地下水水源地集中開采對咸淡水界面變化的影響研究

邢高哲,沈春強,王萬平,暢俊斌

(1.陜西地礦九○八環境地質有限公司,陜西 西安 710600;2.青海省環境地質勘查局,青海 西寧 810001)

1 研究區概況

1.1 地下水形成的自然條件

花土溝集中水源地位于柴達木盆地最西側的子盆地阿拉爾盆地的西北部,隸屬海西州茫崖市管轄,距花土溝鎮70 km。區內北、西、南三面環山,中部及東部為沖洪積及沖湖積平原,屬典型的高原大陸性氣候。降雨稀少,多年平均降水量55.34 mm,氣候干燥,多年平均蒸發量2 856.93 mm,寒冷,風大沙多,冬長夏短,四季不分明。區內隨著海拔高度的增加降水量逐漸增高。研究區為內陸閉流型山間盆地。其水系不甚發育,無論是常年水流還是洪流溝谷,均呈放射狀或聚合狀分布,主要為源于山區以冰雪融水補給為主的常年性河流如斯巴利克河、阿達灘河,這兩條河流主要靠降雨和冰雪融水補給,以流量變化大,出山后即滲失斷流為特征,其滲失斷流也是本次水源地主要的補給來源,另為平原區泉水匯成的泉集河,最終匯聚于尕斯庫勒湖中。水源地周邊地貌劃主要為湖積、沖湖積平原、沖洪積平原、山麓斜坡堆積洪積平原、構造剝蝕高海拔丘陵,水源地位于沖洪積平原,主要為砂泥質砂礫石,基底巖性為泥巖。

1.2 水文地質條件

水源地南北兩側山前洪積平原及中部斯巴利克河—阿達灘河沖洪積平原的中部-后緣,為單一巨厚砂卵礫石的潛水層,從中部-前緣地帶遞變為上部潛水,下部為承壓水的雙層結構,它們為同一補給來源。由于所處地貌部位、埋藏條件和含水巖性的不同,其水量水質有明顯的差別。水源地含水層巖性為泥砂卵石、泥砂礫石及粗砂礫卵石,水位埋深沿沼澤中心向南北兩側水位埋深逐漸增大,水源地揭露潛水含水層巖性主要為砂礫卵石,水位埋深4.03～19.96 m。含水層厚度202.60～82.45 m,滲透系數28.91～37.05 m/d,單井涌水量6 955.2～8 678.02 m3/d,水質較好(圖1)。

圖1 研究區水文地質構造圖

地下水補給主要為南部斯巴利克河及阿達灘河地表水滲漏形成地下水徑流補給,滲漏補給量為73.36×104m3/d。北部阿哈提山基巖裂隙水側向徑流和大氣降水入滲對地下水補給作用較小。山前沖洪積平原是地下水的形成-徑流帶,此帶沉積巖相為洪積—沖洪積砂礫卵石層,巖性單一,顆粒粗、厚度大,透水性強,地下水徑流速度快,水循環交替積極。地下水以水平運動為主。山前平原地下水流向基本與洪積扇軸線方向相一致,由盆地周邊的各個方向向盆地中心最低點匯集。地下水排泄方式為地下水溢出、蒸發蒸騰和人工開采。

補給來源較大,根據鉆孔數據及抽水試驗結果,計算經過水源地斷面徑流量24.78×104m3/d。

2 咸水倒灌的主要因素分析

根據上述區內自然條件及水文地質描述,水源地位于水源地阿拉爾盆地中北部,斯巴利克河—阿達灘河沖洪積平原地下水排泄的段,水源地周邊有大量的泉集河及泉點,地下水埋深靠近排泄段較淺,由于低洼處地下水泄出形成面積不同的小湖,由于長時間的蒸發效應,湖中變咸,通過采樣測試工作基本查明了地下水咸淡分區及地下水的水化學成分。研究區大部為咸水區,淡水區主要分布芒崖生活區西公路以南的青海省境內。工作區淡水區地下水類型主要以Cl·HCO3-Na·Ca和Cl·HCO3·SO4-Na·Ca型水,咸水區地下水類型主要為Cl-SO4-Na-Mg型、Cl-Na-Mg和Cl-Mg-Na型咸鹵水。

水源地地下水開采從補給方面論主要源于地下水徑流補給,從排泄方面看主要是襲奪北側地下水蒸發,由于地下水開采的蒸發襲奪量不大,對水文-生態環境的影響較小。但是在水源地開采過程中如果集中開采,可能引起咸水倒灌入水源地,影響水質。

3 水文地質概念模型

工作區南部平原的水源地地下水擬開采井區,含水層主要為第四系砂礫卵石構成的單層結構的潛水含水層,地下水主要接受由南西向北東方向的地下水徑流補給,水源地擬開采井揭露的含水層厚度大、富水性強,含水層分布范圍廣、具有統一的地下水流場。

根據工作區的水文地質條件,水源地地下水擬開采井區的水文地質概念模型可概化為:含水層均質、各向同性、等厚、無界、底板水平,為單層結構的大厚度潛水含水層,天然狀態具有定常滲透流速的側向地下水徑流補給,地下水開采主要受控于地下水徑流量及含水層厚度與水文地質參數等。

4 地下水流數學模型

圖2 水源地開采井區地下水滲流平面圖

坐標系旋轉后,空間M點的新坐標與舊坐標關系可表示為:

基于水文地質概念模型及新坐標體系,可以建立平面二維地下水流數學模型,寫為:

式中:s*為地下水位降深線性化變形參量(m);s為地下水位降深(m);H為 含水層初始厚度(潛水位基準取含水層底板)(m);h為 含水層剩余厚度(潛水位基準取含水層底板)(m);T為含水層導水系數(m2/d);K為 含水層滲透系數(m/d);μ為含水層給水度;V為地下水滲透流速(m/d);I為 地下水水力坡度;ne為 含水層有效孔隙度;Q為地下水開采量(m3/d);δ為δ函數;x＇oy＇,t分別為 新系坐標變量(m)和時間變量(d)。

求解上述數學模型可得到如下地下水單井開采的井流公式:

圖3 水源地開采井群與計算點平面位置及其關系圖

基于地下水單井開采穩定井流公式及舊坐標體系,地下水井群開采的穩定井流公式可表示為:

5 地下水開采方案設置

工作區共施工六眼探采結合井(ZK1～ZK6),ZK1抽水降深2.96 m的出水量7 107 m3/d,ZK2抽水降深3.00 m的出水量8 678 m3/d,ZK3抽水降深3.84 m的出水量8 544 m3/d,ZK4抽水降深8.32 m的出水量6 955 m3/d,ZK5抽水降深3.69 m的出水量7 277 m3/d,ZK6抽水降深3.35 m的出水量7 272 m3/d。ZK1～ZK6孔抽水降深3～4 m(僅ZK4孔降深大于8 m)的單井涌水量7 000～8 500 m3/d,推算降深5 m的單井涌水量均大于10 000 m3/d,探采結合孔ZK1～ZK6可以作為水源地的開采井?？紤]到ZK3、ZK4孔距離北側地下咸水區較近,不宜作為長期的地下水開采井,以避免地下咸水倒灌進入水源井;故設置ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔為水源地地下水的正常開采井,ZK3、ZK4孔水源地地下水的備用開采井。

水源地地下水開采預測設置三個方案,具體預測方案設置如下:

方案1:水源地地下水開采量2×104m3/d預測方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開采量均為0.50×104m3/d;

方案2:水源地地下水開采量3×104m3/d預測方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開采量均為0.75×104m3/d,為本次普查水源地預設的目標開采量;

方案3:水源地地下水開采量4×104m3/d預測方案,ZK1、ZK2、ZK5、ZK6的單井開采量均為1.00×104m3/d。

6 地下水開采預測與評價

水源地地下水開采預測模型選用具有均勻地下水徑流補給的井群開采的穩定井流公式,地下水徑流補給量以工作區南側a-a＇斷面地下水徑流量為基準,開采井群為ZK1、ZK2、ZK5、ZK6孔。

水源地地下水開采預測的參數依據勘探與試驗成果等給出,確定的計算參數:地下水流向與坐標系水平軸(y軸)的夾角α=39°,開采井井半徑r=0.15 m,含水層滲透系數K=31.46 m/d,含水層給水度μ=0.08,含水層有效孔隙度ne=0.2,含水層厚度H=200 m,地下水水力坡度I=0.002 5;計算的含水層導壓系數a=78 650 m2/d,地下水滲透流速V=0.393 3 m/d,預測模型的綜合參數B=400 000 m。

水源地地下水開開采預測選取了973個計算點,將開采井點(ZK1、ZK2、ZK5、ZK6)與計算點的坐標(x,y)及計算參數代入水源地開采預測模型(井群開采的穩定井流公式),分別對方案1(開采量2×104m3/d)、方案2(開采量3×104m3/d)、方案3(開采量4×104m3/d)進行地下水開采降深預測,預測結果列入表1,編繪的水源地三個開采方案的地下水降深場預測圖詳見圖4～圖6。

表1 水源地開采布設方案環境問題(咸水倒灌)測算表

圖4 水源地開采方案1(開采量2×104m3/d)的地下水降深場預測圖

圖5 水源地開采方案2(開采量3×104m3/d)的地下水降深場預測圖

水源地地下水開開采方案1(開采量2×104m3/d)、方案2(開采量3×104m3/d)、方案3(開采量4×104m3/d)的開采井井壁最大預測降深值分別為3.87 m、5.83 m、7.81 m。方案1的單井開采量0.50×104m3/d、總開采量2×104m3/d,區域地下水降深1.49～3.87 m,地下水降深小,但總開采量也較小;方案2的單井開采量0.75×104m3/d、總開采量3×104m3/d,區域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深適中,地下水單井開采量接近抽水試驗抽水量,地下水總開采量為水源地預設的目標開采量;方案3的單井開采量1.00×104m3/d、總開采量4×104m3/d,區域地下水降深3.00～7.81 m,地下水單井開采量接近推算的單井涌水量,地下水總開采量大,但地下水降深也大。

綜述,本次水源地允許開采量推薦方案2,即推薦水源地開采量3×104m3/d的預測方案。水源地地下水允許開采量3×104m3/d僅為a-a＇斷面地下水徑流量21×104m3/d的1/7(約占14%),地下水單井開采量0.75×104m3/d接近抽水試驗出水量,區域地下水降深2.25～5.83 m,地下水降深比較適中,基本不會導致環境水文地質問題;地下水開采從補給方面論主要源于地下水徑流補給,從排泄方面看主要是襲奪北側地下水蒸發,由于地下水開采的蒸發襲奪量不大,對水文-生態環境的影響甚微。