天镇县杏园窑沟水源置换工程供水能力分析

刘军伟

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

杏园窑沟水源置换工程位于天镇县新平堡镇，工程设计利用杏园窑沟河水及浅层水水源置换下游井采地下水，解决人畜吃水和灌溉问题，关井压采，保护和涵养地下水资源。水源地可供水量是否满足设计需水量要求，是确定工程供水规模及是否可行的前提。

1 水源地地质条件

杏园窑沟为西洋河右岸的一级支流，河谷底宽120～350 m，谷底地形较为平缓。两岸主要为岩质岸坡，岸坡坡度30°～50°，河谷断面呈“U”型。主河槽两侧发育Ⅰ级堆积阶地，阶面高出河床1～5 m，主要由低液限粉土和卵石混合土组成。

本区段地下水接受大气降水补给，地下水类型为变质岩类裂隙水和松散岩类孔隙水。变质岩类裂隙水主要赋存于风化带中，一般富水性中等，补给河谷松散岩类孔隙水或以泉水形式补给河水。松散岩类孔隙水含水层主要为河床第四系全新统洪冲积卵石混合土、混合土卵石、级配不良砾等，富水性较好。其接受大气降水、变质岩类裂隙水和地表水补给，向下游径流排泄。该类地下水埋藏浅，具有统一的地下水位，河谷内地下水埋深为0～2.5 m。

2 供水能力分析计算

2.1 取水方式

水源地区段河谷相对较窄，河谷卵石混合土、混合土卵石层在上游、中游和下游三处拟选取水位置钻孔揭露厚度12.0～19.0 m，其厚度由河谷上游向下游逐渐增厚。河谷覆盖层厚度较薄且为强透水层。本工程结合河道生态美化综合治理，设计采用截潜流集水廊道的形式取水，设计取水流量0.148 m3/s。

2.2 河床基流观测

杏园窑沟谷两岸大多基岩裸露，丰水期河谷两岸的较大冲沟有泉水出露或雨后较长时间有水流向河谷，河谷常年流水。在拟取水河谷段上游、中游、下游处设直角三角堰进行地表基流观测，基流流量分别为0.12 m3/s、0.07 m3/s、0.05 m3/s。中游距离上游观测位置约1.3 km，下游距离中游观测位置约0.9 km。中游、下游观测流量较上游减小的主要是下游河谷逐渐变宽，部分河水下潜入渗河谷覆盖层。

2.3 浅层含水层渗透系数确定

为确定取水河谷段地层渗透性及地下水位情况，在拟取水河段进行了抽水试验，抽水井、观测孔位置垂直河向直线布置，见抽水试验位置图1。根据现场抽水试验资料，依据《水利水电工程钻孔抽水试验规程》、《供水水文地质手册》和《工程地质手册》，采用潜水完整井单孔、多孔、多孔邻河和恢复水位公式进行渗透系数计算。计算成果详见表1。其中公式1、公式2、公式3 选自《水利水电工程钻孔抽水试验规程》，公式4 选自《供水水文地质手册》。

图1 抽水试验位置图

裘不依公式

费尔格伊米尔（邻河）公式

费尔格伊米尔（邻河、1 个观测孔）公式

邻河、1 个观测孔公式

式中：k——渗透系数，m/d；

Q——出水量，m3/h；

S——抽水井降深，m；

S1——观测孔降深，m，1# 观测孔为0.47 m，2#观测孔为0.25 m；

R——影响半径，m，采用公式计算；

r——抽水井过滤器半径，m，取值0.148 5 m；

r1——距观测孔距离，m；距1#观测孔12.4 m，距2#观测孔34.0 m；

H——潜水含水层厚度，m，取值15.7 m；

b——邻河抽水井距河岸边水平距离，m，b＜2H，b=20 m。

表1 水井抽水试验计算成果表

根据水井、观测孔孔位布置及水文地质条件，采用相关计算公式渗透系数为19.9～33.0 m/d，具强透水性，平均值为27.7 m/d，且公式2（费尔格伊米尔邻河）适用条件与本区水文地质条件最接近，故建议渗透系数取值27.7 m/d。

2.4 水资源量计算

根据区内地下水补给、排泄、径流动态平衡，采用大气降水入参法和开采系数法、达西断面法分别计算地下水补给量和径流排泄量如下：

1）天然补给量计算

区内主要接受大气降水补给，现根据流域集水区入渗量估算地下水补给量，计算采用大气降水入渗系数法公式5。

式中：Q——地下水入渗补给量，m3/d；

α——入渗系数，河谷区为卵石混合土等松散堆积层，两岸为低液限黏（粉）土和表层风化变质岩，据本区水资源调查评价相关资料，按地层出露面积取加权平均值0.22；

ω——年降水量，mm，取本区多年平均降水量434.0 mm；

A——上游汇水面积，km2，取值55.9 km2。

经计算，该区段地下水补给量为15 435 m3/d，即0.179 m3/s。

2）可截潜流水量计算

（1）开采系数法

式中：Q可采——地下水可开采量，m3/d；

Q补给——地下水入渗补给量，m3/d，根据公式5计算结果取值15 435 m3/d；

ρ——可开采系数，据可开采条件、地下水位埋深、单井出水量，取值0.85。

经计算，采用开采系数法地下水可开采量为13 120 m3/d，即0.152 m3/s。

（2）达西断面法

杏园窑河常年有基流，河床覆盖层中地下水径流量采用达西断面法计算如下：

式中：Q——地下水径流量，m3/d；

k——渗透系数，m/d，取值27.7 m/d；

M——含水层厚度，m，根据钻孔揭露，由左至右河谷覆盖层和强风化岩层厚度依次为15.0 m、21.0 m、21.5 m、16.2 m，取平均厚度18.4 m；

B——过水断面宽度，m，下游河谷底宽250 m、中游河谷底宽260 m，考虑河谷两侧强风化层并取小值255 m；

μ——水力坡度，根据河床纵坡取值0.075。

经计算，地下水径流量为9 748 m3/d，即0.113 m3/s。根据河床基流观测流量，取用下游处小值流量0.05 m3/s，若采用全断面截潜流取水，则流量为0.163 m3/s。

3 结语

综上分析计算，采用开采系数法计算地下水可开采量为0.152 m3/s，采用达西断面法计算全断面截潜流量为0.163 m3/s。采用全断面截潜流集水廊道取水，可满足设计取水量要求。