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周博文，李华明，常宝成
（核工业二〇八大队，内蒙古 包头，014010）
额仁淖尔苏木位于二连浩特市南西部，无地表水系及湖泊，地下水严重匮乏，属干旱缺水地区。二连浩特至额仁淖尔一带赋存多种矿产资源，如萤石矿、铀矿和石油等［1-2］，今后矿床开发首要条件是供水水源。近些年，区域上地下水的不合理开采逐渐加剧，地下水恶化现象严重，对其治理和修复均需付出昂贵代价，因此，合理开采地下水显得尤为重要。
目前关于该地区地下水资源评价、开采潜力评价等研究极为匮乏，而通常人为开采地下水仅追求最大开采量的单纯因素，不符合绿色勘查的根本宗旨，应从长远考虑其可开采能力，因此应科学评价地下水资源及开采潜力［3］。评价地下水可开采潜力方法主要有开采系数法［4-6］和开采潜力指数法［7-9］。本文综合研究已有资料，认为区内主要含水层为白垩系碎屑岩类孔隙水，根据区域水文地质条件圈定了水源地靶区，利用开采潜力指数法分析靶区地下水可开采潜力，利用干扰井群法［10-14］评价了靶区内可增加开采量，为今后矿山开采供水提供依据。
研究区位于锡林郭勒盟二连浩特市西南部额仁淖尔地区，地形总趋势南高北低、东西两侧高、中间低的马鞍形地势。研究区属中温带大陆性季风气候和干旱荒漠草原气候，春季干燥少雨，夏季短暂炎热，秋季天高气爽，冬季漫长寒冷。区内降水量少而集中，多年平均降水量133.4 mm，年最大降水量256.9 mm，年最小降水量39.7 mm，降水的主要形式以降雨为主，冰雹、霜和雪的降水形式甚少。受季风影响，不同月份的降水量差异也很大，降水多集中于6～9 月4 个月份，约占全年总降水量的76.7%。区内蒸发较为强烈，不同年份蒸发量差别不大，多年平均蒸发量为2 415.0 mm。蒸发最强烈为5～9 月，以6 月最大，多年平均达374.4 mm；
1 月最小，多年平均为25.3 mm。区内属内陆水系，且地表水系不发育，在高平原以片流为主，丘陵间有短的沟谷，只有降大雨时形成短暂的洪流，汇集于相对低洼处，形成临时淖尔，靠蒸发和入渗消耗［15］。
2.1 区域水文地质条件
根据地下水的赋存条件、水理性质、水力特征及含水层的岩性、结构，区域上地下水可划分为基岩裂隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水和第四系松散岩类孔隙水三大类（图1）。
图1 额仁淖尔地区水文地质略图Fig.1 Hydrogeological sketch of Erennur
基岩裂隙水分布在西部波状高丘陵区，含水层岩性主要为华力西期花岗岩，多为不稳定的风化裂隙潜水；
地下水位埋藏变化较大，一般小于10 m，地下水分布极不均匀，补给来源主要是大气降水补给，水量较贫；
第四系松散岩类孔隙水仅分布在丘陵区及阶状高平原台缘陡坎前之沟谷中，含水层厚度小于1 m，主要靠大气降水和凝结水渗入补给，水量贫乏。
区内主要赋存白垩系碎屑岩类孔隙水［15］，从岩性岩相来看（图2），西缘及东缘部分地段为山麓相沉积，其含水层以山麓相泥质砂砾岩、砾岩为主，颗粒混杂，大小不一，且含泥质，多呈半固结到固结状。向中部过渡为辫状河三角洲相沉积，含水层岩性主要由白垩系灰黄色、灰色和灰绿色砂砾岩、含砾砂岩、细砂岩互层组成。其中南部、西南部和东南部主要为辫状河相沉积，含水层岩性主要为砂砾岩、含砾中粗砂岩；
北中部主要为河流三角洲相沉积，含水层岩性主要为细砂岩、中细砂岩。整体具有由南部向中部、北部砂体粒度由粗变细的特点。中心为SN向条带状湖相沉积，含水层厚度薄，连续性差，主要由含泥细砂岩、泥质砂砾岩组成。在中部湖相泥岩带四周，含水层厚度一般大于40 m，最厚122.10 m，泥岩带中心含水层厚度小于20 m，含水层厚度整体由南向北、由四周向中间由厚变薄，含水层颗粒由粗变细。泥岩带四周单井涌水量一般为100～500 m³·d-1，南西角一带单井涌水量大于1 000 m³·d-1，泥岩带中心部位单井涌水量小于100 m³·d-1，最小1.59 m³·d-1。在靶区西侧主要接受基岩裂隙水的渗入补给，在南侧、东侧补给来源主要为侧向径流补给。从补给能力来看，西侧基岩裂隙水的渗入补给及南侧的侧向径流补给能力较强，而东侧、东南侧受二连凸起与阿尔善凸起的影响，侧向径流补给能力较差。
图2 额仁淖尔地区岩性岩相图Fig.2 Lithology and lithofacies map of Erennur
2.2 水源地靶区圈定
水源地靶区圈定依据需满足以下条件：区内相对富水地段；
地下水补给径流条件相对较好地段；
水位埋深相对较浅地段；
含水层厚度相对较大地段。
依据研究区水文地质条件及前人综合研究成果，按照前述圈定水源地靶区圈定条件，围绕中心SN 湖相沉积带中部东西两侧及南侧圈定了水源地靶区（图3），靶区的边界主要根据相对富水地段及沉积相带范围控制，局部靠钻孔控制。靶区面积约253 km2，靶区内具有如下水文地质特征。
图3 额仁淖尔水源地靶区范围Fig.3 Extension in Erennur water source target area
含水层岩性主要为白垩系含砾中粗砂岩、砂砾岩，含水层厚度一般大于80 m，最大超过200 m；
单井涌水量介于100～500 m³·d-1之间，局部地段单井涌水量大于1 000 m³·d-1，单井最大涌水量一般在800～1 500 m³·d-1之间，为区内富水性最好的地段；
含水层顶板埋深在50 m 左右，承压水位埋深为8.11～17.70 m；
主要接受西、南、东南地下水侧向径流补给，水力坡度介于3‰～8‰，渗透系数介于0.38～2.93 m·d-1之间，相对其他地段，地下水补给径流条件较好。
地下水资源量的计算包括对地下水天然补给量、储存量的计算。本次仅计算水源地靶区内各项资源量。
3.1 天然补给量
侧向径流补给是靶区内唯一补给源，采用断面法计算［16］（图4）：
图4 额仁淖尔水源地靶区计算断面分布图Fig.4 Distribution of calculation section of Erennur water source target area
计算公式：
式中：Q侧补—地下水地下径流流入量，104m3·a-1；
L—计算地下水径流断面长度，m；
M—含水层厚度，m；
K—渗透系数，m·d-1；
I—地下水的水力坡度，‰；
α—地下水流向与计算断面法线间夹角，（°）。
由计算可知，水源地靶区内白垩系碎屑岩类孔隙水天然补给量为213.24×104m3·a-1。
3.2 储存量计算
储存量计算面积是利用钻孔对靶区内含水层面积采用泰森剖分多边形分割（图5），然后在图上量取实际面积，其余参数直接利用前人资料成果。计算公式：
图5 额仁淖尔水源地靶区地下水储存量计算分区图Fig.5 Zoning map of groundwater storage calculation of Erennur water source target area
式中：V储承—承压水储存量，亿m3；
V弹承—弹性储存量，亿m3；
V容承—静储量，亿m3；
μ*—弹性释水系数；
μ—给水度；
F—含水层分布面积，m2；
h—平均承压水头高，m；
M—平均含水层厚度，m。
经计算，靶区内地下水静储量为12.62×108m3，弹性储量为0.18×108m3，合计12.80×108m3。
4.1 可开采量计算
水源地靶区含水层岩性主要为含砾中粗砂岩和砂岩。含水层厚度较大，水量丰富，根据前面的资源计算可见，水源地靶区内地下水天然补给量不多，静储量很大，根据水源地靶区地下水资源计算结果，水源地靶区地下水侧向径流补给量为213.24×104m3·a-1。地下水静储量12.62×108m3。因此，按天然补给量的50%［4］作为地下水的可开采资源量具有较高的保证程度（计算结果见表1）。
表1 额仁淖尔水源地靶区地下水可开采资源量计算表Table 1 Calculation table of exploitable groundwater resources of Erennur water source target area
4.2 可开采潜力分析
对地下水潜力评价是正确认识地下水开发利用程度的手段［8，17］。正确的评价结果对地下水资源分布特点、地下水开采潜力和利用精细程度将有一个清晰的把握。本次评价主要考虑地下水的开采盈余量。
地下水开采潜力依据开采潜力指数［6］作为判定标准，其计算公式为：
式中：P—地下水开采潜力指数；
Q可开采量—地下水可开采量，104m3·a-1；
Q现状开采量—地下水现状开采量，104m3·a-1。
P值的判别指标如下：P＞1.2，有开采潜力，可扩大开采；
1.2≥P≥0.8，采补平衡区；
P＜0.8 潜力不足，已超采。
该地区白垩系碎屑岩类裂隙孔隙水水质普遍较差，矿化度一般介于2.92～8.55 g·L-1之间，最高可达12.88 g·L-1，不适宜作为生活饮用水。靶区内主要为牧民及牛羊用水，总体人口密度较低，开采程度低，现状开采量按分散牧民人数及牲畜总数量，按供水定额计算，水源地靶区内现状开采量为3.20×104m3·a-1。
根据地下水可开采资源量计算和现状开采量统计，对靶区进行地下水资源潜力分析。分析结果见表2。
由表2 可见，靶区地下水开采潜力指数为32.32，属有开采潜力区，可扩大开采。
表2 额仁淖尔水源地靶区地下水开采潜力分析表Table 2 Analysis of groundwater exploitation potential of Erennur water source target area
本次采用干扰井群法模拟试验来评价圈定水源地靶区地下水可增加开采量的保证程度，并预测其可开采年限。
5.1 布井方案
根据靶区内已有钻孔的抽水资料，影响半径最大为274 m，最小为161 m，考虑到本区天然补给量较小，因此生产井的布置要考虑有利于长期稳定开采，井距不宜太小，最终确定合理井距1 km，采用管井开采方式，依据已有钻孔，拟在靶区中心地带横向排列布设4 眼开采井（图6），设计井深220 m，依据可增加开采量计算结果，抽水井总量为2 800 m3·d-1，每眼井开采量为700 m3·d-1。
图6 额仁淖尔水源地靶区开采井拟布置方案图Fig.6 Proposed layout of mining wells in the target area of Erennur water source target area
5.2 水文地质条件概化
根据前人抽水试验取得的参数，对选取的水源地水文地质条件进行概化。靶区内已有钻孔资料显示，承压水含水层基本为各向同性，因此各种参数取其平均值。其中导水系数概化为111.48 m2·d-1，弹性释水系数概化为0.000 17，将开采区的外围作为无限边界，开采时间按1、5、10、20 和30 a 计 算。
5.3 确定计算公式，计算降深值
根据概化后的水文地质条件，可选用承压水完整井井群干扰非稳定流理论公式［3］计算：
式中：S—观测井的水位下降值，m；
Qi—各井抽水量，m3·d-1；
W（ui）—井函数；
ui—井函数自变量；
ri—抽水井至观测井距离，m；
μ*—含水层弹性释水系数；
T—含水层导水系数，m2·d-1；
t—抽水延续时间，d。
5.4 计算结果
根据布井方案，4 个井的中心点受干扰最强，可作为水位降深预报点。计算结果见表3。
表3 井群对中心预报点的干扰降深计算表/mTable 3 Calculation table of interference drawdown of well group to central prediction point
图8 水位降速变化趋势图Fig.8 Variation trend of water level deceleration
由表3 可见，在开采30 a 后，最大水位降深19.67 m，未超过含水层顶板，且在开采20 a 后，水位基本趋于稳定（图7、8），因此，按可增加开采量2 800 m3·d-1布局开采是有保证程度的。
图7 水位降深变化趋势图Fig.7 Variation trend of water level drawdown
圈定的水源地靶区地下水天然补给量为213.24×104m3·a-1，地下水静储量12.80×108m3，开采潜力指数为32.32，可增加开采量为103.42×104m3·a-1，有开采潜力，可扩大开采。按可增加开采量2 800 m3·d-1布局，开采30 a 后，最大水位降深19.67 m，未超过含水层顶板，且在开采20 a后，水位基本趋于稳定。
本次得出的结论可为今后矿床开采供水提供参考，建议下一步在圈定的水源地靶区内进行现场水文地质抽水试验验证。
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