山间谷地采用干扰井群法评价集中供水水源地

张家好

(青海煤炭地质局，青海 西宁 810029)

水源地位于柴达木盆地南部的小灶火中游河谷区，为典型的山间河谷型水源地，为第四系松散岩类孔隙潜水，含水层主要岩性为砂卵砾石，径流条件较好。拟建水源地处水位埋深为22～24 m，含水层厚度为24～32 m，涌水量为3532～6076 m3/d，降深为2.43～3.33 m，地下水动态类型为水文-径流型，水化学类型以Cl-Na·Ca、Cl-Na型水为主，矿化度为1.270～1.480 g/L。

为解决小灶火河中上游夏日哈木镍钴矿采选项目的供水需求，在小灶火中游河谷区开展了调查及水文地质详查工作，以期在河谷区寻找到可供开发利用水源地，为矿业开发提供供水方案[1-4]。

1 天然资源量计算及评价

(1)河水入渗法。该地区地下水主要补给来源为地表河水的入渗补给，采用测流工作确定了河水不同流量时的渗漏规律，通过勘查年1个水文年的动态观测工作确定了河流的流量，采用河水入渗法确定出勘查区天然资源量为7.217万m3/d。

(2)达西断面法。采用断面法用抽水试验资料及地下水动态长观资料确定参数，计算出勘查区天然补给量为6.380万m3/d。通过上述两种方法对比分析论证，最终采用断面法计算的数值作为勘查区的天然资源量。

2 拟开采量评价

当两口或两口以上的水井同时抽水，而水井间距又小于两口井的影响半径之和时，水井的水位和流量发生相互干扰的现象。发生此现象的水井称“干扰井”。当井中水位降深相同时，干扰井的单井涌水量小于同样条件下非干扰井的单井涌水量。反之，当涌水量相同时，干扰井的水位降深大于同样条件下非干扰井的水位降深。其作用为可降低建筑基坑和矿坑的地下水位。采用井群干扰法，该方法适用于开采井不多、抽水井较集中、开采面积不大的集中供水水源地评价，结合本地区的条件，采用该方法进行评价[5]。

2.1 计算区模型概化

勘查区河流渗漏补给地下水后，向开采区径流。东西两侧分别为基岩山区与河谷区界限，概化为隔水边界。南部边界定在河水渗失处，处理为定流量补给边界，考虑需预留足够的向北部的径流排泄量，以保证对下游出山口泉集河不造成太大的影响，将北部边界处理为定流量排泄边界，强制进行排泄[6-8]。根据以上条件概化后，可认为含水层是近似水平、均值、各向同性的有界含水层，隔水边界处做一次映射，将有界含水层处理为无界含水层，按势叠加原理，各开采井降深可用非稳定干扰井群法解析式求解， 如式(1)：

(1)

式中：S为各井点的水位降深，m；H为开采区含水层厚度，m；k为渗透系数，m/d；Qi为第i口井的涌水量(抽水井为正，注水井为负)，m3/d；W(ui)为井函数。

2.1.1 概化模型

根据前述布井方案和开采区的水文地质条件，可概化成东西宽1200.00 m，南北长4500.00 m，厚27.84 m的单层潜水含水层。

2.1.2 参数的确定

含水层平均厚度取本次勘探线钻孔揭露深度内枯水期平均含水层厚度为27.84 m。通过非稳定流抽水试验，渗透系数k取本次勘探线上钻孔的平均渗透系数为159 m/d，导水系数T取拟建水源地区勘探线上钻孔的平均渗透系数与平均含水层厚度的乘积为4427 m2/d，给水度采用漏斗法用早期数据获取的数值为0.092，拟开采区面积为1200 m×1200 m。

2.2 现状条件水均衡

勘查区主要补给为上游地表河水的入渗补给，排泄为向下游径流排泄，二者处于平衡状态。

2.3 拟建水源地设定原则

(1)勘查区北部出山口为已建的小灶火灌区引水工程，该工程年均取水量为2.690×104m3/d，预留至少大于该引水量的向北部排泄量，以保证泉集河的正常泄出量，不影响该取水工程。(2)拟建中型水源地应选择在平坦易“三通”、避开沙漠的地区；若降深条件允许，宜集中布井，以降低基建和提水费用，便于施工、维护与运行管理等。(3)拟建中型水源地距离用水矿区12 km，二者有170 m加压高程，开采井扬程直接影响运行费用。结合当地水资源紧缺现实与施工、运行费用等情况，开采井最大地面参照扬程设定为：“平水年不超过37 m，特枯水年不超过40 m”，使水源地的施工与运行费用在较合理区间，选泵也较方便、容易，此扬程对开采井造成的扰动相对较小，能长时间保证井的正常使用。

2.4 源汇项处理

由于上游河流只进行了一个水文年的观测，无法确定上游河水丰枯水期的来水量，因此，采用水文比拟法来设置河流水径流量，以作为预测模型之外部环境。以枯水期断面资源量作为河谷区多年天然补给量，将天然资源量6.380×104m3/d平均分配到B01～B07补给井中，为9114.29 m3/d。C1～C6开采井流量从2400 m3/d逐级增加到3500 m3/d，排泄井流量为天然资源量减去开采量平均分配到P01～P07号排泄井中，同时要求排泄总量至少>1.3倍下游引水工程量。

2.5 开采位置确定

拟定的开采区位于小灶火河中游的夏日阿哈木河与苏海图河交汇处东侧的一级洪积阶地，选在此处一方面该点处河谷宽度为3.0 km，为小灶火中游河谷区最宽处，调蓄空间大。另一方面靠近现代河床，可最大程度的接受河流的渗漏补给，综上两方面的因素，适宜建较集中小型水源地，可集中布设开采井，交通较为便利，便于管理。

2.6 开采方案的确定

开采井沿垂直地下水流方向呈梅花状布置，初步确定井间距200～500 m，共2排，每排各3口井，共6口井。井结构为完整井，钻孔深度为揭露至基岩，井径φ550 mm，下入35.56 cm(φ377 mm)井壁管和缠丝滤水管并填砾。滤水管长度控制在30～40 m，下至含水层底部。开采井选用200QJ80—100/10型号的潜水泵，单井涌水量控制在2400～3500 m3/d左右，各开采方案具体见表1。

表1 不同开采方案

按上述4种开采方案，论证在不同井间距200 m、300 m、400 m、500 m时井群中心区域水位下降是否满足开采要求。

3 拟建水源地允许开采量评价

3.1 开采降深分析

拟建的开采区现状地下水位埋深22.62 m，在开采井的地面参照潜水泵扬程不超过37.00 m的开采技术条件下，推算开采区漏斗开采井总水位允许降深值，平水年平均总允许降深取9.38 m，同时限定总允许降深不能超过1/2含水层厚度，为13.92 m，二者取小值为9.38 m。

采用上述4种开采方案，对开采区中心的C2号进行降深预测，预测开采时间为30 d、183 d、1 a、3 a、5 a、8 a、10 a、15 a、20 a、30 a时的井群中心区域水位降深值，详见图1。

图1 开采区中心区域不同开采时间下的C2号井水位降深

由图1可知，当井间距为200 m、300 m、400 m、500 m时，水源地运行30 a后，开采井降深分别为5.316～7.673 m、5.206～7.488 m、5.145～7.362 m、5.164～7.337 m，均小于设定的允许降深，满足要求。

3.2 开采技术条件分析

开采井结构为完整井，钻孔深度揭露至基岩，井径φ450～550 mm，下入30.48 cm(φ325 mm)井壁管和缠丝滤水管，并填砾。开采井选用200QJ100/10～200QJ150/10型号的潜水泵。为考察集中水源地的开采能力，在单井开采量控制在2400～3500 m3/d，井距离200～500 m条件下，在允许降深分析的基础上，同时考虑年内水位动态变幅、枯水期及特枯水年对水源地安全运行的影响，年变幅选取开采区勘探剖面水位动态变化最大钻孔(K04)的年变幅，为2.40 m，小灶火中游河谷区河流为多年季节性山岳河流，年内及年际变化大，丰水期6—9月补给量占总补给量高达80%以上，所以预留2 m作为枯水期调节水位，预留3 m作为特枯水年调节水位，以提升供水保障度。据本次勘探剖面上钻孔多落程抽水试验曲线，涌水量为1566～4336 m3/d时，开采井降深2.089～7.432 m，根据该曲线推算开采井开采量为2440～3500 m3/d时的降深，考虑上述四方面因素后汇总水源地运行30 a后的开采技术条件，详见表2～表3。

表2 开采30年后开采技术条件汇总

表3 开采30年后不同井间距的开采技术条件汇总

由表2～表3可知，当开采量>19 200 m3/d时，各方案特枯水年均不能正常开采；当开采量<14 400 m3/d时，各方案均能满足正常开采；当开采量为17 160 m3/d，井间距≥400 m时，特枯水年能正常开采。因此选取最接近设定的开采扬程(平水年不超过37 m，特枯水年不超过40 m)，同时考虑河谷区地形的约束，适当的集中的原则，综合上述因素，选取方案2(井间距为400 m，单井开采量为2680 m3/d)作为地下水合理的开采方案。水源地运行后中心点区域水位降深随时间变化见图2，从图看出，水源地开采8 a后逐步趋于稳定，井群中心开采30 a后区域水位下降6.070 m，单井流量为2800 m3/d，开采井降深为3.900 m，开采井总降深为9.970 m，<1/2含水层厚度。

4 结 论

通过不同的开采方案，采用干扰井群法确定拟建水源地区允许开采量为1.716万m3/d，允许开采量占天然资源量的27%，从水资源开采系数看，拟建水源地有充分的资源保证，地下水降深与扬程处于较经济的合理区间，技术经济合理、取水方案可行，特枯水年也能正常开采，水源地保证程度较高。因此，推荐采用方案2作为地下水的合理开发利用方案。