厄立特里亚扎拉河地下水资源评价与可开采潜力分析

林国庆，吴先勇，庞红璐，陈小兰，李文娟，闫鑫宇

（1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100；2.上海外经集团控股有限公司，上海市200032）

厄立特里亚扎拉河地下水资源评价与可开采潜力分析

林国庆1，吴先勇2，庞红璐1，陈小兰1，李文娟1，闫鑫宇1

（1.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛266100；2.上海外经集团控股有限公司，上海市200032）

为了确保科卡金矿项目可以获得持续性供水，避免过度抽水导致周边地区生态环境失衡，通过抽水试验、地震勘探等方法对地下水资源进行评价，并建立了水均衡模型，探究该地区地下水的可开采潜力。结果表明：该地区含水层具有高渗透性，出水量超过20 L/s，总存储量计算值为5.3 Mm3；较厚的冲积含水层可满足该项目运行8年的用水需求。水均衡分析结果显示，平水年的河道径流可以提供足够的入渗补给，使含水层恢复至最大储量；模拟3种气候条件下，含水层出现的平均降深为2.21～2.65 m，平均地下水位约为15.1 m，且从含水层中抽取水对周围环境并无显著影响。

含水层；抽水试验；地震勘探；水均衡模型

0 引言

水是人类赖以生存和发展不可缺少的重要物质资源之一，水在自然环境和社会环境中，都是极为重要而活跃的因素。地下水是地球水资源的重要部分，与大气降水资源和地表水资源密切联系，互相转化。采矿活动往往需要消耗大量的水资源，会对地下水水位以及周围环境造成一定的影响，因此在矿区建立给水模型以保证采矿项目获得持续性供水且通过一定方法确定冲积含水层的潜在水量以及从含水层中抽取水对周围环境所带来的影响是非常必要的[1,2]。

近年来，国内外学者运用不同的方法对水资源的供给与均衡进行了研究。例如，运用解析法和数值法预测矿床涌水量及影响范围[3]；运用多种地下水数值模型，如 FEFLOW、Visual-Modflow和GMS等，来模拟不同人类活动对地下水动态的影响[4～6]；运用随机-确定地下水动态预测模型，揭示地下水的作用机制[7]等。

科卡金矿项目位于厄立特里亚北部扎拉地区，是一个拟定的露天金矿开采项目，由于缺少该区域相关流域的详细径流数据和气象资料，难以满足某些模拟计算的要求。水均衡模型运用水均衡法能够具象地反映地下水抽取补给与地下水水位以及含水层水量的关系，方法简便，原理清晰，所需要的区域水文资料要求相对较低[8,9]。本文主要进行了扎拉项目矿区的区域特征调查，钻孔抽水试验、地震勘探等旨在建立水均衡模型的研究，以便为采矿活动能够获得持续性供水以及分析抽取地下水对周围环境的影响提供依据。

1 研究区概述

科卡金矿项目位于厄立特里亚首都阿斯马拉(Asmara)北部约165 km处，距最近的居民区Rikeb村大约7 km，其地理位置如图1所示。该地区年平均气温为17～45℃，年降水量为260～350 mm，而年总蒸发量高达1 940 mm，是典型的地表水不发育、地下水不丰富、少雨干旱贫水地区。矿区坐落在与扎拉河平行的山脉内，区内没有终年不旱的河流或溪流，即使在雨季，一些主要季节性河流诸如扎拉河、费赫河和科卡河等河流的径流期也是十分短暂的。

2 地下水资源评价

2.1 抽水试验

在2010年6月雨季开始前，采用逐步降深抽水试验对钻井ZAWP010和ZAWP011B进行了为期 2 d的定流速抽水试验，通过 Hantush[10]和Bierschenk[11]法确定井孔的稳定抽水量；在2011年2月旱季结束之前，进行了为期7 d(10 800 min)的定流量抽水试验和8.6 d(12 420 min)水位恢复监测。定流量抽水试验采用泰斯公式和Cooper-Jacob[12]算法来确定钻孔的稳定抽水量以及含水层的储水系数和导水系数，再由含水层的储水系数和导水系数来确定钻井ZAWP010和ZAWP011B的潜在抽水量。抽水试验结果如表1所示。

图1 研究区地理位置图

表1 钻井ZAWP010和ZAWP011B的抽水试验结果

潜在给水分析结果表明，钻井ZAWP010含水层的导水系数和储水系数分别为834 m2/d和0.1，钻井ZAWP011B含水层的导水系数和储水系数分别为2 122 m2/d和0.1。钻井ZAWP010的稳定抽水量为15.0 L/s（1 296 m3/d），7 d稳定开采引起的水位降深仅为1.44 m。钻井ZAWP011B的稳定抽水量为15.3 L/s（1 322 m3/d），7 d稳定开采引起的水位降深仅为 2.47 m。钻井 ZAWP010和ZAWP011B的导水系数较高，短期内其抽水量受井的抽水能力所控，对于一个年计划需水量为0.97× 106m3的矿山而言，1～3年预计需水量为31 L/s；4～8年期间，若年计划需水量增至1.07×106m3时，则需水量达到34 L/s。由抽水试验可知，水的需求量短期内可以通过2个井孔来满足，前提是该地区含水层能够提供无限的地下水资源，因此还需要考虑扎拉河段的地下水储存量和年补给量。

2.2 地震勘探

采用折射波地震勘探法评估扎拉河流冲积层的横剖面，以此来评估地下水存储量。勘探区域沿扎拉河延伸18.6 km，从瑞科比河上游开始，在扎拉河和安瑟巴河汇合处的上游大约4 km处结束。地震勘探横断面如图2所示，根据饱和冲积物质的宽度以及厚度，可以将地震勘探区域分为3个部分(从下游至上游)。第一部分长7.3 km，饱和冲积物的平均厚度为15.1 m，平均宽度为499 m，含水层的蓄水量约为5.3×106m3，是矿井供水开采的优选供水水源地。第二部分长6.2 km，饱和冲积物的平均厚度为8.0 m，平均宽度为204 m，含水层的蓄水量约为1.01×106m3。第三部分长5.5 km，饱和冲积物的平均厚度为6.7 m，平均宽度为279 m，含水层的蓄水量约为1.03×106m3。

图2 物探勘察线路图

3 水均衡分析

3.1 水均衡模型

水均衡模型基于以下假设：（1）除了径流期间的渗漏补给和矿山人工抽水之外，含水层系统是封闭的，进出含水层系统的水量为0或者可以忽略；（2）地震勘探结果显示的地下水水位值已获得钻孔实测水位验证，作为含水层的最大水位高程值。目标含水层饱和冲积物的平均厚度为15.1 m，平均宽度为499 m，长度为7.3 km，含水层的蓄水能力相当于地下水的储存量，为5.3 Mm3。河流有水时，沿扎拉河床入渗补给下伏冲积含水层。河流横断面呈现V型剖面，梯度为1∶100，选用15 mm/h的河流入渗系数用于含水层的河流入渗补给，入渗补给发生在整个湿润周接触面上。

从确定的整个河段（7.3 km）抽取含水层的水来提高含水层的利用率，该模型允许每天从含水层中抽取水，有水流经时可进行补给。每天都要计算含水层的储水量，并且将该体积转换成含水层中的水位。模型输出显示径流量数据，计算得到含水层的地下水位以及含水层剩余储水量。

3.2 扎拉河日流量估算

因扎拉河瑞科比（Rikeb）水文站的径流数据记录太短，而相邻的安瑟巴河（Anseba River）流域Haleb-Mentel水文站距离研究区只有110 km，气候和自然地理条件都非常相近，同时具有足够长的径流资料，因此，参照Watkins等[13]提出的径流比拟方法，可以利用该水文站13年（1997年～2009年）日径流系列数据来比拟瑞科比（Rikeb）水文站日径流量数据，结果如图3所示。基于风险分析方程得到，扎拉河金矿项目的设计运行年限为8年，项目的风险超标值设为15%。也就是说，某河流断面设计洪水的年超越概率（AEP）为2%，则其重现期（ARI）为50年。

图3 瑞科比（Rikeb）水文站的日均径流量

依据安瑟巴河(Anseba River)流域Haleb-Mentel水文站的13年(1997年～2009年)日径流系列数据计算得到累计年径流系列数据。由于2004年、2005年和2007年雨季资料缺失，上述年份不参与平水年统计计算。

模型中选择2000年为平水年进行典型年分析计算，平水年的日均径流量系列见图4（a）；模型中选择2001年为丰水年进行典型年分析计算，丰水年的日均径流量系列见图4（b）；设计重现期50年一遇的枯水年（横型选择2008年为枯水年进行典型年径流量分析计算）的年径流量频率曲线见图4（c）；50年一遇的枯水年日均径流量值见图4（d）。

图4 流量变化及频率分析

3.3 模型场景设置

模型分为以下4种场景：

（1）平水径流状态：采用平水年2000年的扎拉河径流资料，分析矿山开发周期内，连续8年平水年河道径流条件下，人工开采对含水层地下水埋深的影响。

（2）枯水/平水循环径流状态：枯水年和平水年循环出现的情况，分析矿山开发周期内，在低于平水径流状态的情况下，人工开采对含水层地下水埋深的影响。

（3）2枯水/1丰水循环径流状态：在矿山开发周期内，2个连续枯水年接着1个丰水年循环出现的情况，了解极端干旱后丰水年的含水层恢复状况。

（4）最大开采状态：为了评估含水层对最大开采速率的响应，不断增加模型中的连续开采速率，直到达到最小水位，即含水层容量的2/3。这表明除去开采井的需求外，还可为其他用户提供可利用的水资源。开采速率和总抽水量可能会发生改变，这取决于最低水位的选择。

3.4 模拟结果分析

（1）只供给矿山开采

只有矿山运营时的模拟结果如图5、图6和表2所示。由模拟结果可看出在河道径流期间含水层补给迅速，经过1年至少典型平水年大小的径流后，含水层完全可回复至最大水位。一般来说，模型运行4～8年期间将会出现最大开采量，这会导致水位下降2.21 m，可用含水层储量减少14%。若枯水年后接着是平水年，模拟的水位降深为2.65 m，有效含水层储量减少17%。

图5 河道径流模拟值图

图6 只存在矿山抽水时含水层响应曲线

表2 只存在矿山抽水时含水层对开采量的响应

（2）存在其他用户用水需求

表3显示了在考虑其他开采者未来需求量情况下使用开采井的结果。一系列的模拟结果表明，与仅有开采井时相比，再外加3 L/s开采量时，则可利用的含水层储水量将减少约1.4%，预计的降深平均增加0.21 m。经过1年的典型丰水年或平水年大小的径流后，含水层储量可完全恢复，与前面情况一致，该场景的模拟结果如图7所示。

图7 存在其他供水需求条件

表3 考虑其他使用者需求量时含水层对矿井开采的响应

（3）极限开采量

运行该模型，评估在平水、枯水/平水循环，以及2枯水/1丰水循环的径流状态下，在一定程度上开采量的可增加量，以确定可能分配给未来其他潜在用户的备用开采量。选定导致地下水位最大降深达到含水层容量的2/3，即水位减少1/3时的开采量作为最低值。评价结果见表4。

表4 可增加的开采量

模拟结果表明，在该项目运行期间可供其他使用者利用的水量可能限制在10 L/s左右。

4 结论

（1）含水层具有高渗透性，在有无限地下水资源的情况下，水的需求量短期内可通过ZAWP010和ZAWP011B两个钻井满足。

（2）研究区具有相对较厚的冲积含水层，按预计用水量计算，该含水层能够满足科卡金矿项目运行8年的用水需求。用作水源地的河段远离现有的人类居住区，不会引起其他环境生态问题。

（3）模拟平水年的河道径流可以提供足够的入渗补给，供含水层恢复至最大储量。模拟平水年连续出现、桔水年和平水年循环出现，以及连续出现2个50年一遇的枯水年和1个丰水年的情景，则含水层出现的平均降深为2.21～2.65 m，平均地下水位约为15.1 m。

（4）含水层的总存储量计算值为5.3 Mm3，在1～3年，矿区每年的开采量为0.97 Mm3，在4～8年时增加到每年1.07 Mm3。即使某一年河道没有径流，含水层大约20%的储存量也足以保证科卡金矿项目的进行。

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河北省石邢线正式通车

河北省石邢线（石家庄—邢台）近日正式通车，除107国道、京港澳高速外，直接连接石家庄和邢台的公路又多了一条。

该工程是邢台市与省会石家庄相连接的又一条重要通道。始于石家庄与邢台交界处临城县西渎村西，与石家庄红旗大街南延段相衔接，终于邢昔公路，与邢汾高速公路邢台市西环连线对接。

该工程通车后，将成为邢台西部交通干线的主骨架，使邢昔公路、隆昔公路、南郝公路等连接成网，使该区域公路由带状形成完善的网络，有利于邢台主城区车辆便捷驶出市区，有效缓解邢台市区和107国道的交通压力。

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1009-7716（2017）09-0176-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.054

2017-06-12

国家自然科学基金资助项目（40902066）

林国庆(1977-)，男，山东威海人，副教授，硕士生导师，从事地下水资源评价与污染修复研究工作。