云南安宁市石江水源地地下涌水量预测方法对比

龙立新

(云南省有色地质局三一二队，云南 昆明 650300)

云南安宁石江水源地位于安宁市南西向6公里处县街街道办事处石江村旁。该区有一个相对完整的水文单元，属于溶蚀-潜流并迭谷盆。

图1 云南安宁石江水源地地质简图Fig 1.Geological Sketch Map of Shijiang Water Resource in Anning，Yunnan

该区栖霞组加茅口组白云质灰岩埋深较大，地下水类型属承压水，受大气降水影响较小。水源地未来开采的地下水主要主要是栖霞茅口组白云质灰岩含水层深部的岩溶水(图2)。栖霞茅口组白云质灰岩充水因素有：流经水源地的鸣矣河通过上覆第四系砂砾石层及西南面的张性断裂导水直接补给，周围含裂隙水的弱含水层间接导水补给。该水源地目前有4口机井开采上部地下水，水量远不能满足需求，但随着深部水资源勘查开发，需要评价深部含水层涌水量，为机井设计和开采施工提供可靠的水文地质参数，指导水源地安全高效生产。地下水资源量与许多因素有关，如地下水水位、降雨量、开采区径流面积、潜水蒸发量等。若将这些因素作为自变量，则它们与地下水资源量之间存在统计相关关系，如果变量只有一个，称为一元相关或简相关；若有两个以上的自变量，则称多元相关或复相关。在多元相关中只研究其中一个变量对因变量的影响，而将其它自变量视为常变量的称为偏相关。自变量为一次式称线性相关，是高次式称非线性相关。本文通过采用的“大井法”、“比拟法”和多年平均径流模量法计算资源量进行对比研究，为该水源地涌水量预测工作提供可靠依据。

图2 石江低缓溶蚀谷坡亚型(河流谷底地质结构剖面简图)Fig 2.Shijiang Low-Gentle Karst Valley Slope Sup-Type

2 水源地机井涌水量预测

2.1 预测范围及边界条件

在没有具体开采地下水方案的情况下，将该水源地正在抽取地下水的4口机井(机井井深约135m～150m)涌水量作最低估算水平，新设计的取水机井5口，井间距离约为300m，井深300m(井径φ277mm为主要取水段)作为本次取水机井涌水量预测井深。水文单元东面以峨眉山玄武岩组(P2β)地层分界线为隔水边界，北西面以一平浪组(T3y)页岩为隔水边界，南西面以F1张性断层为无限补给边界。预测范围为近似长方形，面积约13.6km2。

2.2 方法选择及公式确定

根据含水层含水类型水及地下水力特征、机井布置形状及区域水文地质条件，采用两种方法进行预测，再用多年平均径流模量法计算资源量，相互比对验证，提出合适的地下水开采量。

(1)大井法(水动力学法)：将水源地未来开采分布范围假设为一个理想大井，抽水过程中，机井涌水量包括其周围的水位降低呈现相对稳定状态时，即认为以机井群为中心形成的地下水辐射流场，扩展到补给边界，达到相对稳定。地下水水位不随时间而变化，形成动平衡状态。未来机井群开采地下水时，含水层地下水流场将发生改变，由承压水转为无压，因此采用“大井法”承压水转无压完整井裘布依公式预测群井涌水量，公式：

式中：Q一般、Q最大—群井涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

K—含水层渗透系数( m/d)；H—水柱高度(m)；

M—含水层厚度(m)；h—动水位至井底板水柱高度(m)；R0—“大井”影响半径(m)；—涌水量变化系数。

式中：Q一般、Q最大—新机井群预测总涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F—新机井设计开采影响面积(m2)；S—新机井设计水位降(m)；

Q0一般、Q0最大—水源地群井总涌水量的一般值和最大值(m3/d)；

F0—水源地现状开采影响面积(m2)；S0—水源地目前开采井水位降深(m)。

2.3 参数选取

(1)大井法涌水量参数选取

求得各含水层的K值，河积相砂卵砾石层及二叠系下统栖霞组加茅口组虎斑状白云质灰岩的渗透系数分别取其平均值8.92m/d和4.21m/d；

h—动水位至底板水柱高度；

r0—“大井”半径(m)，据水源地机井设计间距离确定。预测范围大致为正方形，其长a=300m，宽采用平均值b=300m，采用公式r0=∩(a+b)/4，其中b/a=1.0。∩值查表得1.0，计算r0=150m；

λ—涌水量变化系数，采用水源地开采机井流量长观资料，得λ=1.36

表1 石江水源地机井抽水试验成果表Tab 1.Machinery Well Abstraction Experiment Result

(2)比拟法涌水量参数选取

Q0一般—采用水源地旱雨季抽水机井水量长观资料平均值9189.5m3/d；

Q0最大—采用水源地雨季抽水机井水量长观资料最大值12497.7m3/d；

F0—水源地现状开采影响面积为6.85×105m2；

S0—水源地目前实测开采井水位降深(m)，即S0=6.2m；

F—新机井设计开采影响最大面积，开采面积2.14×106m2；

S—新机井群设计水位降深，S=18.5m；

(3)涌水量预算结果

经计算，水源地井群井深300m的“大井法”预测一般涌水量为36716.3m3/d，最大涌水量为49934.2m3/d，“比拟法”预测一般涌水量为30406.5m3/d，最大涌水量为41352.8m3/d，多年平均径流模量法计算资源量为30483.6m3/d。见下表2、表3、表4。

表2 大井法预测涌水量结果Tab 2.Prognosis Welling of Big Well Method

表3 比拟法预测涌水量结果Tab 3.Prognosis Welling of Simulation Method

(4)采用多年平均径流模量法计算资源量的结果见表4。

表4 多年平均径流模量法计算水资源结果Tab 4.Water Resource Calculation of Years Average Runoff Modal Method

3 讨论与结论

通过计算对比论证、资料查实，该水源地在设计5口大口径、井深300m的采水机井，大井法预测的一般涌水量为36716.3 m3/d，最大涌水量为49934.2 m3/d；比拟法预测一般涌水量为30406.5 m3/d，最大涌水量为41352.8 m3/d；多年平均径流模量法计算资源量为30483.6 m3/d。

根据预测结果，大井法与比拟法预测，相对误差为20.8%，其主要原因为

(1)大井法为理想化模型，将含水层理论化为均质体，而本区张性断裂发育，导水性较强，裂隙含水层不可能完全均质、各向同性，从而导致抽水试验求得的渗透系数偏大，计算时只能视为均质层，而可能使大井法预测结果偏大。

(2)大井法计算公式基于稳定流理论推导而来，要求地下水有比较充分的补给条件，影响半径边界上的水头高度永远稳定在计算采用的高度上，将补给量预测保持在一个恒定的状态。但在开采的过程，由于疏干，水头高度会逐渐降低，地下水补给量减少，也可能会造成预测结果偏大。

(3)大井法假设地下水为稳定流，将空间流简化为平面流，且处于稳定流状态。可是预测机井涌水量时，计算水位降深少则数米至十几米，大则近百米，“大井”井壁水流早已不是缓变流，同时由于不同富水性的多层含水层的复杂性，在大流量降深条件下，很难处于稳定流状态，因而也可能导致预测结果偏大。

(4)比拟法的预测结果相对较为准确，两者所处水文地质单元、构造环境及水文地质条件相同，取水机井充水水源通道基本相同，而且该法可比较直观的查明充水因素、水源及通道等，充分综合了各种因素，计算结果与实际情况比较接近。

两种方法的预测结果的相对误差20.8%，但绝对误差仅6309.8m3/d，对于整个水文地质单元深部开采而言亦不是很大，预测结果仍可称得上基本一致。

比较几种计算方法及目前水源地开采现状，目前在水源地新设计的5口机井总的开采量设计为20000～25000m3/d是比较合适的。