石河子市南山水泥厂供水改造工程的可行性研究
摘要：文章通过对石河子市南山水泥厂所在洼地区含水层水文地质特征的勘探及研究，提出了拟建人饮工程的可行性及取水方案，估算了研究区地下水资源量，进行了提水保证分析，解决了南山水泥厂的生活用水问题。
关键词：南山水泥厂；供水改造工程；勘探方案
中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0124-03
一、概况
新疆石河子市南山水泥厂位于天山北麓中段的石场镇所处的山间洼地内，多年来居民生活用水一直没有保证。在建厂初期，该厂生产及生活用水均引用区内唯一的水系——水沟地表来水，随着生产规模的扩大和人口的增加，用水量猛增，但地表来水量年际变化不大，从而使供需矛盾日益突出。从1963年开始，该厂即着手进行水沟引水管道的铺设，截至1995年，经过几次扩建延续，引水管道已延伸至水沟上游东大塘一带，铺设长度近10km。同时在厂区所处的洼地内尝试进行地下水的开发利用，用于生活及补充生产用水，但区内地下水水质普遍较差，水量也较小，居民生活用水仍处于极度困难状态。为保证居民生活用水，最经济、有效的措施则是寻求合适地段，进行适合生活饮用的地下水的开采。
由于研究区处于山间洼地内，四周均为中低山丘陵区，地下水埋藏与赋存条件复杂，而在以往的研究过程中，多有凿井失败的先例，同时该区未进行过系统的水文地质勘探资料，对含水层岩性、结构认识不足，在该区是否能提取适合饮用的地下水是该项目建设的主要问题之一。而本次研究之后所提出的布井方案及单井设计，在随后的项目实施中则得到了有效、准确的验证，从根本上解决了该厂存在几十年的生活用水难的问题，在此有必要对本次研究做一总结。
二、主要勘探方案及勘探结果
厂区及生活区主要本次勘探首先收集了研究区已有机井的地层资料，并在现状可运行的机井中进行了抽水试验。同时采用视电阻率测深、面波及折射波等综合物探手段，以剖面控制为主，平面控制为辅的原则（如图1所示），对其水文地质条件进行研究。
勘探结果为：研究区上部为第四系松散覆盖层，下部则为侏罗纪基岩。第四系覆盖层为全新统及上更新统地层，岩性以含土卵砾石、砂砾石及块石为主，但含土量较高。厚度普遍较薄，在0m～70m之间，随地形与下伏基岩起伏而变化较大，但总体呈西部薄东部厚的态势，西侧水沟沟口北侧一带覆盖层也相对较厚。总体富水性与水质均较差，就富水性而言东部好于西部，就水质而言西部好于东部，南北方向则变化不大。现状区内使用的西部的J1机井及东部的J3机井出水量分别为12.8m3/h与51.4m3/h，水质矿化度分别为0.82g/l与1.62g/l，硫酸盐含量均超标，其中J3矿化度、总硬度、硝酸盐及砷也都超出了生活饮用水的限量值。
从电测深结果来看，研究区的的中部及北、西、南部为低阻分布区，ρs值一般小于40Ω·m，为基岩浅埋区，其它地区视电阻率值较高，一般大于60Ω·m，在中学北部、基建队、副业连等区域甚至大于130Ω·m，说明这些地带基岩埋藏较深，第四纪松散覆盖层较厚，具备较好的储水条件。
三、水文地质条件
（一）地下水的赋存规律
通过物探平面及剖面成果的分析来看，在中学北部的运动场、副业连、基建队等区域，地层电阻率最高，最大可达150Ω·m，说明这些地带的地层颗粒最粗，且厚度大，具备较好的储水条件，可望获得较大的出水量，但据现有机井水质分析资料来看，地下水矿化度大于1g/l，水质较差。
在研究区西部水沟沟口至养路段一带，地层电阻率也相对较高，最大在90Ω·m左右，说明地层颗粒也相对较粗，并具有较大的厚度，亦具备一定的储水条件，但从其电阻率较下游低的特征分析来看，该地段砂砾石含土量较高，并具有弱胶结性，故其出水量可能偏小。
（二）含水层特征及富水性
区内沉积地层为：浅表层为厚约1m～2m的粉土，其下为砂砾石、卵石及块石，含土量高。该层厚度变化较大，受地形和底部基岩起伏控制，但总体由西向东渐厚，西部现代河床可见有基岩出露，向东至医院一带厚度可达70m。南北方向变化也较大，从视电阻率平面图可以看出，在学校以西，在工作区中部有一东西向发育的背脊状基岩凸起体，其南北两侧第四系覆盖层相对较大，在学校十字路以西300m处，厚度可达60m，如前所述该处推测有水沟古沟床发育，再向四周则逐渐变薄，基岩直接出露。
据前人资料，本区基岩裂隙水十分贫乏，就研究区生产及生活用水而言，基岩裂隙水不予考虑。区内第四纪松散堆积层中赋存的孔隙潜水，其水位埋深在水沟沟口J1机井实测为19m，向东至八连机井，水位埋深28.99m，再向东由于地势的渐低及东部基岩山体的阻挡，水位埋深渐小，在医院一带，水位埋深为25m左右，至最东端沙湾煤矿机井，水位埋深为18.75m。从富水程度而言，整个工作区由于含水层含土量高，富水性较差，但东部明显好于西部。表1列出了本次进行的两组抽水试验资料。
（三）地下水的补给、径流与排泄
研究区孔隙潜水获取基岩裂隙水的补给是极其微小的，而区内由于地形坡降很大，汇水面积不大，故大气降水入渗补给孔隙潜水的量也不大。本区孔隙潜水主要靠水沟汇流的冰雪消融水和雨水沿河道渗漏后，在研究区西部水沟沟口以潜流形式侧向补给。地下水流向大致自西向东，地下水排泄除区内少量人工开采外，均通过谷地东北角沟谷（水沟）以侧向流出的方式排向下游。
四、宜井区的选择及机井布置
宜井区的确定遵循以下原则：
1．机井应布置在地下水补给条件及开采条件最优的地区，即地下水埋藏较浅、水量较丰富、水质较优、易于开采地段。
2．机井位置应设置在地形较高的地方，以便于利用自压进行管道输水。
3．工程建成运行后，对环境的不利影响较小的原则。
依据以上原则，结合前述水文地质条件论述，确定两处宜井区。一为学校十字路口以北300m，即操场一带，该处第四系覆盖层厚，含水层岩性以含土砂砾石为主，静水位埋深在25m左右，含水层厚度可达40m，水量较丰富，但水质较差，同时所处地势偏低。二为石场河谷谷地西缘水沟沟口北岸菜地一带，该处第四系覆盖层也较厚，含水层岩性以砂砾石为主，含泥量高，静水位埋深约20m，含水层厚度在35m左右，该处水质较好，所处位置地势也较高，但据在邻近J1机井进行的抽水试验，出水量偏小。
鉴于本次工作是以解决水泥厂生活用水为目的，应在水质保证的基础上再考虑水量，故推荐上述第二处宜井区，即在水沟沟口布设机井。井数1眼，井深设计为60m，井径426mm，单井出水量为25m3/h，按该厂350m3/d的需水量进行开采，年开采量为12.78×104m3/a。
五、地下水资源量概算
研究区地下水的补给源主要为水沟的潜流补给，因此可用水沟的潜流量近似替代本区地下水资源量。
河床潜流量是指，当河床有松散沉积物发育时，其河床冲积层内地下水的径流量。采用达西公式计算。
Q潜流 = K·I·A·t
式中：
K：计算断面含水层平均渗透系数(m/d)；
I：地下水力坡度；
A：河谷含水层断面面积（m2）；
t：计算时期（d），t=365d。
由在沟口进行的物探电测深工作分析，在水沟沟口黄土层下伏地层岩性为含土砂卵砾石，其渗透系数（K）可参照在沟口下游约200m处J1机井中进行的抽水试验确定；水力坡度近似取沟谷纵坡坡度；河谷含水层断面面积则从物探电性剖面图上量取确定。由此计算出水沟沟口断面处河谷潜流量计算结果为22×104m3/a。
六、提水量保证分析
水沟地表径流无实测资料，其水源由两部分组成，其一为其本身径流，据石河子市水文水资源局类比资料约250×104m3/a；其二为灌溉期时151团从邻近达子庙水系调水量约536.11×104m3/a，该水量于东大塘一带与水沟水系汇流，汇流后一部分在水泥厂取水口通过长近10km管道或暗渠向水泥厂供水，另一部分则沿沟床下泄，在水沟沟口上游近1.5km处，151团引部分水用于该团部分连队灌溉，余水则继续沿自然沟床排向下游。由于农业灌溉的季节性，同时鉴于冬季渠道过水的安全考虑，达子庙水系在冬季并无水量汇入水沟，由此在冬季时水沟水在通过上游取水口引水后，在沟口已基本无明流。也就是说在冬季沟口的潜流量的大小其实决定于取水口处的潜流量大小，以及取水口至沟口近10km长的沟段两侧基岩裂隙水及泉水的汇流量的大小。
在水沟水泥厂取水口一带，石河子地区勘测设计队曾于1975年7月进行过物探电测工作，根据该资料，可计算出水沟取水口处日潜流量为825m3/d，加上从取水口至沟口沿途基岩裂隙水及泉水汇入，即使是冬季，在沟口其潜流量即或是较上游有所削减，但对于水泥厂要求350m3/d的需水量仍将是满足的，因此提水量可以得到保证。
七、结论
通过对研究区水文地条件的分析，得出如下结论：
1．研究区含水介质以卵砾石、砂砾石为主，但含土量普遍较高。富水性与水质总体较差，就富水性而言，东部优于西部；就水质而言，西部好于东部。地下水主要受水沟潜流补给，在河谷谷地东缘的东北角通过水沟沟谷侧向径流排泄。
2．通过水文地质研究工作，确定河谷谷地西缘水沟沟口北侧菜地附近为人饮工程初选井位。布设机井1眼，井深设计为60m，井径426mm，单井出水量为25m3/h。
3．通过对水沟沟口进行潜流计算及取水保证分析，水沟沟口潜流量22×104m3/a，日潜流量大于600m3/d，可满足350 m3/d生活供水要求。
参考文献
[1]马仲民，王东．石河子市南山水泥厂供水改造工程水文地质勘察报告[R]．新疆兵团勘测规划设计研究院地质勘察分院，2007．
[2]张瑞民．新疆沙湾县宁家河流域规划地表水资源评价．新疆石河子水文水资源勘测局，2005．
作者简介：马仲民（1973－），男，甘肃皋兰人，新疆兵团勘测规划设计研究院地质勘察分院工程师，研究方向：水文地质、工程地质勘察设计。