中图分类号: P641. 2 文献标识码: A do :i 10. 3969 / .j issn. 1000?1379. 2010. 09. 018
黄河中游峡谷区河谷宽度小、第四系厚度小, 如陕西省吴堡县境内漫滩阶地面积不足3 km2, 第四系冲积层厚度约为10m, 单井涌水量小于500 m3 /d, 渗透系数小于10 m /d, 常规管井取水方式出水量小。根据条件类似地区的成功经验, 可在该类黄河岸边采用渗流井方式取水[ 1]。
1 概况
1. 1 水文地质概况
吴堡县横沟黄河谷地面积为2. 468 km2, 区内含水介质主要为第四系全新统冲积砂砾卵石! 砂层及侏罗系砂泥岩风化带。研究区东北部为黄河, 在天然条件下, 地下水在接受大气降水入渗补给后向黄河排泄, 在未来开采条件下, 黄河水将大量渗漏补给地下水。研究区西南部为中生界基岩与河谷区冲积层的边界, 中生界基岩裂隙不发育; 底面为中生界完整基岩,构成区域隔水底板。天然条件下, 地下水总体由西向东流, 最终排入黄河。
1. 2 渗流井结构
渗流井(见图1)包括竖井、平巷、硐室和辐射孔[ 2] 。
图1 渗流井结构示意
竖井建于黄河岸边, 深度为20 m, 井壁采用混凝土支护, 内径为3 m。在竖井内向河床方向开挖平巷, 平巷顶面埋深在基岩以下5 m, 净截面尺寸为1. 7 m×1. 5 m (高×宽) 。设计硐室4个, 顶面高出平巷顶面1. 8 m, 尺寸为3 m×3. 5 m×3 m (高×宽×长), 间距为70 m。硐室内布设辐射孔10个, 孔径为108mm, 单孔长度以进入第四系孔隙含水层(含强风化带) 3 m为宜。
2 渗流井合理开采量
2. 1 计算模型
渗流井结构复杂, 目前还没有可行的解析解计算公式, 只能采用数值模拟的方法对其进行开采量计算[ 2- 4] 。针对单个渗流井建立稳定流理想数值模型, 在不同含水层结构、不同开采量条件下分别计算渗流井取水产生的降深及其影响范围, 然后根据水文地质条件, 沿黄河河谷区布设多个渗流井, 其间距以不产生显著降深叠加为宜。根据特定条件下渗流井合理取水量计算全区地下水合理开采量。
单个渗流井计算域范围为长2 km (顺河谷方向)、宽700 m( 垂直河谷方向) 的河谷区, 黄河水面宽为200 ~ 500 m。含水层为第四系孔隙含水层与中生界裂隙含水层上下叠置的双层结构, 为计算渗流井周围的三维流场, 其厚度按40 m计。
河床底部淤积层(泥皮)的渗透性能采用垂向渗透系数与厚度的比值来表示, 区内黄河河床淤积层厚为1 cm, 渗透系数根据邻区资料并结合经验取0. 03 m /d。
因计算区域顺河长度较长, 且黄河宽度大, 与地下水水力联系较密切, 故渗流井工作时可将垂直河流的两条边界设定为一类定水头边界, 边界水头为40 m; 河流设定为河流边界, 水头为40 m。河谷两侧及含水层底部边界为隔水边界, 顶部边界为潜水面, 不考虑除渗流井抽水量外的其他垂向交换水量。
根据区内含水层结构、参数等资料, 建立渗流井取水三维数值模型。采用长方体单元对计算区域进行精细剖分, 垂直河流方向剖分为78行, 顺河流方向剖分为269列, 水平最大间距为200 m (远离渗流井位置), 最小间距为0. 25 m (渗流井及其附近) ; 垂向上将第四系孔隙含水层与基岩风化带剖分为3层,将基岩裂隙含水层剖分为11层, 共14层, 其中第9、10 层为硐室所在层, 层厚分别为1. 2 m 和1. 8 m, 第10层同时也是平巷所在层。
采用地下水流三维有限差分法求解。为确定不同条件下渗流井取水的影响范围、水量组成等, 将各含水层有关参数、边界条件代入模型后, 按含水层渗透系数的不同进行对比计算分析。
2. 2 黄河平水期取水量计算
在研究区内布设渗流井3个, 设计间距为1 000 m。平水期渗流井出水量组成见表1, 总出水量为19 827. 20 m3 /d, 建议总开采量为19 700 m3 /d。顺河方向降深大于0. 01 m 的范围为800~ 1200 m。HS1渗流井开采稳定流场见图2、图3、图4。
表1 平水期渗流井出水量m3 /d
当竖井降深为5 m时, 接近渗流井部位的地下水位已与河水位脱节, 使得在该范围内河流的渗漏补给量达到了最大。当竖井降深继续增大时, 渗流井分布范围内的地下水位进一步下降, 在地下水位与河水位脱节范围内的河流渗漏补给量不会增加, 降落漏斗进一步扩大, 距离渗流井较远的河流渗漏补给量会有少量增加, 渗流井的出水量也有少量增加。当河水与地下水脱节后, 即使进一步降低竖井的水位, 也不能使渗流井的出水量显著增加。
2. 3 黄河枯水期取水量计算
与平水期相比, 枯水期各渗流井附近水边线将后退10~ 20 m, 渗流井出水量出现一定幅度的减少。枯水期渗流井出水量组成见表2, 总出水量为15 541. 80 m3/d, 建议总开采量为15 400 m3/d。可以建设蓄水设施, 将丰水期渗流井获取的河流渗漏补给量储存在蓄水设施内供枯水期用。
3 结语
在黄河峡谷区岸边, 渗流井取水方式可获得较大的单井开采量, 可建设集中供水水源地。采用地下水流三维有限差分法,计算了吴堡县横沟黄河谷地平水期、枯水期渗流井取水量, 建议总开采量为15 400 m3/d。
表2 枯水期渗流井出水量m3/d
参考文献:
[ 1] 何宏谋, 付新峰, 蔡大应. 黄河下游傍河地下水开采对河川径流量的影响[ J]. 人民黄河, 2008, 30( 12): 59- 61.
[ 2] W W ang, G Zhang. Numerical simulation of ground water flowing to horizontal seepagew ells under a river [ J]. Hydrogeo logy Journal, 2007, 15 ( 6 ): 1211 -1220.
[ 3] 陈崇希, 万军伟, 詹红兵, 等. “渗流- 管流耦合模型”的物理模拟及其数值模拟[ J] . 水文地质工程地质, 2004, 31( 1): 1- 8.
[ 4] 王玮, 畅俊斌, 王俊杰. 渗流井取水方式地下水允许开采量计算[ J] . 水文地质工程地质, 2009, 36( 1): 35- 39.
作者简介: 王玮(1970-) , 男, 江西乐平人, 副教授, 博士, 主要从事水资源与环境方面的教学和科研工作。
