原因。