百威英博项目地下取水方案合理性论证分析

高 亮，冯琳伟

(1.河南省南水北调中线工程建设管理局，河南 郑州 450000；2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

百威英博(河南)啤酒有限公司年产2.0×105t啤酒项目[1]，淡季最大新鲜用水量为4 031 m3/d，旺季最大新鲜水用量为5 751 m3/d。取水地点为盆窑水源地，在新乡市唐庄镇田窑村至西山陵园一线，距青羊口断层250 m，主要开采碳酸盐岩类岩溶水，设计开采量0.9×104m3/d。分析论证范围北起大王庄、西陈召，南至西同古、五陵，东起沿村、北陈马，东至小谷驮、斜道，面积259 km2。

1 水文地质条件

本区水文地质条件主要是受地貌、岩性及地质构造的控制，其中位于山前地带的青羊口断层是主要控制因素。该断层将本区分割为丘陵和平原两大部分，导致水文地质条件亦呈现明显的差异。地下水按含水层岩性及赋存条件可分为碳酸盐岩类裂隙岩溶水(简称岩溶水)、基岩裂隙水、松散岩类孔隙水及碎屑岩类裂隙水四大类(图1)[2]。岩溶水广泛分布于青羊口断层西侧的低山丘陵区，该区域奥陶系灰岩广泛分布，基岩裸露，受北东-南西向断裂的破坏，岩层较破碎，裂隙岩溶发育，为地下水的贮存和运移提供了有利的场所。本区地下水主要靠大气降水补给，形成较丰富的碳酸盐岩类裂隙岩溶水。地下水位埋深一般为70～95 m，350 m以浅含水层厚度为100～250 m，天然条件下，地下水向南及南西方向运移、渗流，在构造和地貌条件适宜处，以泉水的形式溢出地表，如百泉、玫瑰泉，两泉多年平均流量分别为3.89 ，0.18 m3/s。根据本次普查钻孔抽水试验资料、收集的钻孔资料及地面物探推测资料等成果，结合以往勘察成果，统一换算成15 m降深的出水量，岩溶水单井涌水量为1 000～5 000 m3/d，为水量丰富地区[3]。

图1 水文地质图

基岩裂隙水主要分布于张庄、田窑附近的侵入岩体边缘，在风化层及基岩破碎带内，含有少量风化及构造裂隙水，以泉水形式出露，泉流量小于1 L/s。

松散岩类孔隙水分布于青羊口断层东侧的冲洪积斜地及冲积平原浅层含水层中，主要为潜水或者半承压水。第四系松散层中夹有较多的中细砂，地下水位埋深为6～40 m不等，含水层厚度10 m左右，可直接接受大气降水和地表水的渗入补给，形成较丰富的孔隙水。地下水由西北向东南运移、渗流[4]。

碎屑岩类裂隙水主要分布于青羊口断层东侧冲洪积及冲积平原中深层含水层中，埋藏于第四系松散岩类孔隙水之下，西部埋深较浅，向东逐渐变深，顶板埋深西部一般为20～50 m，东部一般为82～103 m。主要含水层为隐伏的新近系泥灰岩和砂岩，总厚度45 m左右，一般多为厚层状，上段质地较纯，裂隙岩溶发育，可间接接受大气降水和地表水的渗入补给，形成丰富的碎屑岩类裂隙水。地下水流向在山前地带由西北流向东南，进入平原后，地下水总流向转向东北[5]。

岩溶水的补给主要为大气降水入渗补给和侧向径流补给。青羊口断层西侧，裸露型岩溶水分布区(山区)降水量相对较大，大气降水主要通过构造裂隙、溶蚀裂隙直接补给地下水，补给量较大，而第四系松散层覆盖的岩溶水补给能力相对较低。岩溶水径流和排泄严格受岩溶发育程度、岩层组合和构造条件等因素控制，地下水整体流向是由北向南，水力坡度为2.5‰，裂隙岩溶发育，地下径流条件较好。侧向流入成为论证区岩溶水的另一个主要补给来源。地下水的排泄主要为垂直排泄，在不同的地貌、水文地质单元有不同的排泄方式。该区岩溶水主要排泄方式为农田灌溉和生活饮用水的开采。

岩溶水动态特征受气象以及人为开采等因素制约，其动态类型主要为大气降水入渗-开采型，表现为大气降水入渗补给使地下水位抬升，而人工开采则使地下水位下降。区内地下水位变化具有明显的季节性，汛前由于开采地下水，地下水位明显下降，6月份达到最低；汛期水位上升，汛后至翌年1—2月份，开采量不大，加上降雨入渗的补给，地下水位趋于稳定状态[6]。

2 用水合理性分析

酒的销售和生产因气候原因有淡季、旺季之分，全厂用水量也随之变化。在生产淡季，本项目最大新鲜用水量为4 031 m3/d；在生产旺季，本项目最大新鲜水用量为5 751 m3/d。设计每吨啤酒的取水量为8.76 m3，其取水量小于用水定额，充分满足定额要求。

制冷机需要冷却水循环使用，循环水流量淡季为1 200 m3/h，旺季3 775 m3/h，平均2 640 m3/h。补充水采用复用水，淡季24 m3/h，旺季76 m3/h，平均53 m3/h。此外，卫生用水和绿化用水亦采用复用水，最大日用水量为1 420 m3/d。消防水量的计算依据，以原料仓库、原料处理间(丙类)为消防对象，其消防水量如下：室外消防用水量45 L/s，室内消防用水量10 L/s，火灾延续时间3 h，一次消防用水量594 m3。污水处理站出水平均每天2 870.5 m3，其出水水质已达“综合污水排放标准”I 级标准，拟将其处理后回用于绿化、消防用水、循环水补充水、地面冲洗水等，尽量减少企业污水排放，以减轻对环境的污染。工艺生产中，去离子水、软化水制备过程中产生大量的过滤器反洗水和反渗透的浓水，该部分水含盐量较高，也可将其回收用于脱硫补水系统。 以上数据显示，该项目用水结构和用水指标基本合理。

3 水源方案比选

3.1 水资源状况

研究区内青羊口断层以东松散岩类孔隙水水量丰富区主要分布在论证区的东南部[7]，其余为水量贫乏区，含水层厚度较小，在水量贫乏区，甚至不能满足生活饮用水需求。从抽水试验的成果看，位于秦庄东北侧的抽水井，井深90 m，抽水试验稳定水位降深28.45 m，稳定水量24.11 m3/h，单位涌水量仅为0.85 m3/h·m。

中深层碎屑岩类裂隙水含水层水量丰富区主要分布在卫辉市区西部，唐岗、辛庄一带，分布面积小，且距离厂区较远；其余为水量中等区和水量贫乏区，含水层厚度小，这些地区碎屑岩类裂隙水加上上层松散岩类孔隙水也仅能供应当地居民生活饮用水和农业用水。从抽水试验计算的成果看，青羊口断层东侧、唐庄一中院内的抽水井，井深300 m，静水位埋深为32.07，抽水试验稳定水位降深32.99 m，稳定水量27.40 m3/h，单位涌水量仅为0.83 m3/h·m。

青羊口断层以西的碳酸盐岩类岩溶水含水层，水量较丰富，换算成15 m降深，单井涌水量1 000～5 000 m3/d，为当地的主要供水含水层，亦为本次水源地建设的首选含水层。从抽水试验计算的成果看，青羊口断层西侧、田窑村的抽水井，井深150 m，静水位埋深为60.40 m，抽水试验稳定水位降深8.66 m，稳定水量66 m3/h，单位涌水量仅为4.73 m3/h·m。

3.2 开发利用现状

据地下水统一调查结果，论证区青羊口断层以东，大司马、西寺门以北地区，地下水严重缺乏，不能满足当地生活饮用水及农田灌溉用水需求。灌溉用水一般每个小时仅能抽十几分钟，靠近断层边缘的地区耕地靠天吃饭或者开采岩溶水灌溉，饮用水也多来自于岩溶水井的集中供水，有些村庄甚至饮水困难。大司马、西寺门以南地区，尤其是卫辉市区边界地下水富水性相对较好，但也仅能满足当地生活饮用水及工农业用水需求，地下水开发利用程度较高[7]。

拟建水源地附近的村庄主要有田窑和盆窑，田窑村的生活饮用水及农田灌溉主要依靠开采岩溶水；盆窑大约200户村民饮用水开采村中浅层地下水之外，其余生活饮用水及农田灌溉均靠开采岩溶水。此外，山彪村的农田灌溉也主要靠开采水源地南侧的西山陵园内的岩溶水。在论证区的其他岩溶水分布区，除少部分村庄依靠水库水和煤矿尾水灌溉外，生活饮用水和农田灌溉主要依靠开采岩溶水；断层东侧的缺水地区，东代村、吕村等地生活饮用水和农田灌溉也靠开采临近区的岩溶水[8]。

开采井对地下水位的影响不大，尚未发现因地下水开采引起的生态环境、地质环境问题。但是，整个论证区处于缺水地区，且整个华北平原地下水都处于超采状态，该区岩溶水地下水位也处于逐年下降状态。区内愚公泉从1990—1998年，地下水位处于正常波动状态，而从1998—2008年，年均下降值0.25 m。

3.3 水源合理性分析

根据各含水层的空间分布及富水性特征分析(图1)，百威英博啤酒厂厂区附近松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙岩溶水含水层富水性较差，含水层厚度较薄，难以满足水源地的集中开采，因此选择水量丰富的岩溶水作为拟建水源地的开采水源。拟建水源地位于唐庄镇田窑村至西山陵园一线，距青羊口断层250 m。从地下水富水程度考虑，该区域裂隙岩溶发育程度较高，且青羊口隔水断层阻止了地下水的侧向流出，地下水富水性较好，适合水源地集中开采。从地下水水质的角度考虑，该区域地下水质量级别均属于良好型，适宜于饮用水及工业用水；从经济角度考虑，该区域与百威英博啤酒厂距离相对较近，且位置较高，降低了输水代价。根据普查钻孔抽水试验资料、收集的钻孔资料及地面物探推测资料等成果，结合以往勘察成果，统一换算成15 m降深的出水量，岩溶水单井涌水量为1 000～5 000 m3/d，为水量丰富区。

4 岩溶水天然资源量

4.1 入渗补给量

入渗补给现状年选取2010年，典型年选取1971—2000年，计算公式为

Q降=α·c·p·F

(1)

式中：Q降为降水入渗补给量(×104m3/年)；p为年降水量，mm/年；α为降入渗系数，取0.30；c为有效降水系数(取经验值90%)；F为计算区面积，km2。

4.2 侧向径流补给量

根据地下水流场状态，在论证区的北部边界，区内地下水通过侧向径流形式接受区外补给，经计算，补给量为1 172.30×104m3/年。其计算公式为

Q侧=K·M·I·L

(2)

式中：Q测为含水层的侧向流入量(×104m3/年)；K为边界附近含水层的渗透系数(取9.10 m/d)；M为含水层有效厚度(取90 m)；L为边界的长度(取13 072 m)；I为边界附近的地下水水力梯度(根据地下水流场图确定，取值0.003)。

4.3 岩溶水资源量

论证区岩溶水的天然资源量，即总补给量为(表1)：丰水年为3 428.59×104m3/年，平水年为3 137.46×104m3/年，枯水年为2 766.79×104m3/年，现状年属于丰水年，总补给量为3 546.2×104m3/年。

表1 岩溶水分布区天然资源量计算表 m3/年

5 地下水水位预测

5.1 布井方案

水源地抽水井垂直地下水流向，沿着断层带布置，采用单排布井法，井距500～800 m，呈北东-南西方向，设5口抽水井，1口备用井(图2)。

图2 布井方案示意图

5.2 含水层概化

水源地开采井布置在断层线附近，且断层为阻水断层，可概化为隔水边界。长期抽水时，此边界对水流有明显影响。根据论证区的水文地质条件、含水层的岩性、结构、埋藏条件，长期抽水条件下，岩溶水的水位降深与时间的关系与Theis曲线一致。计算中选取完整井井群干扰非稳定流公式，利用叠加原理计算开采条件下中心井和边缘井的地下水位降深，即

(3)

5.3 水位降深

水源地在群井开采下，单井出水量不变，地下水位因各井同时抽水相互干扰而下降，采用式3叠加计算，分别计算开采1，5，10，15，20年水位降深。由表3可得，开采20年中心井地下水位降深为11.94 m；由表4可得，开采20年边缘井地下水位降深为11.02 m，此地下水位降深小于含水层厚度的1/3。此外，由水源地群井抽水时中心井水位和边缘井水位降深时间变化得出，水源地开采10年以后，地下水位趋于稳定，地下水的补给和排泄达到新的平衡。

表3 水源地群井抽水时中心井水位降深

表4 水源地群井抽水时边缘井水位降深

叠加区域地下水位降深后，水源地开采20年，中心井地下水位降深为16.94 m，边缘井地下水位降深为16.02 m，此地下水位降深仍小于含水层厚度的1/3。因此，水源地0.9×104m3/d的开采量是有保证的，此开采方案是合理的。

6 结 论

根据以上计算结果分析，岩溶水的总补给量为：丰水年为3 428.59×104m3/年，平水年为3 137.46×104m3/年，枯水年为2 766.79×104m3/年，现状年属于丰水年，总补给量为3 546.2×104m3/年。从区域地下水开发利用现状看，水源地分布区岩溶水地下水位处于逐年下降状态，属于超采区，理论上该区域不适合水源地的建设。从解析法分析计算，水源地开采20年中心开采井地下水位降深为16.94 m，边缘井地下水位降深为16.02 m，此降深远小于含水层厚度的1/3，水源地的开采量主要袭夺的是岩溶水侧向流出量，由于含水层具有强大的调蓄功能，考虑以丰补歉的原则，合理地动用部分储存量是可行的。因此，此水源地作为应急供水水源地，满足近几年百威英博(河南)啤酒有限公司的供水水源，允许开采量328.5×104m3/年是安全可靠的，能满足百威英博(河南)啤酒有限公司旺季和淡季的新鲜用水量要求。