高 亮，馮琳偉

（1.河南省南水北調(diào)中線工程建設(shè)管理局，鄭州450000；2.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州450016）

河南寶鋼制罐有限公司年產(chǎn)17 億鋁罐用于碳酸飲料、茶飲料和啤酒包裝[1]，取水量為305 m3/d，主要開采碎屑巖類裂隙水。分析論證范圍為西北以青羊口斷層為界，即小張王屯-小谷駝-馮莊一線；西邊界為李士屯-山彪-馮莊一線；東至下園-郝莊-東寺門；北至小張王屯-西寺門-東寺門；南至共產(chǎn)主義渠即李士屯-石駱駝-下園一線，面積約73 km2（見圖1）。

圖1 論證區(qū)范圍

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件

1.1 地下水類型及其富水性

根據(jù)含水層埋藏深度、巖性、時(shí)代結(jié)構(gòu)特征，將本區(qū)地下水劃分為兩類：松散巖類孔隙水及碎屑巖類裂隙水。富水程度的分級(jí)與評(píng)價(jià)主要依據(jù)現(xiàn)有開采能力，松散巖類孔隙水統(tǒng)一換算成5 m 降深的單井出水量；碎屑巖類裂隙水統(tǒng)一換算成15 m 降深的單井出水量。依據(jù)計(jì)算出的單井出水量進(jìn)行富水程度的劃分[2-4]。

1.1.1 松散巖類孔隙水

遍布全區(qū)，主要為潛水或微承壓水。第四系松散層中夾有較多的中細(xì)砂，地下水位埋深6～40 m 不等，含水層厚10 m 左右，可直接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給，形成較豐富的孔隙水。根據(jù)本次調(diào)查結(jié)果，利用單井涌水量的大小可將區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水的富水性劃分為富水區(qū)和弱富水區(qū)兩種類型。

富水區(qū)：分布于溫寺門-河洼-尚莊一線以東至邊界，含水層主要由第四系細(xì)砂、中細(xì)砂和粉細(xì)砂構(gòu)成，部分地區(qū)含砂礫石薄層，含水層厚度10 m 左右，單井涌水量1 000～1 500 m3/d。弱富水區(qū)：分布于小張王屯村、南司馬及山莊一帶，含水層主要為顆粒較細(xì)的第四系細(xì)紗、粉細(xì)砂，厚度一般小于10 m，單井涌水量小于500 m3/d。

1.1.2 碎屑巖類裂隙水

遍布全區(qū)，埋藏于第四系松散巖類孔隙含水層組下，西部埋深較淺，頂板埋深西部一般為50～70 m ；東部埋深較深，由本次物探地質(zhì)解譯結(jié)果可知，項(xiàng)目區(qū)碎屑巖類裂隙含水層組頂板可達(dá)130 m 左右。主要含水層為隱伏的新近系泥灰?guī)r和砂巖，多為厚層狀。上段質(zhì)地較純，裂隙發(fā)育，可間接接受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給。據(jù)單井涌水量大小可將區(qū)內(nèi)碎屑巖類裂隙水含水層的富水性劃分為富水、中等富水及弱富水區(qū)三種類型。

富水區(qū)：分布于東寺門-郝莊-代莊一帶，含水層主要由細(xì)砂、粉細(xì)砂膠結(jié)層、鈣核以及泥灰?guī)r構(gòu)成，厚45 m 左右，單井涌水量大于1 000 m3/d。中等富水區(qū)：分布于下園-龍王廟-南社一帶，含水層主要由厚層的泥灰?guī)r和細(xì)砂巖構(gòu)成，厚45 m左右，單井涌水量500～1 000 m3/d。弱富水區(qū)：分布于小張王屯-大司門-石瓶一帶，含水層由新近系泥巖、粉細(xì)砂巖及少量泥灰?guī)r構(gòu)成，厚度較薄，單井涌水量小于500 m3/d。

1.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

1.2.1 松散巖類孔隙水

地表巖性多為黃土狀粉土、粉質(zhì)粘土，垂直節(jié)理較發(fā)育，第四系孔隙水主要接受大氣降水的滲入補(bǔ)給，其次是灌溉回歸水和少量側(cè)向徑流補(bǔ)給。地下水整體流向?yàn)槲鞅毕蚰蠔|，水力坡度變化較大，為1.25～6‰，山前水力坡度較大，向平原區(qū)逐漸變緩。主要排泄方式為農(nóng)田灌溉和生活飲用水開采地下水，其次為側(cè)向徑流排泄。

1.2.2 碎屑巖類裂隙水

隱伏于第四系松散層下的新近系泥灰?guī)r，裂隙發(fā)育，在開采狀態(tài)下，主要靠大氣降水間接補(bǔ)給，即大氣降水通過上覆含水層再補(bǔ)給隱伏的泥灰?guī)r地下水，其次是側(cè)向徑流補(bǔ)給。地下水整體流向?yàn)槲鞅毕蚰蠔|，水力坡度在1.5～10‰。主要排泄方式為人工開采及側(cè)向徑流排泄。

1.3 地下水動(dòng)態(tài)特征

松散巖類孔隙水動(dòng)態(tài)為降水滲入補(bǔ)給-開采型，總體水位特征表現(xiàn)為：1～4 月水位逐漸下降；5～7 月出現(xiàn)全年最低水位；隨著雨季到來，9～10月水位逐漸回升，上升趨勢(shì)一直持續(xù)到翌年春天。

碎屑巖類裂隙水隱伏于松散層下，地下水動(dòng)態(tài)影響因素較少，其動(dòng)態(tài)類型為補(bǔ)給-開采型。主要表現(xiàn)為地下水接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，人工開采和側(cè)向徑流流出則是主要排泄形式。

2 地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

論證區(qū)地下水水位整體處于下降狀態(tài)。由山前向平原含水層組的富水性逐漸增大，靠近山前的含水層富水性較弱，單井涌水量一般小于500 m3/d；平原區(qū)單井涌水量多在500～1 000 m3/d，靠近東邊界的局部單井涌水量大于1 000 m3/d。

2.1 松散巖類孔隙水

含水層主要由第四系細(xì)砂、中細(xì)砂和粉細(xì)砂構(gòu)成，部分地區(qū)含砂礫石薄層，含水層厚10 m 左右，從山前到平原（由西北向東南）砂層厚度及富水性都逐漸增大，靠近山前（青羊口斷層）單井涌水量多小于500 m3/d，如石瓶村西部的抽水井（ck1）井深115.0 m，單井涌水量101.69 m3/d，單位涌水量0.85 m3/h·m ；單位涌水量向平原富水性逐漸增大，單井涌水量多大于1 000 m3/d，如崔莊村（編號(hào)ck3）井深90 m，單井涌水量為1 153.84 m3/d，單位涌水量為9.62 m3/h·m。據(jù)本次調(diào)查，該含水層水位埋深多在15～35 m，主要用于當(dāng)?shù)厣钣盟c農(nóng)田灌溉。根據(jù)田莊2011～2013 年的地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀資料，2011 年1 月水位埋深為12.56 m，2013 年1 月水位埋深為13.8 m，可見地下水處于下降狀態(tài)，年下降速率為0.62 m。

2.2 碎屑巖類裂隙水

埋藏于第四系松散巖類孔隙水下，西部埋深較淺，向東逐漸變深，頂板埋深西部一般為50～70 m，主要含水層為隱伏的新近系泥灰?guī)r和砂巖，一般多為厚層狀，上段質(zhì)地較純，裂隙巖溶發(fā)育，可間接接受大氣降水和地表水的滲入補(bǔ)給。含水層的富水性由山前向平原逐漸增大，如靠近山前的小谷駝村（編號(hào)s06）井深300 m，單井涌水量227.37 m3/d，單位涌水量0.63 m3/h·m ；處于沖積平原的代莊（編號(hào)s03）井深200 m，單井涌水量661.76 m3/d，單位涌水量1.84 m3/h·m。本層地下水主要為生活用水和工業(yè)用水，根據(jù)本次調(diào)查論證區(qū)共22 眼，井深在300 m 以淺；水位埋深較大，多在30～65 m ；近年來，由于開采量的增加和開采時(shí)間的增長(zhǎng)，地下水位呈逐年下降趨勢(shì)。

3 地球物理勘探成果分析

3.1 1-1＇剖面斷面電性特征及解釋結(jié)果

剖面位于廠區(qū)西邊線上（見圖2），長(zhǎng)960 m。完成電測(cè)深測(cè)點(diǎn)7 個(gè)、激電測(cè)深7 個(gè)。剖面走向1～3 號(hào)點(diǎn)180°，3～4 號(hào)點(diǎn)90°，4～7 號(hào)點(diǎn)180°。由等斷面圖（見圖3）可知，1～3 號(hào)點(diǎn)等值線近水平狀，由淺至深電阻率逐漸變低，在15～23 之間，淺部為干燥粉質(zhì)粘土、粘土夾粉細(xì)砂、泥灰?guī)r，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）。4～7 號(hào)點(diǎn)等值線近水平狀，在17～25 之間，淺部為干燥粉質(zhì)粘土、粘土夾粉細(xì)砂、泥灰?guī)r，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）；4 號(hào)點(diǎn)深度100～200 m 為高阻封閉圈，5 點(diǎn)深度340～440 m 為高阻封閉圈，推斷該段砂（巖）顆粒較粗。

圖2 物探剖面線布置

圖3 1-1＇物探綜合推斷成果

3.2 2-2＇剖面斷面電性特征及解釋結(jié)果

剖面位于廠區(qū)北邊線、東邊線上（見圖2），完成剖面長(zhǎng)1 230 m。完成電測(cè)深測(cè)點(diǎn)8 個(gè)，激電測(cè)深8 個(gè)。剖面走向1 號(hào)、8 號(hào)～10 號(hào)點(diǎn)90°，10～15 號(hào)點(diǎn)180°。由等斷面圖（見圖4）可知，1 號(hào)、8 號(hào)～10 號(hào)點(diǎn)等值線近水平狀，由淺至深電阻率逐漸變低，在16～50 之間，淺部為干燥粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂、泥灰?guī)r，下部為泥（巖）夾薄層砂（巖）。10～15 號(hào)點(diǎn)等值線近水平狀，在18～40 之間，淺部為干燥粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂、泥灰?guī)r，下部為泥（巖）夾砂（巖）；14 號(hào)點(diǎn)深度60～80 m、200～260 m 為高阻封閉圈，推斷該段砂（巖）顆粒較粗。

圖4 2-2＇物探綜合推斷成果

3.3 綜合分析

根據(jù)物探成果地質(zhì)解譯1-1＇及2-2＇剖面，300～500 m 間含水層巖性為粘土與細(xì)砂互層，主要含水段有300～360 m、400～440 m、460～480 m 三層，含水層厚度累計(jì)120 m，巖性為細(xì)砂；設(shè)計(jì)井深500 m，預(yù)計(jì)出水量在15 m3/h 左右[5-6]。

4 地下水資源量

補(bǔ)給量論證范圍內(nèi)碎屑巖類裂隙水主要接受大氣降水的間接補(bǔ)給，其次是論證范圍西邊界側(cè)向徑流補(bǔ)給；大氣降水補(bǔ)給見式（1）[7]，補(bǔ)給量為873.0 萬 m3/a。

式中：Q雨補(bǔ)為降雨入滲補(bǔ)給量（萬m3/a）；α為年大氣降水入滲系數(shù)（取0.2）；F為計(jì)算區(qū)面積（取7 300 萬m2）；X為多年平均降水量（取598 mm）。

根據(jù)繪制的地下水位等值線，運(yùn)用達(dá)西定律計(jì)算地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量，見式（2）。經(jīng)計(jì)算，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量為158.99 萬m3/a。

式中：Q側(cè)為含水層的側(cè)向流入量（萬m/a）；K為徑流補(bǔ)給邊界附近含水層的滲透系數(shù)（取0.33 m/d）；M為含水層有效厚度（取含水層厚度平均值120 m）；L為邊界的長(zhǎng)度（取論證范圍西邊界長(zhǎng)度5 500 m）；I為邊界附近的地下水水力梯度（根據(jù)地下水流場(chǎng)圖采用西側(cè)水力坡度確定，取0.02）。

根據(jù)物探解譯項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件，項(xiàng)目區(qū)含水段有3 層：300～360 m、400～440 m、460～480 m，含水層厚度累計(jì)120 m ；巖性為細(xì)砂；由地下水資源量計(jì)算結(jié)果得出補(bǔ)給量為1 031.99 萬m3/a。計(jì)井深500 m，預(yù)計(jì)出水量在15 m3/h 左右。因此本項(xiàng)目取水12.7 m3/h 是可行的。

5 地下水水位預(yù)測(cè)

5.1 水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型

概化水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究區(qū)含水層均質(zhì)各向同性，等厚，側(cè)向無限延伸，產(chǎn)狀水平；抽水前天然狀態(tài)下水力坡度為零；完整井定流量抽水，井徑無限??；含水層中水流服從Darcy 定律；水頭下降引起的地下水從貯存量中釋放為瞬時(shí)完成。在上述假設(shè)條件下，單井定流量的承壓完整井流數(shù)學(xué)模型如下：

式中：s為降深（m）；r為井徑（m）；Q為涌水量（m3/d）；T為導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）；t為時(shí)間（d）；u*為貯水系數(shù)（無量綱）。

5.2 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)模型的概化，本次選用配線法及解析法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算數(shù)據(jù)選用衛(wèi)輝市唐莊鎮(zhèn)一中取水井S01 抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）；Q為穩(wěn)定出水量（m3/d）；W( )μ為井函數(shù)；S為水位降深（m）；M為承壓含水層厚度（m）；K為滲透系數(shù)（m/d）；a為導(dǎo)壓系數(shù)（m2/d）。

解析法通過繪制抽水階段s-lg(t)線，在直線上取兩點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

式中：T為導(dǎo)水系數(shù)（m2/d）；Q為穩(wěn)定出水量（m3/d）；S為t時(shí)刻的降深（m）；M為承壓含水層厚度（m）；K為滲透系數(shù)（m/d）；a為導(dǎo)壓系數(shù)（m2/d）；t0為S等于0 時(shí)的時(shí)刻（d）。

根據(jù)本次在唐莊一中（編號(hào)s01）做的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，配線計(jì)算的K=0.41 m/d ，T=11.37 m2/d，a=182.25 m2/d ；直線解析法計(jì)算的K=0.26 m/d，T=7.37 m2/d，a=84.52 m2/d，計(jì)算結(jié)果見表1?？梢?，兩種計(jì)算方法參數(shù)基本相當(dāng)，本次參數(shù)取兩種方法的平均值，即K=0.33 m/d，T=9.37 m2/d，a=133.39 m2/d。

表1 承壓水穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)參數(shù)成果

5.3 水位預(yù)測(cè)

降深預(yù)測(cè)采用承壓完整井無越流泰斯公式近似式計(jì)算，根據(jù)概化處理，采用地下水承壓完整井無越流泰斯公式的近似式進(jìn)行預(yù)測(cè)，分別計(jì)算本項(xiàng)目地下水開采1、5、10、15、20 年開采井水位降深，其值分別為37.51 m 、41.61 m、43.49m、44.42 m、45.1 7 m?？煽闯?，地下水開采20 年開采井地下水位降深45.17 m，小于含水層厚度的1/2。此外，由開采井水位降深隨時(shí)間變化可以看出，水源地開采10 年后地下水位趨于穩(wěn)定，地下水的補(bǔ)給和排泄達(dá)到新的平衡[8-9]。

式中，Q為開采量（m3/d）；K為滲透系數(shù)（m/d）；M為取水層厚度（m）；r為計(jì)算點(diǎn)到抽水井的距離（m）；μ為彈性釋水系數(shù)（無量綱）；t為開采年限內(nèi)單井累計(jì)抽水天數(shù)（d）。

6 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)井深500 m，布井1 眼，根據(jù)物探結(jié)論確定取水層位為300～360 m、400～440 m、460～480 m，單井取水量12.7 m3/h，日取水量305 m3/d，年取水量9.8 515萬m3/a。取水水源擬采用新近系碎屑巖類裂隙水，采用配線法及解析法進(jìn)行率定水文地質(zhì)參數(shù)，采用水量均衡法計(jì)算得地下水總補(bǔ)給量為1 031.99 萬m3/a，滿足項(xiàng)目水源要求。運(yùn)用解析法預(yù)測(cè)了開采1、5、10、15、20 年開采井水位降深，開采10 年后地下水的補(bǔ)給和排泄達(dá)到新的平衡。