在薄含水層和低滲透性含水層中開采地下水時，水平井比垂直井更具明顯的優(yōu)勢，因此，近年來引起了很多水文地質(zhì)工作者的研究興趣。國際上，不管是解析法還是數(shù)值法，目前基本上都是采用等開采強度或是等水頭的線匯來刻畫水平井管[1-5]，但其適用性并未得到嚴格證明。陳崇希等提出了等效滲透系數(shù)的概念與確定方法，將“水平井-含水層”系統(tǒng)視為含有圓柱形透鏡體的非均質(zhì)含水層，給出新的水平井流數(shù)學模型，避免了采用線匯刻畫水平井管時假定其流量分布和水頭分布的困難。若將豎井的出水口作為水平井管的內(nèi)邊界，則可以方便地給出邊界條件，這樣整個“水平井-含水層”系統(tǒng)就簡化為一個非均質(zhì)介質(zhì)中定流量抽水或定降深抽水的問題。

　　摘要：為了合理有效地開采地下水，科學地設(shè)計地下水開采方案非常關(guān)鍵。在陜西省北部神木縣境內(nèi)的合河水源地選擇了廊道、輻射井和滲流井3種水平井開采地下水方式，每種方式設(shè)計了多種開采方案，其中廊道有20種方案，輻射井有2種，滲流井有2種。利用VisualMODFLOW軟件，以“等效滲透系數(shù)”及“滲流-管流耦合模型”為理論基礎(chǔ)，對不同方案進行地下水流數(shù)值模擬，并分別計算其平水期和枯水期的取水量。考慮枯水期的衰減程度、施工難度、造價及管理的難易程度等多種因素，最終確定“4眼滲流井開采”為最佳方案，其平水期總開采量為35400m3/d，枯水期總開采量為27500m3/d。

　　關(guān)鍵詞：工程類論文發(fā)表,地下水,水平井,開采方式,等效滲透系數(shù),滲流-管流耦合模型,最佳方案

　　在“水平井-含水層”系統(tǒng)中一般是多種流態(tài)并存，其中在含水層介質(zhì)中地下水流動形態(tài)一般為低雷諾數(shù)的層流，符合達西定律。而在“水平井管”中，因其水力半徑較大，水流的雷諾數(shù)一般較大，所以其中的水流一般為紊流。通過引入紊流狀態(tài)等效滲透系數(shù)的概念，將其流動定律表示為達西定律的形式，就可以使整個“水平井-含水層”系統(tǒng)中各種流態(tài)的流動規(guī)律都統(tǒng)一地用達西定律形式來表示。把“水平井管”看作“水平井-含水層”系統(tǒng)中透水性很強的含水介質(zhì)，就能將滲流和管流耦合起來[6-14]�；�于上述思路，本文在陜西省北部合河水源地分別模擬了廊道、輻射井和滲流井三種地下水開采方式，在綜合分析了當?shù)厮�文地質(zhì)條件、地方現(xiàn)在及未來發(fā)展需求等因素的基礎(chǔ)上，避免因過量開采而導致環(huán)境問題及次生災害的發(fā)生等問題，確定經(jīng)濟上合理、技術(shù)上可行的水平井開采方案。

　　1合河水源地基本情況及模型建立

　　神木縣位于陜西省北部的黃河西岸，陜西、山西、內(nèi)蒙古三�。▍^(qū)）接壤地帶。本次研究區(qū)合河水源地地屬神木縣行政區(qū)范圍，位于神木縣東南邊境的黃河河谷區(qū)，地處西北內(nèi)陸，黃河為該研究區(qū)內(nèi)的主要河流。本區(qū)從水資源形成條件可分為黃河河谷區(qū)和低山丘陵區(qū)。黃河河谷區(qū)地勢平坦，沖洪積層結(jié)構(gòu)松散，含水層巖性以含礫砂層和砂礫卵石為主，孔隙率較大，透水性較強，易于接受大氣降水入滲補給，開采狀態(tài)下還可得到黃河地表水的滲漏補給，地下水開采條件較為優(yōu)越。低山丘陵區(qū)地形切割強烈，黃土或黃土狀土呈峁狀披蓋在基巖上，為透水不含水地層，且分布不連續(xù)，不易形成良好的供水含水層。

　　建立模型時，模型各邊界確定如下。研究區(qū)東部邊界為黃河，在天然條件下，地下水在接受大氣降水入滲補給后向黃河排泄，在開采條件下，將激發(fā)黃河河水大量滲漏補給地下水，所以將黃河概化為第三類河流邊界；西部邊界為低山丘陵區(qū)與黃河河谷區(qū)分界線，基巖透水性差，加之地形破碎，概化為隔水邊界；考慮到黃河水面寬廣、縱向延伸長，取水工程正常工作時不會影響到黃河上、下游邊界，故可將上、下游邊界概化為一類定水頭邊界；頂面為潛水面，在該面上發(fā)生著降水入滲、潛水蒸發(fā)等垂向水交換作用，故可概化為潛水面邊界；底面為三疊系完整基巖，基巖結(jié)構(gòu)致密，裂隙不發(fā)育，構(gòu)成區(qū)域隔水底板。

　　采用廊道、輻射井或滲流井開采地下水時，由于受開采井結(jié)構(gòu)及集水方式影響，井周圍地下水流三維流特征顯著，所以將地下水流概化為三維流，水流服從達西定律。根據(jù)水文地質(zhì)概念模型，建立研究區(qū)地下水三維穩(wěn)定流數(shù)學模型，利用有限差分數(shù)值方法，對研究區(qū)采用規(guī)則網(wǎng)格進行精細的剖分。平面上網(wǎng)格間距均為5m×5m，垂向上根據(jù)不同的井結(jié)構(gòu)把第四系及基巖含水層剖分為不同的形式。在野外工作中共做3個在研究區(qū)分布較均勻的鉆孔抽水試驗，經(jīng)過計算得出3個滲透系數(shù)值，第四系含水層水平滲透系數(shù)依次為19.116m/d、0.682m/d、17.889m/d，在大致相同的位置做雙環(huán)滲水試驗，計算出對應的垂向滲透系數(shù)依次為1.675m/d、2.782m/d、1.704m/d，根據(jù)這3個鉆孔的位置把研究范圍內(nèi)的黃河河谷區(qū)分成3個區(qū)，每個區(qū)分別采用上述參數(shù)值進行模擬計算。同理根據(jù)計算出的基巖含水層3個滲透系數(shù)值0.559m/d、1.106m/d、0.005m/d來進行分區(qū)賦值。給水度取0.2。由于合河河谷區(qū)面積較小，并且降水入滲量、蒸發(fā)排泄量與開采條件下激發(fā)的黃河水滲漏補給量相比很小，故模型建立時可忽略設(shè)計開采量之外的源匯項，這樣初始水頭取為黃河平水期水位值40m。黃河概化為三類邊界，邊界水位取平水期黃河水位，枯水期水位下降1m。區(qū)內(nèi)黃河河床淤積層厚1cm，滲透系數(shù)根據(jù)鄰區(qū)資料并結(jié)合經(jīng)驗取值為0.01m/d。

　　由加拿大Waterloo水文地質(zhì)公司在原MODFLOW軟件的基礎(chǔ)上應用現(xiàn)代可視化技術(shù)開發(fā)研制的，并于1994年首次在國際上公開發(fā)行的VisualMODFLOW是目前國際上最流行且被各國一致認可的三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)。由于該軟件設(shè)計新穎的菜單結(jié)構(gòu)允許用戶非常容易地在計算機上直接圈定模型區(qū)域和剖分計算單元，并可方便地為各剖分單元和邊界條件直接在機上賦值。據(jù)此在建模過程中設(shè)定上述各類條件，以“水平井管”各段與含水層間的交換水量為紐帶，建立各開采方案下的三維有限差分數(shù)值模型，對河流平水期和枯水期條件下的水平井出水量進行模擬計算[15]。2不同開采方式下的開采方案設(shè)計

　　2.1廊道

　　廊道沿黃河平水期水邊線進行布設(shè)，在廊道下游尾部布設(shè)一口豎井（圖1（a））。廊道匯集的水量進入豎井，豎井井壁襯砌處理，使其不進水。設(shè)計廊道頂面埋深分別為2m、3m、4m、5m、6m，對應的設(shè)計豎井降深分別為1～2m、1～3m、1～4m、1～5m、1～6m。這樣在合河研究區(qū)共設(shè)計了不同廊道埋深、不同豎井降深條件下的20種地下水開采方案。

　　2.2輻射井

　　輻射井布設(shè)時豎井距黃河平水期水邊線50m，設(shè)計各豎井降深為5m。布設(shè)時需要考慮井與井之間的干擾，盡量在相互干擾小的條件下多布井。最終根據(jù)豎井之間的間距不同，在合河研究區(qū)共設(shè)計了兩種方案開采地下水，即10眼（豎井間距200m）和13眼（豎井間距150m）大口徑輻射井（圖1（b））。

　　2.3滲流井

　　本次計算選用各滲流井設(shè)計為5個硐室，硐室平面位置位于黃河平水期水邊線，相鄰硐室間間距為70m，各硐室向斜上方分布輻射管，平巷沿黃河平水期水邊線布設(shè)，豎井距黃河平水期水邊線40m，設(shè)計各豎井降深為5m。滲流井布設(shè)時考慮了各工程間距以不產(chǎn)生顯著降深疊加為宜。根據(jù)豎井之間的間距不同，合河研究區(qū)共設(shè)計了兩種開采方案，即3眼（豎井間距750m）和4眼（豎井間距500m）滲流井（圖1（c））。

　　3不同開采方式下各開采方案的遴選

　　3.1廊道

　　對比豎井降深相同的方案可總結(jié)出，廊道埋深對廊道的出水量影響不大，隨著廊道埋深的減小，對應的地下水降落漏斗分布的范圍增大，廊道開采條件下激發(fā)的黃河水滲漏補給量增多，但增加的量較小。對比同一埋深條件下，隨著豎井降深的增加，廊道內(nèi)水頭逐步下降，從河流到廊道的水頭差逐漸增大，這樣地下水流動水力坡度加大，導致廊道計算圖1廊道、輻射井和滲流井選取方案的布井圖

　　Fig.1Distributionofwellsfortheplansofgallery，radialwell，andseepagewell

　　出水量顯著增加。同時出水量與豎井降深不是完全的線性關(guān)系，隨著降深的增大出水量增加的趨勢逐漸變緩，而且豎井降深太大可能會導致出現(xiàn)地下水與河流脫節(jié)的現(xiàn)象，河流達到最大補給能力后若再進一步增加豎井降深，其出水量將不再顯著增加，甚至隨豎井降深增加，單位豎井降深條件下計算出水量反而逐漸減小。

　　另外，考慮到隨著廊道埋深的增加，其施工難度及成本也會急劇增加，同時還需考慮合適的豎井降深，以保證不出現(xiàn)大范圍的地下水與河流脫節(jié)的現(xiàn)象，因此，最終推薦采用埋深5m，降深5m的廊道開采方案開采黃河河谷區(qū)的地下水。對該方案進行模擬計算，結(jié)果顯示合河研究區(qū)平水期廊道計算出水量為35412.01m3/d，建議開采量為35400m3/d。枯水期由于黃河水位下降、水邊線后退，將導致黃河水滲漏補給地下水的水力坡度變小，且補給面積變小，使得廊道出水量迅速下降。模擬時把枯水期的河流代入推薦方案的模型中，求解出結(jié)果為19905.98m3/d，枯水期建議開采量為19900m3/d。

　　3.2輻射井

　　針對10眼井方案的模擬結(jié)果見表1，對比單井作用和群井作用下的各輻射井總出水量，發(fā)現(xiàn)布設(shè)的各輻射井間相互干擾較小。對比黃河平水期與枯水期輻射井出水量，枯水期出水量急劇減少的原因與廊道一致。根據(jù)10眼輻射井群井共同作用條件下的模擬結(jié)果，可確定各輻射井的建議開采量，即建議平水期總開采量為25400m3/d，枯水期為18200m3/d。

　　13眼井方案中，輻射井數(shù)量的增加使得出水量顯著增加，但也會使相鄰兩輻射井之間的距離減小，相互干擾增大。同樣對比單井作用與群井作用下各輻射井的出水量，平水期各輻射井群井作用下總出水量減少了10%，枯水期減少了16.64%（表1）。對比黃河平水期與枯水期輻射井出水量，明顯看出枯水期的出水量顯著減小。根據(jù)13眼輻射井群井共同作用條件下的結(jié)果，確定平水期建議總開采量為30900m3/d，枯水期為21700m3/d。需要注意雖然增加輻射井數(shù)量能顯著增加研究區(qū)的出水量，但隨著輻射井的增多，井與井之間的影響會增大，施工成本會隨之增長，因此不建議設(shè)計過多的輻射井。根據(jù)以上分析，考慮輻射井建設(shè)成本及出水量，選擇13眼方案開采區(qū)內(nèi)地下水。

　　3.3滲流井

　　針對3眼井方案的模擬結(jié)果見表1，對比單井作用與群井作用下的各滲流井總出水量，發(fā)現(xiàn)布設(shè)的滲流井各井間相互干擾很小。同時對比黃河平水期與枯水期滲流井取水量，易看出枯水期滲流井的出水量明顯減少，分析同上。根據(jù)群井共同作用條件下的模擬結(jié)果，可確定各滲流井建議開采量，建議平水期總開采量為27300m3/d，枯水期為22000m3/d。

　　在4眼井方案中，滲流井數(shù)量的增加能顯著增加研究區(qū)的出水量，對比單井作用與群井作用下的各滲流井取水量，可得出平水期和枯水期的井間相互干擾都沒有顯著增加。對比黃河平水期與枯水期滲流井出水量，看出枯水期滲流井的出水量明顯減少。根據(jù)群井共同作用條件下的模擬結(jié)果，確定平水期建議總開采量為35400m3/d，枯水期為27500m3/d。由于隨滲流井數(shù)量的增加，出水量增多，但同時井間干擾及施工成本均會隨之增長，因此同樣不建議設(shè)計過多的滲流井。綜合考慮滲流井建設(shè)成本、取水點數(shù)目、單井出水量、總出水量等因素，選擇4眼井方案開采區(qū)內(nèi)地下水。

　　4最佳方案的選擇

　　在對不同開采形式下的各推薦方案進行模擬計算后，各方案下平枯期的建議開采量結(jié)果見表2。同時可看出，當枯水季節(jié)黃河水邊線后退、水位下降時，滲流井的衰減量最小。

　　對比廊道和滲流井的出水量，在布井范圍相當?shù)臈l件下，兩種取水方式在平水期的出水量相差很小，但因滲流井輻射管深入黃河河床之下，對黃河地表水的激發(fā)效果更好，使得在枯水期黃河水邊線后退的條件下，滲流井的出水量明顯大的多。對比輻射井和滲流井兩種相近的取水方式，從平水期及枯水期黃河水邊線后退條件下的出水量方面考慮，滲流井激發(fā)黃河水滲漏補給的范圍更大，導致滲流井平枯期出水量大且衰減量相對較小。根據(jù)以上分析及表3中3種水平井開采方式優(yōu)缺點的對比，建議在合河研究區(qū)采用4眼滲流井方案開采區(qū)內(nèi)地下水資源，建議平水期總開采量為35400m3/d，枯水期總開采量為27500m3/d。開采方式優(yōu)點缺點廊道施工簡單且成本較低、取水量大、取水點集中、易管理開挖廊道會破壞河床、影響河流行洪能力、人工回填濾層易淤積、導致出水量下降輻射井出水量大、適用地層廣、壽命長、調(diào)控范圍大施工較復雜、施工質(zhì)量和技術(shù)水平直接影響出水量、取水點多而分散、不易管理滲流井出水量大、取水點少、易管理施工工藝復雜、造價較高5結(jié)語

　　以滲流-管流耦合模型為理論依據(jù)，對選取的3種水平井開采方式下各自方案在合河水源地模擬計算出的取水量，根據(jù)平水期和枯水期對取水量的要求，并且需要考慮廊道、輻射井及滲流井的優(yōu)缺點，選擇最適合在本區(qū)開采地下水的方式及相應的方案，最終確定4眼滲流井開采地下水為最佳方案，建議平水期開采量35400m3/d，枯水期開采量27500m3/d。

　　本研究對于在實際應用中選擇恰當?shù)乃�平井開采地下水具有重要的意義。但是研究過程中沒有考慮如枯水期黃河水位下降很大，同時伴隨水邊線大幅后退等極端情況，甚至出現(xiàn)河水與地下水脫節(jié)而導致局部出現(xiàn)取水機理更加復雜的飽和-非飽和流同時存在的現(xiàn)象，因此還需更深入地研究“飽和-非飽和、滲流-管流”綜合的耦合模型，來進一步準確細致地刻畫水平井的取水機理，建立符合其取水機理的地下水、地表水耦合數(shù)值模型。

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