河南宝钢制罐项目地下取水论证分析

高 亮，冯琳伟

（1.河南省南水北调中线工程建设管理局，郑州450000；2.河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州450016）

河南宝钢制罐有限公司年产17 亿铝罐用于碳酸饮料、茶饮料和啤酒包装[1]，取水量为305 m3/d，主要开采碎屑岩类裂隙水。分析论证范围为西北以青羊口断层为界，即小张王屯-小谷驼-冯庄一线；西边界为李士屯-山彪-冯庄一线；东至下园-郝庄-东寺门；北至小张王屯-西寺门-东寺门；南至共产主义渠即李士屯-石骆驼-下园一线，面积约73 km2（见图1）。

图1 论证区范围

1 区域水文地质条件

1.1 地下水类型及其富水性

根据含水层埋藏深度、岩性、时代结构特征，将本区地下水划分为两类：松散岩类孔隙水及碎屑岩类裂隙水。富水程度的分级与评价主要依据现有开采能力，松散岩类孔隙水统一换算成5 m 降深的单井出水量；碎屑岩类裂隙水统一换算成15 m 降深的单井出水量。依据计算出的单井出水量进行富水程度的划分[2-4]。

1.1.1 松散岩类孔隙水

遍布全区，主要为潜水或微承压水。第四系松散层中夹有较多的中细砂，地下水位埋深6～40 m 不等，含水层厚10 m 左右，可直接接受大气降水和地表水的渗入补给，形成较丰富的孔隙水。根据本次调查结果，利用单井涌水量的大小可将区内松散岩类孔隙水的富水性划分为富水区和弱富水区两种类型。

富水区：分布于温寺门-河洼-尚庄一线以东至边界，含水层主要由第四系细砂、中细砂和粉细砂构成，部分地区含砂砾石薄层，含水层厚度10 m 左右，单井涌水量1 000～1 500 m3/d。弱富水区：分布于小张王屯村、南司马及山庄一带，含水层主要为颗粒较细的第四系细纱、粉细砂，厚度一般小于10 m，单井涌水量小于500 m3/d。

1.1.2 碎屑岩类裂隙水

遍布全区，埋藏于第四系松散岩类孔隙含水层组下，西部埋深较浅，顶板埋深西部一般为50～70 m ；东部埋深较深，由本次物探地质解译结果可知，项目区碎屑岩类裂隙含水层组顶板可达130 m 左右。主要含水层为隐伏的新近系泥灰岩和砂岩，多为厚层状。上段质地较纯，裂隙发育，可间接接受大气降水和地表水渗入补给。据单井涌水量大小可将区内碎屑岩类裂隙水含水层的富水性划分为富水、中等富水及弱富水区三种类型。

富水区：分布于东寺门-郝庄-代庄一带，含水层主要由细砂、粉细砂胶结层、钙核以及泥灰岩构成，厚45 m 左右，单井涌水量大于1 000 m3/d。中等富水区：分布于下园-龙王庙-南社一带，含水层主要由厚层的泥灰岩和细砂岩构成，厚45 m左右，单井涌水量500～1 000 m3/d。弱富水区：分布于小张王屯-大司门-石瓶一带，含水层由新近系泥岩、粉细砂岩及少量泥灰岩构成，厚度较薄，单井涌水量小于500 m3/d。

1.2 地下水补给、径流、排泄条件

1.2.1 松散岩类孔隙水

地表岩性多为黄土状粉土、粉质粘土，垂直节理较发育，第四系孔隙水主要接受大气降水的渗入补给，其次是灌溉回归水和少量侧向径流补给。地下水整体流向为西北向南东，水力坡度变化较大，为1.25～6‰，山前水力坡度较大，向平原区逐渐变缓。主要排泄方式为农田灌溉和生活饮用水开采地下水，其次为侧向径流排泄。

1.2.2 碎屑岩类裂隙水

隐伏于第四系松散层下的新近系泥灰岩，裂隙发育，在开采状态下，主要靠大气降水间接补给，即大气降水通过上覆含水层再补给隐伏的泥灰岩地下水，其次是侧向径流补给。地下水整体流向为西北向南东，水力坡度在1.5～10‰。主要排泄方式为人工开采及侧向径流排泄。

1.3 地下水动态特征

松散岩类孔隙水动态为降水渗入补给-开采型，总体水位特征表现为：1～4 月水位逐渐下降；5～7 月出现全年最低水位；随着雨季到来，9～10月水位逐渐回升，上升趋势一直持续到翌年春天。

碎屑岩类裂隙水隐伏于松散层下，地下水动态影响因素较少，其动态类型为补给-开采型。主要表现为地下水接受大气降水和侧向径流补给，人工开采和侧向径流流出则是主要排泄形式。

2 地下水开发利用现状

论证区地下水水位整体处于下降状态。由山前向平原含水层组的富水性逐渐增大，靠近山前的含水层富水性较弱，单井涌水量一般小于500 m3/d；平原区单井涌水量多在500～1 000 m3/d，靠近东边界的局部单井涌水量大于1 000 m3/d。

2.1 松散岩类孔隙水

含水层主要由第四系细砂、中细砂和粉细砂构成，部分地区含砂砾石薄层，含水层厚10 m 左右，从山前到平原（由西北向东南）砂层厚度及富水性都逐渐增大，靠近山前（青羊口断层）单井涌水量多小于500 m3/d，如石瓶村西部的抽水井（ck1）井深115.0 m，单井涌水量101.69 m3/d，单位涌水量0.85 m3/h·m ；单位涌水量向平原富水性逐渐增大，单井涌水量多大于1 000 m3/d，如崔庄村（编号ck3）井深90 m，单井涌水量为1 153.84 m3/d，单位涌水量为9.62 m3/h·m。据本次调查，该含水层水位埋深多在15～35 m，主要用于当地生活用水与农田灌溉。根据田庄2011～2013 年的地下水动态长观资料，2011 年1 月水位埋深为12.56 m，2013 年1 月水位埋深为13.8 m，可见地下水处于下降状态，年下降速率为0.62 m。

2.2 碎屑岩类裂隙水

埋藏于第四系松散岩类孔隙水下，西部埋深较浅，向东逐渐变深，顶板埋深西部一般为50～70 m，主要含水层为隐伏的新近系泥灰岩和砂岩，一般多为厚层状，上段质地较纯，裂隙岩溶发育，可间接接受大气降水和地表水的渗入补给。含水层的富水性由山前向平原逐渐增大，如靠近山前的小谷驼村（编号s06）井深300 m，单井涌水量227.37 m3/d，单位涌水量0.63 m3/h·m ；处于冲积平原的代庄（编号s03）井深200 m，单井涌水量661.76 m³/d，单位涌水量1.84 m3/h·m。本层地下水主要为生活用水和工业用水，根据本次调查论证区共22 眼，井深在300 m 以浅；水位埋深较大，多在30～65 m ；近年来，由于开采量的增加和开采时间的增长，地下水位呈逐年下降趋势。

3 地球物理勘探成果分析

3.1 1-1＇剖面断面电性特征及解释结果

剖面位于厂区西边线上（见图2），长960 m。完成电测深测点7 个、激电测深7 个。剖面走向1～3 号点180°，3～4 号点90°，4～7 号点180°。由等断面图（见图3）可知，1～3 号点等值线近水平状，由浅至深电阻率逐渐变低，在15～23 之间，浅部为干燥粉质粘土、粘土夹粉细砂、泥灰岩，下部为泥（岩）夹薄层砂（岩）。4～7 号点等值线近水平状，在17～25 之间，浅部为干燥粉质粘土、粘土夹粉细砂、泥灰岩，下部为泥（岩）夹薄层砂（岩）；4 号点深度100～200 m 为高阻封闭圈，5 点深度340～440 m 为高阻封闭圈，推断该段砂（岩）颗粒较粗。

图2 物探剖面线布置

图3 1-1＇物探综合推断成果

3.2 2-2＇剖面断面电性特征及解释结果

剖面位于厂区北边线、东边线上（见图2），完成剖面长1 230 m。完成电测深测点8 个，激电测深8 个。剖面走向1 号、8 号～10 号点90°，10～15 号点180°。由等断面图（见图4）可知，1 号、8 号～10 号点等值线近水平状，由浅至深电阻率逐渐变低，在16～50 之间，浅部为干燥粉质粘土夹粉细砂、泥灰岩，下部为泥（岩）夹薄层砂（岩）。10～15 号点等值线近水平状，在18～40 之间，浅部为干燥粉质粘土夹粉细砂、泥灰岩，下部为泥（岩）夹砂（岩）；14 号点深度60～80 m、200～260 m 为高阻封闭圈，推断该段砂（岩）颗粒较粗。

图4 2-2＇物探综合推断成果

3.3 综合分析

根据物探成果地质解译1-1＇及2-2＇剖面，300～500 m 间含水层岩性为粘土与细砂互层，主要含水段有300～360 m、400～440 m、460～480 m 三层，含水层厚度累计120 m，岩性为细砂；设计井深500 m，预计出水量在15 m³/h 左右[5-6]。

4 地下水资源量

补给量论证范围内碎屑岩类裂隙水主要接受大气降水的间接补给，其次是论证范围西边界侧向径流补给；大气降水补给见式（1）[7]，补给量为873.0 万 m3/a。

式中：Q雨补为降雨入渗补给量（万m3/a）；α为年大气降水入渗系数（取0.2）；F为计算区面积（取7 300 万m²）；X为多年平均降水量（取598 mm）。

根据绘制的地下水位等值线，运用达西定律计算地下水侧向径流补给量，见式（2）。经计算，地下水侧向径流补给量为158.99 万m3/a。

式中：Q侧为含水层的侧向流入量（万m/a）；K为径流补给边界附近含水层的渗透系数（取0.33 m/d）；M为含水层有效厚度（取含水层厚度平均值120 m）；L为边界的长度（取论证范围西边界长度5 500 m）；I为边界附近的地下水水力梯度（根据地下水流场图采用西侧水力坡度确定，取0.02）。

根据物探解译项目区水文地质条件，项目区含水段有3 层：300～360 m、400～440 m、460～480 m，含水层厚度累计120 m ；岩性为细砂；由地下水资源量计算结果得出补给量为1 031.99 万m3/a。计井深500 m，预计出水量在15 m3/h 左右。因此本项目取水12.7 m3/h 是可行的。

5 地下水水位预测

5.1 水文地质数学模型

概化水文地质数学模型，研究区含水层均质各向同性，等厚，侧向无限延伸，产状水平；抽水前天然状态下水力坡度为零；完整井定流量抽水，井径无限小；含水层中水流服从Darcy 定律；水头下降引起的地下水从贮存量中释放为瞬时完成。在上述假设条件下，单井定流量的承压完整井流数学模型如下：

式中：s为降深（m）；r为井径（m）；Q为涌水量（m3/d）；T为导水系数（m2/d）；t为时间（d）；u*为贮水系数（无量纲）。

5.2 水文地质参数

根据数据模型的概化，本次选用配线法及解析法进行计算。计算数据选用卫辉市唐庄镇一中取水井S01 抽水试验数据。

式中：T为导水系数（m2/d）；Q为稳定出水量（m3/d）；W( )μ为井函数；S为水位降深（m）；M为承压含水层厚度（m）；K为渗透系数（m/d）；a为导压系数（m2/d）。

解析法通过绘制抽水阶段s-lg(t)线，在直线上取两点进行计算。公式如下：

式中：T为导水系数（m2/d）；Q为稳定出水量（m3/d）；S为t时刻的降深（m）；M为承压含水层厚度（m）；K为渗透系数（m/d）；a为导压系数（m2/d）；t0为S等于0 时的时刻（d）。

根据本次在唐庄一中（编号s01）做的抽水试验数据，配线计算的K=0.41 m/d ，T=11.37 m2/d，a=182.25 m2/d ；直线解析法计算的K=0.26 m/d，T=7.37 m2/d，a=84.52 m2/d，计算结果见表1。可见，两种计算方法参数基本相当，本次参数取两种方法的平均值，即K=0.33 m/d，T=9.37 m2/d，a=133.39 m2/d。

表1 承压水稳定流抽水试验参数成果

5.3 水位预测

降深预测采用承压完整井无越流泰斯公式近似式计算，根据概化处理，采用地下水承压完整井无越流泰斯公式的近似式进行预测，分别计算本项目地下水开采1、5、10、15、20 年开采井水位降深，其值分别为37.51 m 、41.61 m、43.49m、44.42 m、45.1 7 m。可看出，地下水开采20 年开采井地下水位降深45.17 m，小于含水层厚度的1/2。此外，由开采井水位降深随时间变化可以看出，水源地开采10 年后地下水位趋于稳定，地下水的补给和排泄达到新的平衡[8-9]。

式中，Q为开采量（m3/d）；K为渗透系数（m/d）；M为取水层厚度（m）；r为计算点到抽水井的距离（m）；μ为弹性释水系数（无量纲）；t为开采年限内单井累计抽水天数（d）。

6 结论

根据以上计算结果分析，本项目设计井深500 m，布井1 眼，根据物探结论确定取水层位为300～360 m、400～440 m、460～480 m，单井取水量12.7 m3/h，日取水量305 m3/d，年取水量9.8 515万m3/a。取水水源拟采用新近系碎屑岩类裂隙水，采用配线法及解析法进行率定水文地质参数，采用水量均衡法计算得地下水总补给量为1 031.99 万m3/a，满足项目水源要求。运用解析法预测了开采1、5、10、15、20 年开采井水位降深，开采10 年后地下水的补给和排泄达到新的平衡。