丁天生，伍高燕

(長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710064)

在我國(guó)乃至全世界，水資源問(wèn)題以及與其相關(guān)的水環(huán)境問(wèn)題日益成為制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的瓶頸。由于長(zhǎng)期以來(lái)人們已經(jīng)大量利用了地表水資源，使今后可增加的地表水資源受到限制，故許多水資源專家認(rèn)為，在滿足今后世界上日益增長(zhǎng)的用水中，地下水資源將會(huì)越來(lái)越重要。與此同時(shí)，如何合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源、如何高效修復(fù)受損的水環(huán)境，也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在這些問(wèn)題中，各類集水建筑物是重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

而滲流井以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)在眾多取水建筑物中凸顯出來(lái)。滲流井由豎井、平巷、硐室和輻射孔(滲流孔)4部分組成，每個(gè)滲流井視具體情況一般包括若干個(gè)硐室，在各硐室的頂部及側(cè)面一般向上或側(cè)上方向上施工若干輻射孔，輻射孔伸入到河谷區(qū)的主要含水段。為方便硐室內(nèi)輻射孔的施工，硐室尺寸一般為4 m×4.5 m×3.2 m，綜合考慮硐室間相互干擾、工作量以及施工難度等，硐室間距為50～70m，之間通過(guò)平巷連接。為了方便滲流井施工過(guò)程中出渣等，平巷截面尺寸一般為2.2 m×2 m;整個(gè)結(jié)構(gòu)體系位于河床之下的地層之中，而豎井作為取水點(diǎn)，位于河岸邊，通過(guò)平巷與該結(jié)構(gòu)體系連接，豎井即為滲流井的取水點(diǎn)。在第四系沖積層厚度較小的河谷區(qū)，滲流井主要進(jìn)水部位為輻射孔，在沖積層厚度較大的河谷區(qū)，位于河底的平巷也是主要的進(jìn)水部位。滲流井取水原理示意圖如圖1所示［1］。

圖1 滲流井取水原理意圖

1 大會(huì)坪水源地概況

1.1 水文地質(zhì)概況

勘查區(qū)范圍:大地坐標(biāo)X=37 455 170～37 457 870 m，Y=4 212 980～4 223 430 m。地下水含水層包括第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層、三疊系碎屑巖類裂隙帶、第四系更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，其中第四系更新統(tǒng)風(fēng)積黃土為局部含水的透水不含水地層。區(qū)內(nèi)地下水資源具有開(kāi)發(fā)利用前景的富水地段為黃河漫灘地區(qū)，含水介質(zhì)為第四系全新統(tǒng)沖洪積砂礫卵石層及三疊系基巖風(fēng)化裂隙帶，含水層厚度較大，為非均質(zhì)軸對(duì)稱各向異性。勘查區(qū)地下水資源賦存部位包括黃河河谷區(qū)和低山丘陵區(qū)。黃河河谷區(qū)地勢(shì)平坦，沖洪積層結(jié)構(gòu)松散，厚度較大，含水層巖性以含礫砂層和砂礫卵石為主，孔隙率較大，透水能力強(qiáng)，易于接受大氣降水入滲補(bǔ)給，開(kāi)采狀態(tài)下還可得到黃河地表水的滲漏補(bǔ)給，地下水開(kāi)采條件較為優(yōu)越，適宜集中供水。低山丘陵區(qū)支溝縱橫，地形破碎，黃土、黃土狀土零星披蓋于基巖梁峁上，為透水不含水地層，不易形成良好含水層，無(wú)供水意義。

天然條件下，區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給主要依靠大氣降水入滲、農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給。地下水徑流主要受地形條件控制，以所在支溝為單元，地下水順地勢(shì)向黃河徑流。排泄方式包括地表徑流、潛水蒸發(fā)、植物蒸騰。

1.2 模型邊界概化

勘查區(qū)東部邊界為黃河，在天然條件下，地下水接受大氣降水入滲補(bǔ)給后向黃河排泄，在未來(lái)開(kāi)采條件下，可激發(fā)黃河水滲漏補(bǔ)給地下水，故將黃河概化為第三類河流邊界;西部邊界為低山丘陵區(qū)與黃河河谷區(qū)分界線，基巖透水性差，可概化為隔水邊界;黃河水面寬廣、縱向延伸長(zhǎng)，故將漫灘上、下游邊界概化為一類定水頭邊界;勘查區(qū)頂面為潛水面，該面上分別發(fā)生降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，可概化為潛水面邊界;底面為三疊系完整基巖，基巖結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成區(qū)域隔水底板［2］。如圖2所示。

2 計(jì)算模型

采用滲流井方式開(kāi)采地下水時(shí)，受開(kāi)采井結(jié)構(gòu)及集水方式影響，井周圍地下水三維流特征顯著，可將地下水流概化為三維流，水流服從達(dá)西定律。另外，模型區(qū)存在大氣降水入滲補(bǔ)給和潛水蒸發(fā)蒸騰排泄，但由于模型區(qū)面積較小，并且降水入滲量、蒸發(fā)排泄量相比開(kāi)采條件下激發(fā)的河流滲漏補(bǔ)給量很小，故建立模型時(shí)可以忽略設(shè)計(jì)開(kāi)采量之外的源匯項(xiàng)。根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，勘查區(qū)地下水三維穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型為［2］:

式中:H為地下水標(biāo)高(m);K為滲透系數(shù)(m/d);C為井管過(guò)濾器透水性能(m2/d);Qe為井管與含水層之間的水量交換(m3/d);Qp為井管內(nèi)的出水量(m3/d);Kr為河床介質(zhì)垂向滲透系數(shù)(m/d);Mr為河床介質(zhì)厚度(m);qr為河流與地下水交換水量(m3/d);HS為取水建筑物內(nèi)抽水動(dòng)水位(m);Hr為河流水位(m);ΔH為水頭損失(m);υ為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)(m2/s);d為“井管”的直徑(m);v為滲流速度(m/s);Γ2為二類邊界;D為計(jì)算區(qū)范圍。

根據(jù)含水層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)參數(shù)，建立滲流井取水三維數(shù)值模型，沿東西方向剖分為420列，沿南北方向剖分為500行，剖分網(wǎng)間距5 m，垂向上共40 m，剖分為12層，其中第四系分為4層，下部基巖再細(xì)分為8層，平巷埋深27 m，豎井深度31 m［3］。滲流井取水時(shí)，“滲流井—含水層”多種流態(tài)并存［4］，水力條件復(fù)雜，現(xiàn)以等效滲透系數(shù)為紐帶將“井管”內(nèi)外不同介質(zhì)不同流態(tài)耦合起來(lái)，建立起滲流井取水的“滲流—管流”耦合模型［5］。根據(jù)含水層空間分布特征，把大會(huì)評(píng)勘查地段分為四個(gè)參數(shù)區(qū)，滲透系數(shù)依次5.99 m/d、9.32 m/d、14.59 m/d、2.76 m/d。給水度取 0.20。

圖2 大會(huì)坪勘查地段概念模型平面圖

3 開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)陜北地區(qū)滲流井取水經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)布設(shè)5眼5硐室滲流井，相鄰豎井間距500 m，硐室平面位置位于黃河平水期水邊線下方，硐室間距70 m，各硐室向斜上方施工輻射孔，單根輻射孔進(jìn)入第四系含水層長(zhǎng)度1～3 m，輻射孔主要布設(shè)在黃河河床方向，考慮到黃河在每年6、7月將出現(xiàn)枯水期，屆時(shí)黃河水位下降、水邊線后退，這將對(duì)滲流井開(kāi)采造成一定的影響。為此模擬計(jì)算了黃河枯水期取水效果，模型中黃河水邊線按枯水期水邊線確定，黃河水位下降1 m。平巷順黃河水邊線布設(shè)，豎井據(jù)黃河水邊線50 m。據(jù)此采用相應(yīng)的剖分形式計(jì)算各滲流井取水量［6］。布井位置圖見(jiàn)圖3。

4 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得出大會(huì)坪水源地滲流井開(kāi)采方案平水期出水量見(jiàn)表1，總出水量38 889.24 m3/d，建議開(kāi)采量38 800 m3/d。

由于黃河流經(jīng)大會(huì)坪研究區(qū)的河段在每年的6月到7月會(huì)出現(xiàn)枯水期，造成河流水位下降，水邊線退后。因此，將模型中的水邊線改為枯水期水邊線，同時(shí)把河流水位降低1 m，模擬計(jì)算得出枯水期滲流井的總出水量為30 603.78 m3/d，建議開(kāi)采量30 600 m3/d。

對(duì)比平水期和枯水期出水量得出:當(dāng)枯水期黃河水邊線后退時(shí)，滲流井輻射孔多位于黃河之下，由于黃河水邊線后退時(shí)也伴隨著水位下降，這必將導(dǎo)致黃河水滲漏補(bǔ)給時(shí)的水力坡度變小，進(jìn)而使?jié)B流井出水量減小，而滲流井在黃河水邊線后退時(shí)的位置差異，導(dǎo)致各滲流井平、枯水期出水量的差異，使得出水量衰減了21.31%。

綜合考慮滲流井的建設(shè)成本、取水點(diǎn)數(shù)目、總出水量等因素，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可確定大會(huì)坪勘查地段建議開(kāi)采量30 600 m3/d。

表1 滲流井平水期出水量組成計(jì)算結(jié)果

圖3 大會(huì)坪勘查地段滲流井方案500 m間距布井位置圖

5 地下水可開(kāi)采保證程度論證

黃河水文站流量長(zhǎng)觀資料顯示，黃河流經(jīng)區(qū)內(nèi)多年平均流量為 951.87 m3/s，最枯流量 24.3 m3/s，遠(yuǎn)大于滲流井推薦開(kāi)采方案的河流滲漏補(bǔ)給量，且黃河與地下水水力聯(lián)系較為密切;計(jì)算過(guò)程也考慮了枯水期黃河水邊線后退對(duì)滲流井取水量的影響，所以各勘查地段平水期、枯水期地下水可開(kāi)采量是有保證的。另外，區(qū)內(nèi)第四系沖積物厚度較大，含水層滲透性能強(qiáng)，在采取滲流井的方式進(jìn)行岸邊取水時(shí)，各滲流井的取水能力是有保證的。

根據(jù)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存量計(jì)算成果，大會(huì)坪勘查地段地下水容積儲(chǔ)存量為 697.23 ×104m3，單位儲(chǔ)存量為 58.10 ×104m2，僅地下水位下降1 m所釋放出的水量可維持該地段30 600 m3/d的滲流井枯水季節(jié)開(kāi)采量18 d左右。

綜上所述，大會(huì)坪研究區(qū)建議開(kāi)采量30 600 m3/d是有充分保證的。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在“滲流—管流耦合模型”、“等效滲透系數(shù)”等理論的指導(dǎo)下，建立起滲流井取水的計(jì)算模型，最終確定大會(huì)坪水源地的建議開(kāi)采量為30 600 m3/d。

(2)當(dāng)遇到枯水期或者大旱時(shí)，河流水位下降，水邊線后退，甚至?xí)霈F(xiàn)地下水位脫節(jié)的現(xiàn)象，局部將存在非飽和流，此時(shí)滲流井取水特征將變?yōu)轱柡?、非飽和流并存，其取水機(jī)理將更為復(fù)雜，建議研究“飽和 －非飽和、滲流 －管流”耦合模型進(jìn)一步細(xì)致刻畫滲流井取水?dāng)?shù)值模型，建立滲流井取水的地下水、地表水耦合模型，反映滲流井取水、補(bǔ)給過(guò)程［7］。

(3)由計(jì)算結(jié)果知，枯水季節(jié)黃河水邊線后退較大，滲流井的出水量將衰減也較大，建議在滲流井的基礎(chǔ)上，配以一定的蓄水工程設(shè)施，將滲流井所獲取的河流滲漏補(bǔ)給量?jī)?chǔ)存在蓄水工程內(nèi)，這樣可以通過(guò)以豐補(bǔ)歉、調(diào)節(jié)平衡的方式增大區(qū)內(nèi)可供利用的水資源總量。

［1］王瑋.滲流井取水計(jì)算模型及其應(yīng)用［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.2010.

［2］郭東屏.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社.1994.

［3］李俊亭.地下水流數(shù)值模擬［M］.北京:地質(zhì)出版社.1989:56－63.

［4］陳崇希，萬(wàn)軍偉，詹紅兵，等.“滲流 －管流耦合模型”的物理模擬及其數(shù)值模擬［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2004，31(1):1－8.

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［6］王瑋，暢俊斌，王俊杰.滲流井取水方式地下水允許開(kāi)采量計(jì)算［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2009，(1):35 －43.

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