截潛工程在計算山前側(cè)向補(bǔ)給量中的應(yīng)用

韓明超，李鴻娟

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

截潛工程在計算山前側(cè)向補(bǔ)給量中的應(yīng)用

韓明超，李鴻娟

(長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

在計算山前側(cè)向補(bǔ)給量的方法中，最常用的就是達(dá)西斷面法，但達(dá)西斷面法需要獲取較多的參數(shù)，對于山前無鉆孔或只有少量鉆孔且水文地質(zhì)研究程度較低的區(qū)域，很難采用達(dá)西斷面法來計算得到山前側(cè)向補(bǔ)給量。對于無法運(yùn)用達(dá)西斷面法但存在完整式截潛工程的山丘區(qū)，可以結(jié)合完整式截潛工程的截潛量利用水量均衡法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量。

山前側(cè)向補(bǔ)給量;截潛工程;降水入滲系數(shù);水量均衡

山前側(cè)向補(bǔ)給量是指發(fā)生在山丘區(qū)與平原區(qū)交界面上，山丘區(qū)地下水以地下潛流形式補(bǔ)給平原區(qū)淺層地下水的水量［1］。對于平原區(qū)來說，山前側(cè)向補(bǔ)給量是平原區(qū)地下水的側(cè)向補(bǔ)給量，相對而言，它也是山丘區(qū)地下水的側(cè)向排泄量，山前側(cè)向補(bǔ)給量是平原區(qū)地下水補(bǔ)給的重要來源，也是地下水資源評價中重要內(nèi)容之一。金滿娥［1］等以三江平原西北部區(qū)域為例利用水均衡法計算出了山前側(cè)向補(bǔ)給量，束龍倉［2］等分析了水文地質(zhì)參數(shù)不確定性對地下水補(bǔ)給量計算結(jié)果的影響。

1 研究背景

山前側(cè)向補(bǔ)給量的計算方法有好幾種，其中，達(dá)西斷面法是計算山前側(cè)向補(bǔ)給量中最常用的方法，我們采用達(dá)西斷面法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量的公式如下:

式中:Q山前為山前側(cè)向徑流補(bǔ)給量;K為斷面處含水層滲透系數(shù);J為垂直于斷面的水力梯度;A為側(cè)向徑流過水?dāng)嗝婷娣e;H為斷面處含水層厚度;L為斷面的長度;T為徑流補(bǔ)給時間。

采用達(dá)西斷面法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量時要求計算斷面盡可能靠近山丘與平原區(qū)交界線。但大多數(shù)地區(qū)計算斷面附近只有少數(shù)鉆孔或無鉆孔，地下水位觀測井點(即控制點)不足，無法控制整個斷面，而且近山前地帶的水文地質(zhì)研究程度相對較低，水文地質(zhì)條件模糊不清，地下水位動態(tài)資料不足，達(dá)西公式中水力坡度J、含水層厚度H等計算參數(shù)難以獲取。利用不完整的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行參數(shù)計算，必然會產(chǎn)生較大的誤差，從而使得整個山前側(cè)向補(bǔ)給量計算失真，因此，在資料缺乏地區(qū)應(yīng)用達(dá)西斷面法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量是難以實現(xiàn)的。

但在擁有完整式截潛工程的山丘區(qū)，如果無法控制山前側(cè)向徑流斷面，我們可以利用完整式截潛工程的截潛量，把山前側(cè)向補(bǔ)給量的來源作為出發(fā)點，以山丘區(qū)作為研究區(qū)域，利用水量均衡法計算出山前側(cè)向補(bǔ)給量。水量平衡法是地下水資源評價中常用的一種方法，可以清楚的反映水量的補(bǔ)給、排泄和蓄水之間的數(shù)量平衡關(guān)系。

2 完整式截潛工程的應(yīng)用方法

在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，針對難以獲取達(dá)西公式中參數(shù)，但存在完整式截潛工程的山丘區(qū)，通過山丘區(qū)水量均衡法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量:

我們知道，山丘區(qū)的大氣降水是山前側(cè)向補(bǔ)給量的主要來源。在大氣降水后，一部分滲入地下形成地下水徑流，側(cè)向補(bǔ)給山前地下水系統(tǒng)，而在有截潛工程時，地下水徑流還將有一部分被截潛工程攔截并加以利用;大氣降水的另一部分滲入量則轉(zhuǎn)化為泉水從山丘區(qū)溝谷排出。在截潛工程比較完整的山丘區(qū)，地下水徑流會被截潛工程引入集水井等取水工程為人所用。因此，存在完整式截潛工程的山丘區(qū)山前側(cè)向補(bǔ)給量的計算問題可以利用水量均衡法，通過計算山丘區(qū)水文系統(tǒng)的補(bǔ)給與排泄最終求得山前側(cè)向補(bǔ)給量，水量均衡法的計算公式:

式中:Q補(bǔ)給為水量均衡區(qū)地下水補(bǔ)給量(1×104m3/a);Q排泄為水量均衡區(qū)地下水排泄量(1×104m3/a)。

在山丘區(qū)，補(bǔ)給來源主要是大氣降水入滲補(bǔ)給，排泄方式則以截潛工程截流和泉水排泄為主，因此，通過山前側(cè)向徑流斷面的山前側(cè)向補(bǔ)給量可以采用水量均衡法計算獲得，即山前側(cè)向補(bǔ)給量為山丘區(qū)的大氣降水入滲補(bǔ)給量減去在側(cè)向徑流斷面以外的山丘區(qū)截潛工程截流量及泉水排泄量，山前側(cè)向補(bǔ)給量計算公式如下:

式中:Q側(cè)補(bǔ)為山前側(cè)向徑流補(bǔ)給量(1×104m3/a);Q降補(bǔ)為山丘區(qū)降水入滲補(bǔ)給量(1×104m3/a);Q截為山丘區(qū)截潛工程截流量(1×104m3/a);Q泉為山丘區(qū)泉水排泄量(1×104m3/a);S為山丘區(qū)計算面積(km2);a為山丘區(qū)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(無量綱);P為山丘區(qū)降水量(mm)。

均衡域內(nèi)的側(cè)向補(bǔ)給量大小取決于山丘區(qū)降水入滲補(bǔ)給量的大小，而后者又取決于降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，山丘區(qū)降水量及計算面積［3］。其中，山丘區(qū)的計算面積比較容易獲取，只需要計算出降水入滲系數(shù)a降即可。

影響大氣降水補(bǔ)給地下水的因素比較復(fù)雜，主要有年降水總量、降水特征、包氣帶的巖性和厚度、地形、植被等［4］。因此，山丘區(qū)基巖巖性、降水特征等都會對大氣降水入滲補(bǔ)給地下水的總量產(chǎn)生影響，降水入滲系數(shù)計算公式:

式中:a降為大氣降水入滲系數(shù)(無量綱);Q降補(bǔ)為大氣降水入滲補(bǔ)給量(1×104m3/a);Q降為大氣降水總量(1×104m3/a)。

由上式可知，大氣降水入滲系數(shù)的大小由降水入滲補(bǔ)給量與降水總量的比值大小決定，而降水入滲補(bǔ)給量又受到眾多因素的影響，因此，降水入滲系數(shù)需要根據(jù)山丘區(qū)基巖巖性、降水特征等不同進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)計算。

由于山丘區(qū)水文地質(zhì)研究程度一般較低，且降水入滲系數(shù)受基巖巖性等因素的影響比較大，所以不能直接依照大氣降水入滲系數(shù)計算公式求得降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。在缺少長期觀測資料的情況下，選用截潛工程比較徹底的典型流域，用下式計算不同巖性的地層降水入滲系數(shù)［3］:

式中:a降為山丘區(qū)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(無量綱);Q截為完整式截潛工程的截流量(1×104m3/a);Q泉為山丘區(qū)泉水排泄量(1×104m3/a);t為計算時間為一水文年;P為典型流域的平均降水量(mm);S為典型流域的匯水面積(km2)。

山丘區(qū)的降水量可以根據(jù)不同水文地質(zhì)分區(qū)的平均降水量P平均是根據(jù)降水量等值線圖，利用面積加權(quán)求得，公式如下:

式中:P平均為平均降水量(mm);Pi為第 i分區(qū)的降水量(mm);Si為第 i分區(qū)的面積(km2)。

在得到降水入滲補(bǔ)給系數(shù)a降和山丘區(qū)平均降水量P平均后，便可求得山丘區(qū)降水入滲補(bǔ)給量，再利用水量均衡法:Q補(bǔ)給=Q排泄，即通過徑流斷面向山前地下水系統(tǒng)的側(cè)向補(bǔ)給量應(yīng)等于山區(qū)的降水入滲補(bǔ)給量減去在計算斷面以外被消耗的地下水量(主要為山丘區(qū)截潛工程截流量及泉水排泄量)，即:

最后，由上式計算得到山前側(cè)向徑流斷面上的山前側(cè)向補(bǔ)給量。

3 結(jié)語

本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，通過水量均衡法在存在完整式截潛工程的山丘區(qū)的應(yīng)用，解決了截潛工程比較完整但水文地質(zhì)條件未知，研究程度較低的山丘區(qū)無法應(yīng)用達(dá)西斷面法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量的問題。此方法適用于水文地質(zhì)資料短缺，水文地質(zhì)研究程度較低區(qū)域的山前側(cè)向補(bǔ)給量計算，為研究山前側(cè)向補(bǔ)給量提供研究思路。同時，該方法也存在缺陷，比如，降水入滲系數(shù)的獲取存在一定難度，因為在基巖山區(qū)，由于巖性的不同，降水入滲系數(shù)也不同，所以，考慮到計算結(jié)果的精確性，就需要根據(jù)基巖巖性不同而進(jìn)行水文地質(zhì)分區(qū)并計算;再者，這種方法只適合應(yīng)用于存在完整式截潛工程的山丘區(qū)，具有一定的地域局限性。

［1］金滿娥，李龍輝，趙孟芹.利用水均衡法計算山前側(cè)向補(bǔ)給量［J］.黑龍江水利科技.2005，33(3):033 －034.

［2］束龍倉，陶玉飛，劉佩貴.考慮水文地質(zhì)參數(shù)不確定性的地下水補(bǔ)給量可靠度計算［J］.水利學(xué)報.2008，39(3):346 －350.

［3］苑蓮菊，武勝忠.干旱區(qū)地下水系統(tǒng)［M］.地質(zhì)出版社.北京:1996.

［4］王大純，張人權(quán)等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)［M］.地質(zhì)出版社.北京:1995.

Application of the Undertow－interception Works in the Calculation of the Lateral Recharge in the Piedmont Region

HAN Ming－chao，LI Hong－juan
(Environment Science and Engineering Colleage，Chang’an University，Xi’an 710054，Shaanxi)

In the calculation methods of the lateral recharge in the piedmont region，the method of Darcy Section is the most commonly used，but the method of Darcy Section need more parameters. The region where without drilling or with a small amount of piedmont drilling and have a low level of hydrological and geological research，is unable to adopt the method of Darcy Section to calculate the lateral recharge in the piedmont region.In this condition，if there are some complete undertow－interception works in the area，we can use the yield of water of undertow－interception works to calculate the lateral recharge in the piedmont region.

The lateral recharge in the piedmont region;undertow－interception works;coefficient of precipitation infiltration and water balance

TV131.4

A

1004－1184(2012)05－0012－02

2012－04－27

韓明超(1986－)，男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，研究方向:地下水科學(xué)與工程。