绥中县沿海地区地下盐水开采模式研究

孟晓路

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁 沈阳 110003；吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021)

绥中县位于环渤海经济带，海岸线长达105km，多处滩涂蕴藏着丰富的地下盐水资源，发展工业化盐水养殖有着得天独厚的区位优势，且海水养殖尚有较大的发展潜力。但由于海水养殖等一系列的地下水开采活动导致了地下水位下降、海水入侵等环境问题[1]。如何能够合理利用咸淡水资源，又不加剧海水入侵的程度，或者能够缓解海水入侵恶化的趋势成为现阶段研究的热点问题，其中地下咸淡水的开采方式是关键的环节。

目前，地下水的开采方式包括多种类型，有常规管井集中或分散开采，利用廊道、辐射井、渗流井等水平井取水工程开采[2]。与管井相比，非管井集水建筑物在地下水开发利用及水环境修复中的应用日益增多并以其高产、高效、低耗、好管理、供水总体成本相对较低等众多优势，但非管井取水工程结构复杂，建设成本较高，技术不成熟[3- 8]。开采方式的选择需要综合考虑多方面的因素，在符合当地水文地质条件情况下，最终选取的开采方式不仅在经济上要合理，技术上可行，能够满足现在及未来发展的需求，而且还必须避免因过量开采导致的环境问题及次生灾害[9]。本研究旨在为绥中县拟建三文鱼养殖场区科学选址提供依据，并探讨在场区抽取地下盐水能否引起海水入侵的加剧；采用地下水动力学中影响半径等参数计算方法，对常规井和辐射井2种方式开采地下盐水进行分析和论证，选取养殖场运行后对海水入侵影响较小或减缓海水入侵趋势的开采方式。

1 取水场地概况

三文鱼养殖场拟选地点分别为位于绥中县沿海公路南面的张监港地块(简称西场地)以及位于尚家村沿海公路南面的南山港地块(简称东场地)，如图1所示。东场地和西场地均临近大海，地势平缓，松散含水介质厚度在20m以上，富水性好且有优越的海水补给条件；该区水量充足，水质及水温均适宜三文鱼的生长，基本满足三文鱼养殖条件。根据海洋功能区划的要求，东场地南山港地块可实施填海造地；西场地不允许填海造地，只能在海潮带以外陆域建设三文鱼养殖场。

图1 研究区分布位置图

东、西两处备选场地的含水层岩性均以中细砂、中粗砂、粗砂为主，间有亚粘土、亚砂土薄层，松散岩类孔隙水主要赋存于第四系各类砂层、卵砾石层中，随着向海方向含水层厚度逐渐变厚，最厚达30m，最薄为10m，平均厚度20m。第四系孔隙潜水含水层渗透性较好，水量较丰富，单井涌水量可达1000～3000m3/d。东场地和西场地两处40%的面积为海潮淹没区，受涨落潮影响无相对稳定的地下水位。含水层空间分布影响着水温的变化，呈现随季节性变化的规律，局部区域水温变化幅度较大。两块场地地下盐水天然状态下主要以地表海水垂向入渗为主，地下径流滞缓，以潜水蒸发和人工开采为主要排泄方式，地下盐水与淡水交换较缓慢。

2 地下盐水开采方案对比

项目组成员对东场地制定了3种不同养殖规模，主要参照三文鱼养殖对地下盐水水量、水温及水质的要求，对应3种开采方案；西场地拟定2种不同的养殖规模，对应2种开采方案，见表1。这里所指的地下盐水开采量，为养殖场由于采用国际先进养殖技术，在完成首次养殖用水的储备后，利用循环水技术，而开采地下盐水用于补充每日的消耗水量，补水量为总养殖水体的5%～10%。例如，当养殖规模为0.1万t时，总养殖水体为6000m3，则日最大取水量为600m3。

根据海洋功能区划的要求，东场地可实施填海造地，西场地不允许填海造地，只能在海潮带以外陆域建设三文鱼养殖场。根据实地调研，东场地拥有较优越的水文条件，可在东场地考虑修建水系连通和景观湿地，实现拦蓄洪水、净化水质和回补地下水以改善和提升三文鱼养殖场周边水景观环境等多种功效。因此，拟选用东场地南山港地块作为养殖场场址。下面就东场地布设常规井与辐射井2种开采方式对海水入侵的影响进行对比分析。

表1 不同养殖规模情境下的开采方案

3 地下盐水开采方式对比分析

3.1 常规开采井方式

根据东场地水文地质条件，确定开采井影响半径时可采用稳定流计算方法。根据抽水试验等综合确定的渗透系数和拟定的养殖规模，采用岸边抽水的裘布依公式[10]计算不同开采方案下的影响半径及确定东场地不同开采规模的单井影响半径。根据裘布依公式，计算单井出水量，具体计算结果见表2。

(1)

式中，R—影响半径，m；rw—抽水井半径，m；K—渗透系数，m/d；H—有效含水层厚度，m；Sw—抽水孔水位降深值，m；Q—出水量，m3/d。

表2 东场地多种开采方案下单井影响半径计算结果

注：表中各项水文地质参数由地矿部葫芦岛工程勘察院在绥中县现代渔业园区开展的抽水试验成果及参考《水文地质手册》综合确定，下同。

由表2可知，方案Ⅰ需水量很小，只需1眼开采井即可满足。方案Ⅱ单井最大影响半径为80.99m，开采所需井的数量为4眼，不会对区域地下水补给-排泄平衡关系产生不利的影响。当开采量增加时，开采井的数量也相应增加，单井影响半径也由原来的39.39m增加至80.99m。开采方案Ⅲ，若采用常规开采井，由于受项目区场地范围的限制，开采井布置将过于密集，可能造成各开采井之间相互干扰，导致各井出水量减少且形成较大的开采漏斗，对区域地下水补-径-排关系可能产生不利的影响。此外，在沿海陆域一侧布井确保单井出水量达到1800m3/d也具有一定的困难。

3.2 辐射井方式

辐射井的水平集水管呈辐射状分布，辐射井的渗流运动与常规井完全不同。根据辐射井取水时含水层的释水补给方式，辐射状的集水过程大致可分为2个阶段：第一阶段以上部释水为主，抽水初期，在集水管控制范围内的含水层中的水，在水头差的作用下，从上到下，再由两侧进入集水管；第二阶段以侧向补给为主。降落漏斗形成以后，水量主要来自集水管控制范围外的含水层。水从四周流向中心，再由各个方向汇入集水管。辐射井的渗流运动是典型的多孔介质中的三维运动。其计算方法如下[11]：

(2)

根据场地实际条件，可采用2层辐射管，每层8根，选用“等效大口井法”经验公式[13- 15]进行计算，经计算辐射井的等效井径为9.17m。根据辐射井潜水完整井公式(2)，可确定辐射井在不同开采量条件下的影响半径，见表3。

表3 东场地多种开采方案下辐射井出水量及影响半径计算结果

由表3可见，当辐射井单井出水量为3000m3/d时，单井影响半径为210m；当开采总量为9000m3/d时，布设3眼辐射井可满足开采要求；当开采总量为6000m3/d时，布设2眼辐射井可满足开采要求；而东场地在有限的养殖场陆域内难以满足该布井要求。因此，考虑可以填海造地，在临海一侧向海延伸布设辐射井，使得海水可从垂向和侧向2种途径补给含水层，以有效增加辐射井出水量。根据同类区域辐射井开采的实践经验，参考《水文地质手册》等技术资料，结合东场地海域含水层透水性较好和垂向补给的特点，在海域含水层处辐射井单井出水量能比在沿海滩涂处的出水量大1.5～2倍，可按沿海滩涂处辐射井单井出水量的1.5倍计算。具体计算结果见表4。

表4 考虑垂向补给的辐射井影响半径计算结果

由表4可知，在考虑了垂向补给后，若按陆域含水层辐射井单井出水量为2000m3/d的1.5倍计算，即单井出水量为3000m3/d时，开采总量可达6000m3/d，单井影响半径为150m；当开采总量为9000m3/d、单井出水量为4500m3/d时(陆域含水层辐射井单井出水量为3000m3/d的1.5倍)，单井影响半径为210m。以上2种情况均只需布设2眼辐射井即可满足要求。

3.3 对比分析

(1)地下盐水开采量保证。根据以上计算结果，应用常规井开采，随着开采量逐渐增大，所需井的数量增多，则影响半径增大，开采井布置趋于密集，可能造成各开采井之间相互干扰，导致各井出水量减少而无法保证生产供水；应用辐射井开采，实行填海造地后，在临海一侧向海延伸布设辐射井，使得海水可从垂向和侧向两种途径补给含水层，以有效增加辐射井出水量，且在海域含水层处辐射井单井出水量能比在沿海滩涂处的出水量大1.5～2倍，能够有效保障养殖场由于养殖规模的扩大对地下盐水量的需求。

(2)运行维护。辐射井单位出水量的管理费用与管井相比要低得多，其原因主要是由于辐射井基本没有产生水跃值，减小了水泵扬程，也就减少了耗电量。另外，由于辐射井机电设备集中布置，从而减少了田间电力网的布设，即减少了电力投资的同时，也相应地减少了管理费用，管理维护较为方便。

(3)对海水入侵趋势的影响。应用常规井开采，布井密集时易形成开采漏斗，对区域地下水补-径-排关系可能产生不利的影响，从而引起海水入侵程度的加剧；辐射井能够有效地减少由于抽水而引起的浓度升锥，从而达到减缓海水入侵的效果。

(4)东场地靠近海域一侧填海造地开采为较好方案，宜在海域含水层布设2眼辐射井，依据养殖场养殖规模确定地下盐水开采量，从而确定单井出水量为3000m3/d或4500m3/d。

4 结论

(1)根据海洋功能区划的要求，绥中县三文鱼海水养殖场确定为东场地，即南山港地块。

(2)常规开采井方式条件下，方案Ⅰ只需1眼开采井即可满足；方案Ⅱ需要4眼开采井才能满足，并且单井最大影响半径达到80.99m；方案III在采用常规开采井的条件下，难以达到需水要求。

(3)若采用辐射井开采方案，则方案II需要布设2眼井，方案III需要布设3眼井，且东场地需要考虑填海造地，在临海一侧向海延伸布设辐射井，使得海水可从垂向和侧向两种途径补给含水层，以有效增加辐射井出水量。在考虑了垂向补给后，方案II和方案III均只需布设2眼辐射井，单井影响半径分别为150m和210m。

(4)东场地靠近海域一侧填海造地布设辐射井进行开采为较好的开采方案，且在海域范围内布设2眼辐射井即可满足需水要求。

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