辽阳市某建设工程地下水可开采量计算及其方案设计研究

宋景峰

辽阳市某建设工程地下水可开采量计算及其方案设计研究

宋景峰

（辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000）

水源热泵技术作为一项可再生能源技术正逐渐被各大城市采用和深入研究，但是，该技术必须利用所在区域的地下水进行循环实现建设项目能量循环利用，因此，地下水可开采量以及可利用量逐渐成为地区建设项目能否实现可持续科学发展的关键。文章基于辽阳市健身大厦建设项目为工程依托，利用现场抽水和回灌试验方法对该地区的地下水含水量进行了计算，确定了含水层渗透系数、回灌渗透系数、等效半径和地下水涌水量等参数指标，根据地下水径流量计算结果对地下水的开采利用情况进行了均衡分析，结果证明建设项目的地下水开采处于均衡状态。研究过程中，对地下水的开采情况进行了方案设计，计算了抽水井干扰出水量、回灌井单井干扰回水量等，验证了游泳馆、训练馆水源热泵系统可开采水量的科学性和可行性。

地下水；可开采量；回灌量；设计方案

21世纪我国建设工程取暖问题已经由传统的煤炭燃烧、烟气排放、燃料堆放等污染情况逐渐向可持续健康绿色发展方向转变［1-2］，水源热泵技术作为一种比较理想的新技术已然在建设项目中的应用越来越广泛［3］。新技术、新设备的发展必然会带来新一轮技术的革新和研究［4］。针对于地下水水源热泵技术方面：李璇，束龙仓，CHENXunhong等专家学者［5］研究了两国地下水资源开采、利用和治理情况，揭示并理论分析了多年地下水用水量的变化规律；裴宏伟，王彦芳，沈彦俊等［6］对美国的地下水超采和污染情况进行了研究，倡导采用新技术、新设备、新方法科学合理利用地下水资源。而对于水源热泵系统的研究，邱洋［7］以大商集团抚顺百货大楼为例，对水源热泵系统取水、用水等地质、水文、抽水试验、数据计算等参数和结果进行了分析；江剑，董殿伟［8］对我国部分地区水源热泵系统工作时温度场、区域流场、地质环境以及对周边的居民影响情况进行了统计，提出了水源热泵项目建设过程中存在的诸多问题及其解决措施，为建设项目的绿色健康发展奠定了理论和数据支撑。

辽阳市健身大厦水源热泵空调项目位于辽阳市中心路新体育场东侧，规划占地面积10450m2，总建筑面积 12659.07m2，游泳馆和健身馆面积为8604.46m2，训练馆面积为2234.42m2。建设项目施工过程中拟建5眼抽水井、9眼回灌井以满足地下水提取需求，并且要求系统运行最大负荷时，游泳馆需水量为204m3/h和训练馆需水量为78.5m3/h的用水要求，地下水位应满足现有水泵技术能力的要求。鉴于以上研究目标，特对辽阳市地下水含水量及其可开采量情况进行分析，对建设项目所在地区地下水可开采量情况进行详细计算，分析地下水的开采、回灌平衡关系，对地下水的开采设计方案等进行可行性的研究和验证，以确保地下水量满足建设项目所需水量的要求。

1 工程地质概况

太子河冲洪积扇发源于山前出口位置，基底地势东高西低，呈簸箕状；含水层自东向西粒径颗粒组成明显，由粗大软石向砂含砾石逐渐过渡，具有较强的导水及其储水能力；基岩埋藏较深，第四系覆盖层厚度大，自下而上逐渐由卵石层向粘性土及砂层过渡。建设项目区域位于太子河冲洪积扇上，地表分布有6～8m的黄褐色亚砂土，富水岩层多为砂和砾石等。该区域地势较低，地面起伏较小，大气降雨能够直接进行补给，两侧丘陵区域地表径流水量补给，以及上游段水源补给等，地下水埋藏深度在7～15m，且地表面的80%被建筑物和道路覆盖，主要人工开采有辽阳自来水、鞍山自来水、鞍钢公司及工业自备井开采，以及农业灌溉和居民生活用水开采等，地下水含量丰富。如图1所示为建设工程区地下水位等值线图。

图1 建设工程区地下水位等值线图

2 地下水可开采量计算

2.1 参数分析确定

2.1.1 抽水试验及其参数计算

通过现场抽水和回灌试验对地下水可开采量进行研究，具体操作为在现场工作区范围内钻探试验井完成，其中观测和试验主要工具包括：电测水位计、大功率潜水泵及其水表等［9］。试验过程中的渗透系数及其影响半径等参数由公式（1）和公式（2）进行计算可得，试验数据和计算的结果见表1，S～Q关系曲线图如图2所示。

式中，k—渗透系数，m/d；R—影响半径，m；H—含水层厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半径，m；S—稳定动水位降深，m。

表1 抽水试验计算成果表

图2 抽水试验曲线图

2.1.2 回灌试验及参数计算

回灌试验采取同时抽灌方式、自然渗透方法注水进行，引进DUPUIT公式计算回灌渗透参数，并对井水位升高值、回灌水量等参数进行监测［10］。具体见公式（3）和公式（4），数据采集及其计算结果见表2。有公式和计算结果可知，含水层及其回灌渗透系数分别为：K=71.06m/d和K′=33.24m/d。

式中，K—回灌渗透系数，m/d；R—影响半径，m；H—含水层厚度，m；Q—回灌水量，m3/d；r—回灌井半径，m；S—稳定动水位降深，m。

表2 数据计算结果统计表

2.2 地下水可开采量计算

结合本地区地下水开采方案，本区域地下水资源论证采用疏干降水法，计算按疏干降水4.0m计［11］。 地下水量采用公式（5）进行计算：

式中，Q—涌水量；K—渗透系数，m/d；r0—等效半径，m；H—含水层厚度，m；R—降水影响半径，m。

等效半径见公式（6）：

式中，A—评价区面积。降水影响半径通过公式（7）进行计算， R=290.1m。

代入公式（5）得，r0=57.7m；代入公式（6）得，求出涌水量Q。

因此，对于该地区路北公共绿地长 ×宽=180m×50m=9000m2。按疏干降水4m计算，r0=53.5m， Q=663m3/d。

3 地下水均衡计算

3.1 地下水径流量

根据公式

式中，Q流—地下水径流量，m3/d；B—含水层断面宽度，1000m；K—渗透系数，m/d；I—地下水水力坡度；H—过水断面含水层平均厚度，m。

计算地下水水利坡度参数及其计算结果见表3。

表3 水力坡度计算成果统计表

3.2 地下水均衡计算

地下水均衡关系按公式（8）计算，计算结果见表4。

式中，ΔQi—年地下水补给量与地下水消耗量均衡差，m3/a；K—开采系数，取0.9；Q排—年地下水综合排泄量，m3/a；Q耗—地下水开采量，m3/a。

表4 地下水均衡计算结果统计表

通过以上计算，对地下水消耗量和补给量均衡差、开采量及其综合排泄量进行了计算，分析后发现ΔQi=KQ排-Q耗=4.0752×106m3/a，地下水补给量远大于消耗量，地下水开采成正均衡关系，即满足建设项目地下水资源取用水需求。

4 地下水量开采方案设计

4.1 设计成井技术指标

设计井径1000mm，井管直径406mm，壁厚7mm，井深30mm左右，滤水管根据地质层位在15～30m之间，长度15mm。回灌井的滤水管根据地质层位在15～30m之间，长度20mm。滤水管采用φ406mm螺旋钢管加工为条形过滤器，孔隙度达到15%～20%。

4.2 抽水井干扰出水量的计算

根据现场水文地质资料，结合工程现场的实际情况，在地下水位90%频率条件下计算多孔干扰情况下的单井出水量［12］。计算公式见公式（9），出水量计算结果见表5。

式中，a—抽水井间距的一半，m；L—影响半径的二倍，m；K—渗透系数，m/d；R—影响半径，m；H—含水层厚度，m；Q—抽水井出水量，m3/d；r—抽水井半径，m；S—稳定动水位降深，m。

表5 计算数据及其出水量计算结果统计表

根据公式（10）及其表5计算结果，含水层厚度为18.5m，抽水井间距达到45m时，Q单井=80m3/h＞78.5m3（训练馆最大需水量）， Q每天=1888m3。在工程建设过程中，若保证三口供水井同时工作，则每小时总出水量为：78.6×3=235.8m3，约为236m3＞204m3（游泳馆最大需水量的要求）。因此，抽水井干扰出水量满足工程建设要求。

4.3 回灌井单井干扰回水量计算

根据公式（10）计算多孔干扰情况下单井回水量，计算结果统计见表6。

式中，K′—渗透系数，m/d；R—回灌井影响半径，m；H—含水层厚度，m；Q′—单井干扰回灌量，m3/d；r—回灌井半径，m；S′—回灌井水位壅高值，m。

表6 计算数据及回水量计算结果统计表

建设项目施工过程中，由于在建工程及其现场施工环境的复杂性影响，选取该系统回灌井最不利情况进行研究，考虑系统的维修预留空间情况，因此，在埋深为5.57m以及90%保证率条件下，地下水上升高度按照最大计为37.5m。根据表6计算结果可知：含水层达到23m时，井内水位上升高度hmax=3.75m，单井的干扰回灌量为44.7m3/h，按照回水井为5眼进行设计，游泳馆的总回灌量为223.5m3/h＞204m3/h（满足项目回灌量的要求）。此外，项目训练馆按照回水井2眼进行设计，计算总回灌量为89.4m3/h＞78.5m3/h（满足项目回灌量的要求）。

4.4 设计方案可行性分析

通过以上研究发现：拟建设项目需水量最大为游泳馆和训练馆，分别为 204m3/h和 78.5m3/h，而该地区地下水可开采量达到684m3/h和661m3/h，完全满足建设工程的用水需求。因此，建设项目新技术的实施对地下水量影响较小。此外，该新设备系统采用了气-水分离技术、微机调频供水技术和温控技术等，几乎不会对地下水造成浪费和污染。地下水量可开采量方案设计用水工艺及节水措施处于国内和同行业较先进水平，不仅可减少潜水泵的过剩消耗，还能对建设项目所在地区的地下水环境产生较好的保护作用。

结合以上两方面进行分析可知，本项目设计取用水方案合理，具有较强的可行性。

5 结语

本文基于辽阳市健身大厦建设项目为研究背景，通过现场抽水和回灌试验对该地区地下水可开采量进行了计算，确定了含水层渗透系数、回灌渗透系数、等效半径、地下水涌水量等参数，抽水试验SQ曲线关系，对地下水的开采利用情况进行了均衡分析，研究表明：地下水开采成正均衡关系，即满足建设项目地下水资源取用水需求。基于以上参数指标设计了地下水量的开采设计方案，通过计算抽水井干扰出水量、回灌井单井干扰回水量，研究发现：该设计方案能够满足建设项目地下水量开采及其用水需求，具有较好的适用性和推广应用价值。

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S273.4

A

1008-1305（2017）05-0054-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.019

2017-02-26

宋景峰（1969年—），男，高级工程师。