神木县马镇渗流井抽水试验分析

田国林，王俊杰

(1.陕西地矿九〇八环境地质有限公司，陕西 西安 710600；2.陕西地矿地质工程勘查院有限公司，陕西 西安 710600)

我国是世界上相对缺水的国家，且水资源时空分布不均，部分地区缺水形势严峻，水资源短缺成为区域社会经济发展的制约因素[1-2]。陕北地区水资源匮乏，开发难度大，随着陕北能源化工基地建设的加快，水资源供需矛盾日益突出，已成为制约陕北能源化工基地发展的最大因素。渗流井与管井等传统地下水取水建筑物相比，渗流井虽然结构较为复杂，但其优势明显：出水量大、降深较小，良好的自净作用，不需要频繁清洗，供水总体成本相对较低的同时易于管理[3-6]。由于渗流井与管井等传统地下水取水建筑物不同，其取水机理尚不明确，如何优化渗流井取水设计尚无理论基础，因此有必要通过必要的手段对其进行探究，抽水试验则是最基础的研究方法。

1 研究区概况

1.1 地理概况

研究区位于陕西省榆林市神木县马镇(图1)。位于县域东南部的马镇，与山西省兴县瓦塘镇隔黄河相望，北侧与榆林市府谷县相毗邻，距离神木县城52 km。马镇虽地处土石山区，但紧靠黄河，黄河宽阔的河漫滩蕴藏了丰富的地下水，得天独厚的自然条件，使得渗流井傍河取水成为了可能，改善了陕北地区干旱缺水的局面。

图1 研究区地理位置

1.2 气象水文

神木县属温带半干旱大陆性气候，夏季炎热短促，冬季寒冷漫长。多年平均降雨量422.7 mm，多年平均蒸发量为1 789.9 mm。神木县境内发育的河流主要有窟野河、秃尾河和黄河等，其中窟野河、秃尾河均为黄河的一级支流。

2 基本原理

2.1 渗流井基本结构

渗流井是一种利用傍河取水基本原理，通过河流天然滤床过滤作用获取水资源的地下取水建筑物。其结构较为复杂，由渗流孔、硐室、输水平巷和集水竖井四个主要部分组成[6](图2、图3)，每个渗流井均由若干个通过输水平巷相连的取水硐室组成，各硐室四周设置有若干个具有一定仰角的渗流孔，渗流孔伸入河床，使得河床中的水由渗流孔流入各硐室后进入输水平巷，输水平巷与河流岸边的集水竖井相通，最终通过集水竖井开采水资源。

图2 渗流井结构平面示意图

图3 渗流井结构剖面示意图

2.2 渗流井井流理论

渗流井作为一种特殊的水井，其井流理论不同于传统管井。谢水波等[7]、王允麒等[8-10]推导出了薄含水层条件下井底进水河床渗井出水量计算公式。王玮通过大量实验研究，引入陈崇希[11-12]等人提出的等效渗透系数的概念，初步建立了地下水向渗流井流动的稳定流数学模型：

其中：K为渗透系数(m/d)；Kh、Kv分别为水平渗透系数和垂向渗透系数(m/d)；Kr为河床淤积层的垂向渗透系数(m/d)；H为地下水位高度(m)；H1为第一类边界水位标高(m)；n为二类边界外法线方向单位向量；Γ1为一类边界；Qs为渗流井的开采量(m3/d)；Hs为渗流井抽水动水位(m)；Mr为河床淤积层的厚度( m)；Hr为河流水位(m)；qr为河流单位面积的渗漏补给量(m/d)；np为潜水面内法线方向单位向量；Γ2为二类边界；D为计算区范围；d为“井管”的直径(m)；γ为水的重率( N/m3) ；μ为水的动力黏滞系数(Pa·s)；g为重力加速度( m/s2)；f 为“井管”的摩擦系数；v 为“井管”中的渗流速度(m/s)。

3 试验分析

3.1 试验设计

以神木县马镇S3号渗流井(图4)为依托，开展渗流井抽水试验，S3号渗流井竖井位置第四系厚17 m，平巷位于竖井44 m处，第四系观测孔深17 m，7 m、11 m、15 m三层观测，基岩22 m、47 m两层观测，分层下入自动水位监测仪。

图4 渗流井及观测孔平面位置图

其中，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9孔同时观测第四系7 m、11 m、15m三层水位，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S8孔同时观测22 m处基岩水位，S2孔同时观测47 m处基岩水位，S9位于对岸黄河水边线。

抽水试验共配置五台抽水泵抽水，逐级增加抽水量，进行五次定流量抽水，试验期间采用自动水位采集仪对竖井及各观测孔水位进行实时采集(每隔一分钟采集一次)，另运用大气补偿装置对大气压数据进行实时采集，确保了数据采集的详实性和准确性。

3.2 数据分析

3.2.1 涌水量、降深历时曲线

对五次落程定流量抽水试验数据进行整理，得出涌水量、降深历时(Q、s-t)曲线如图5，可以看出随着抽水抽水流量的增大，竖井水位降深也越来越大。抽水试验初期，涌水量较小，涌水量主要来自于渗流井及其所在含水层，河流渗漏补给水量较少，水位能在较短的时间内达到稳定状态；而随着抽水量的增大，渗流井及其所在含水层出水量逐渐减少, 河流渗漏补给量逐渐增加，水位达到稳定状态所需的时间逐渐变长[13]。

图5 竖井涌水量、降深历时(Q、s-t)曲线图

3.2.2 涌水量-降深关系曲线

通过对五次落程定流量抽水试验竖井涌水量及稳定降深数据的整理分析，可绘制出竖井(单位)涌水量-稳定降深关系(Q=f(s)，q=f(s))曲线如图6所示。可以看出，关系曲线符合传统抽水试验结论，当降深为3.3 m时，涌水量为7 243.2 m3/d，降深为5.97 m时，涌水量为11 044.8 m3/d，当降深为10.57 m时，涌水量为15 804.0 m3/d，当降深为21.99 m时，涌水量为18 816.48 m3/d，当降深达32.35 m时，涌水量可达19 267.2 m3/d。

图6 竖井(单位)涌水量-稳定降深关系(Q=f(s)，q=f(s))曲线图

4 结语

(1)渗流井的井结构与井流理论虽然与管井等传统地下水取水建筑物不同，但通过试验得出，多落程定流量抽水试验同样适用于渗流井，其涌水量、降深历时曲线(Q、s-t)以及涌水量-稳定降深关系曲线(Q=f(s)，q=f(s))均符合传统抽水试验结论，因此可作为水文地质分析的依据。

(2)抽水试验初期，涌水量较小，涌水量主要来自于渗流井及其所在含水层，河流渗漏补给水量较少，水位能在较短的时间内达到稳定状态；而随着抽水量的增大，渗流井及其所在含水层出水量逐渐减少, 河流渗漏补给量逐渐增加，水位达到稳定状态所需的时间逐渐变长。