地下水取水建筑物在地下水高效取水中的应用效果研究

钟耀斌

(宝鸡市地下水管理监测中心,陕西 宝鸡 721001)

0 引 言

随着社会经济的快速发展,对水资源的需求量与消耗量十分巨大。水资源短缺问题将直接影响到居民的生活质量以及经济、工业的发展,因此近年来地下水资源受到了极大的重视［1-2］。马九杰等［3］基于双重差分与三重差分模型,分析了地下水资源管理政策对马铃薯种植户节水技术采纳程度的影响。李任政等［4］结合模糊综合评价法(Fuzzy comprehensive evaluation,FCE)和层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)构建了FCE-AHP耦合模型,对地下取水工程取水许可延续进行全面客观的综合后评估。田龙等［5］以新疆地区为例,探讨了地下水取用水量的审核重要性,并提出了一种基于单位耗电量的地下水取用水量的计算方法,为地下水取用水量审核工作提供了数据支持。

综上可以看到,地下水取水工作受到许多学者的关注和重视,但当前的研究成果中对于地下水高效取水方式的研究较少。因此,本文针对地下水取水建筑物在地下水高效取水中的应用展开探讨,并对其进行优化,以进一步提升地下水取水效率,对我国社会经济、工业发展都有积极意义。

1 研究区域概况

本文选择的研究区域在绥德县东南边境的县枣林坪河谷区,属于西北内陆。由于地理位置和季风的影响,该地区形成了较为独特的气候特点,春季气温提升速度快,降水量较少;夏季气温较高,且降水量较大;秋季气温较低,空气较为湿润;冬季温度低,但降雨和降雪频率低,封冻期长。该地区的盐岩储藏量十分庞大,约为1.5×1012t,因此盐化工业极为发达。该地区的降水量年内分配并不均匀,降水一般集中在7-9月份,见图1。

图1 绥德县年降水量

该区域的地下水主要有两种,分别为第四系松散岩类孔隙潜水和三叠系碎屑岩类裂隙水。其中,第四系松散岩类孔隙潜水主要在河漫滩中储藏,在一级阶地中也有所分布［6-7］。黄河河谷区的地势相对而言坡度较小,第四系冲洪积含水层较厚,结构相对而言不够紧密,孔隙率较大,也因此具备较好的透水性,而地下水往往会存附在地层的孔隙之中［8］。三叠系碎屑岩类裂隙水是指赋存在三叠系碎屑岩类裂隙中的地下水［9-10］。

针对第四系冲洪积层孔隙含水层和三叠系碎屑岩类裂隙含水层进行钻孔抽水试验,结果见表1。钻孔条件为孔径271mm、孔壁降深5m。在第四系冲洪积层孔隙含水层钻孔抽水试验中,Z1孔位于研究区上游漫滩中部的水量较贫乏区,该钻孔的各项属性表明含水层岩性主要是泥质粉细砂,并存在含泥砂砾卵石。Z2孔位于研究区中游漫滩前缘的水量丰富区,该钻孔的各项属性表明含水层岩性主要是泥质粉细砂,并存在含泥砂砾卵石。Z3孔和Z4孔分别位于研究区下游距离黄河水边线5.6和19.8m处,为水量贫乏区,这两个钻孔的各项属性表明含水层岩性主要是泥质粉细砂、含泥砂砾卵石以及淤泥质夹层。在三叠系碎屑岩类裂隙含水层钻孔抽水试验中,Z1孔和Z4孔分别位于研究区上游石窖沟口以及下游支沟口的水量较贫乏区的风化裂隙带内,这两个钻孔的各项属性表明含水层岩性主要为中细粒砂岩和粉砂质泥岩。Z2孔和Z3孔的各项属性则表明含水层岩性主要为完整砂泥岩互层。

表1 钻孔抽水试验结果

2 取水建筑物取水效果及方案优化

在进行地下水取水建筑物取水效果计算时,首先需要对研究区进行地下水二维稳定流数学模型建模。参考已有水文地质概念模型的相关研究成果［11-12］,综合研究区的地下水存附状况,研究构建地下水二维稳定流数学模型,公式如下:

(1)

式中:H为地下水位标高,m;K为渗透系数,m/d;x,y为研究区域的坐标变量,m;xi,yi为开采井i的坐标位置,m;h0为初始水位标高,m;h1为一类边界水位标高,m;Kr为黄河河床介质的垂向渗透系数,m/d;Mr为黄河河床介质的厚度,m;qr为黄河及支流与地下水的交换水量,m3/d;Qi为开采井i的开采量,m3/d;n为二类边界的外法线;D为研究区域;r2为二类边界。

基于上述内容,研究构建地下水二维非稳定流数学模型,公式如下:

(2)

式中:t为时间,d;μ为给水度。

根据式(1)和式(2),可以进行地下水取水建筑的取水量计算。目前,较为常见的地下水取水建筑有傍河管井、廊道、辐射井及渗流井等。分析研究区域的地质、水文等,根据分析结果,通过数值模拟来计算在研究区域采用傍河管井、廊道、辐射井及渗流井等地下取水建筑的允许开采量。

首先验证傍河管井在研究区域的允许开采量。设计井间距方案有3种,分别为100m(开采井数24眼)、150m(开采井数16眼)以及200m(开采井数12眼);单井开采量方案也为3种,分别为1 600、1 800、2 000m3/d。两两组合,共得到9种开采方案。根据式(1)和式(2)计算地下水开采效果,各方案的开采效果见图2。可以看到,开采量与开采井的降深总体呈正相关关系,且若开采量较大时,应采用单井开采量小而开采井数多的开采方案。基于研究区域的实际情况,采用第二种开采方案,即单井开采量1 800m3/d、开采井数24眼。

重复上述内容,计算得到廊道开采的最佳方案为距潜水面5m,降深5m。在该方案下,当黄河处于平水期时,廊道出水量达到64 633.79m3/d;当黄河处于枯水期时,廊道的出水量达到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d。辐射井的取水工程结构平面图见图3。

图2 各方案的开采效果

图3 辐射井的取水工程结构平面图

通过计算结果,并综合考虑研究区域辐射井建设成本等因素,在利用辐射井作为地下取水建筑物进行地下水开采时,方案采用17眼辐射井开采方案。在该方案下,当黄河处于平水期时,辐射井的出水量达到37 525.66m3/d;当黄河处于枯水期时,辐射井的出水量达到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d。渗流井的取水工程结构平面图见图4。

图4 渗流井的取水工程结构平面图

在渗流井的设计方案中,共设计两种方案,分别为方案1(7口5硐室)和方案2(7口4硐室)。在上述两种渗流井的设计方案中,竖井间距相同,均为400m;硐室的平面位置设计也相同,均为黄河平水期水边线。两种方案的硐室间距不等,7口5硐室方案下,间距设置为60m;7口4硐室方案下,间距设置为70m。各硐室在进行渗流孔施工时,均朝斜上方进行,且保证每根渗流孔伸入第四系的长度为1～3m之间。在进行渗流孔布置时,其位置主要位于黄河河床上,平巷则沿着黄河在枯水期时的水边线进行布置。基于上述内容,再利用相应的剖分形式,对各方案下的渗流井取水效果进行计算和分析。在研究区域,两种方案的渗流井布置位置见图5。

图5 两种方案的渗流井布置位置

通过计算获取两种方案的取水效果,结果发现5硐室渗流井的取水效果明显优于4硐室。通过计算结果,并综合考虑研究区域渗流井建设成本等因素,在利用渗流井作为地下取水建筑物进行地下水开采时,采用方案1来实现。在该方案下,当黄河处于平水期时,渗流井的出水量可以达到66 115.28m3/d;当黄河处于枯水期时,渗流井的出水量可以达到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d。可以看到,与其他地下水取水建筑物相比,渗流井的取水效果更好。因此,采用渗流井进行研究区域的地下水取水工作。

现有研究成果表明,在利用渗流井进行地下水取水时,硐室数量的增加有利于渗流井取水量的增加。在本研究采用的方案中,为7口5硐室,竖井间距400m;硐室的平面位置为黄河平水期水边线。各硐室在进行渗流孔施工时,均朝斜上方进行,且保证每根渗流孔伸入第四系的长度为9m。在进行渗流孔布置时,其位置主要位于黄河河床上,平巷则沿着黄河在枯水期时的水边线进行布置。抽水为定降深5m抽水。

研究对该方案进行优化,根据计算结果,优化方案如下:渗流井硐室沿黄河枯水期水边线布置,以获得更大的出水量;渗流孔伸入第四系的长度为9m,直径为0.11m,在保障取水效率的同时,还能够控制施工成本并保障施工安全;综合考虑渗流井的地下水取水效果和施工成本、施工安全等因素,取单井5硐室。

3 优化地下水取水方案的效果分析

在综合考虑研究区域傍河管井、廊道、辐射井以及渗流井等地下取水建筑建设成本等因素后,研究选取各地下取水建筑进行地下水取水工作的最佳方案设计,并计算各方案下的取水量。经过对比后,研究选择渗流井进行研究区域的地下水开采工作。为验证渗流井在研究区域的地下水开采工作中的应用效果,将其与傍河管井、廊道、辐射井等地下取水建筑的地下水开采效果进行对比,见表2。

表2 渗流井、傍河管井、廊道、辐射井等地下取水建筑的地下水开采效果对比

由表2可以看到,傍河管井的平水期开采量为25 139.86m3/d,枯水期开采量为17 089.93m3/d,在枯水期的开采量衰减幅度为32.02%,相对较小,但通过傍河管井进行地下水开采的效果较差,因此在研究区域不适合采用傍河管井。当黄河处于平水期时,廊道的出水量达到64 633.79m3/d;当黄河处于枯水期时,廊道的出水量达到35 726.87m3/d,比平水期少28 906.92m3/d,开采量衰减幅度为44.73%,衰减程度巨大。当黄河处于平水期时,辐射井的出水量达到37 525.66m3/d;当黄河处于枯水期时,辐射井的出水量达到22 618.09m3/d,比平水期少14 907.57m3/d,开采量衰减幅度为39.72%,衰减程度巨大。当黄河处于平水期时,渗流井的出水量达到66 115.28m3/d;当黄河处于枯水期时,渗流井的出水量达到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,开采量衰减幅度为25.71%,衰减程度与其他地下水取水建筑物相比较小。因此,研究区域采取渗流井作为地下水取水建筑物的取水效果最好。

为进一步提高渗流井的优化效果,本研究在渗流井布置方案1的基础上,提出了优化方案。为验证优化方案对地下水取水的优化效果,以方案1为基础,每次仅改变渗流孔伸入第四系的长度或渗流孔直径。其中,方案1下的渗流孔伸入第四系的长度为9m,研究改变渗流孔长度分别为7、12及14m。方案1下的渗流孔直径为0.073m,研究改变渗流孔直径分别为0.110、0.145及0.180m。比较各方案下的出水量,见图6。

图6 不同渗流孔伸入长度和直径下的出水量

由图6(a)可知,渗流孔伸入第四系的长度与总出水量总体呈正相关关系,但渗流孔伸入第四系的长度越大,其曲线的斜率越小。表明当渗流孔伸入第四系的长度越大时,增加其长度后出水量的增长幅度越小。可以看到,当渗流孔伸入第四系的长度为12m时和渗流孔伸入第四系的长度为14m时,两种方案下的总出水量相当。综合考虑施工难度与成本,选用12m更佳,这与研究设计方案一致。

由图6(b)可知,渗流孔直径与总出水量总体呈正相关关系,但渗流孔直径越大,其曲线的斜率越小。表明当渗流孔直径越大时,增加其长度后出水量的增长幅度越小。可以看到,当渗流孔直径为0.110、0.145和0.180m,3种方案下的总出水量差距非常小。鉴于渗流孔直径越大,施工难度越大,施工成本越高,因此综合考量下,渗流孔直径取0.110m最佳,这与研究设计方案一致。

比对优化方案与渗流井布置方案1的取水效果,见表3。由表3可知,在优化方案下,平水期开采量增加36 545.23m3/d,枯水期开采量增加28 992.66m3/d,开采量衰减程度降低1.81%。综上所述,研究所提出的优化方案的地下水取水效果更佳,更适用于研究区域的地下水开采工作。

表3 优化方案的取水效果分析

4 结 论

地下水取水建筑物的取水效果关系到当地水资源的获取与应用,进而影响到当地的工业发展与生活质量。因此,本文探讨了地下取水建筑物在研究区域的地下水取水效果,并对渗流井的布置方案进行了优化。结果显示,当黄河处于平水期时,渗流井的出水量达到66 115.28m3/d;当黄河处于枯水期时,渗流井的出水量可达到49 129.62m3/d,比平水期少16 985.66m3/d,开采量衰减幅度为25.71%,衰减程度与其他地下水取水建筑物相比较小。在优化方案下,平水期开采量增加36 545.23m3/d,枯水期开采量增加28 992.66m3/d,开采量衰减程度降低1.81%。综上所述,研究所提出的优化方案的地下水取水效果更佳,更适用于研究区域的地下水开采工作。