百泉巖溶水系統(tǒng)回補(bǔ)可行性分析

劉 超，陳 娟

(1.河北邢臺(tái)水文水資源勘測局，河北 邢臺(tái)054000;2.邢臺(tái)襄禹水利勘測設(shè)計(jì)有限公司，河北 邢臺(tái)054000)

1 百泉巖溶水系統(tǒng)概況

百泉巖溶水系統(tǒng)是一個(gè)基本獨(dú)立，多輸入，多輸出，受構(gòu)造、巖溶發(fā)育規(guī)律所控制運(yùn)移的，含水層為非均質(zhì)各向異性的復(fù)合地下水系統(tǒng)。百泉泉域范圍包括邢臺(tái)市、內(nèi)丘縣、邢臺(tái)縣、沙河市及邯鄲武安市的部分地區(qū)，總面積3 843 km2。百泉巖溶水在徑流過程中呈斷塊徑流模式，巖溶水從一個(gè)富水?dāng)鄩K的主要富水層位通過構(gòu)造交匯地段，或巖漿接觸帶，匯水凹槽或廊道，轉(zhuǎn)入下一個(gè)斷塊上部富水層位，按此模式穿越各個(gè)斷塊區(qū);沿途接受側(cè)向補(bǔ)給，直至排泄區(qū)，進(jìn)行淺循環(huán)強(qiáng)徑流，從而保持了從補(bǔ)給到排泄過程中的現(xiàn)代低礦化淡水特征，百泉巖溶水系統(tǒng)各含水層組、段之間的水力聯(lián)系，在簡單斷塊區(qū)內(nèi)具有分層特征，即各層具有自身的補(bǔ)、徑、排條件和水化學(xué)及同位素特等特征，自成水動(dòng)力系統(tǒng)。由于現(xiàn)代巖溶網(wǎng)絡(luò)貫通，地質(zhì)構(gòu)造和巖漿巖接觸帶，甚至鉆孔導(dǎo)通，造成復(fù)雜的構(gòu)造區(qū)，其含水層之間具有越流補(bǔ)給特征。

2 百泉巖溶水地下水庫庫容

百泉巖溶水系統(tǒng)碳酸鹽巖裂隙巖溶含水層分布面積達(dá)1 638.6 km2，其中裸露灰?guī)r區(qū)面積 338.6 km2，隱伏巖 1 300 km2，具有巨厚層的含水層，而且裂隙巖溶較為發(fā)育，在巖溶水承壓區(qū)，含水層巖溶、裂隙率一般為2.43%、2.57%，在巖溶水潛水區(qū)，含水層給水度一般為3%～7%。

巖溶水系統(tǒng)可回灌地下庫容:是指在目前系統(tǒng)開采狀況下，枯水期水位以上，百泉溢出點(diǎn)以下，這一巖溶水水位變動(dòng)帶內(nèi)巖溶水系統(tǒng)可供利用的儲(chǔ)水控件的體積(Vg)，即ΔW=μF·ΔH

式中:ΔW為可回灌地下庫容(億m3);μF為水位升降1 m，巖溶水儲(chǔ)存量的變化量(m3/m)，取《邢臺(tái)市水工環(huán)綜合評價(jià)報(bào)告》結(jié)果，μF=6 982 957;ΔH為巖溶水水位年變幅(m)，因2009年6月百泉水位27.7 m基本代表近年的低水位水平，排泄區(qū)枯水期巖溶水水位埋深已低于百泉泉群自流溢出臨界面36.3 m，因此，ΔH按36.3 m取值。經(jīng)計(jì)算需補(bǔ)充水量即可調(diào)蓄地下庫容為25 337萬 m3。

這一巨大的地下水庫容，受邊界條件的限制，構(gòu)成了一個(gè)基本獨(dú)立的完整庫，是一個(gè)易于補(bǔ)給、能夠貯存、便于開采、調(diào)節(jié)能力極強(qiáng)的天然地下水庫，其中包括庫容達(dá)1.766 7億m3的可回灌地下庫容。

3 補(bǔ)給水源分析

百泉巖溶水系統(tǒng)西部自北而南分布的河流有小馬河、白馬河、七里河、馬會(huì)河、沙河及北洺河、上世紀(jì)七、八十年代，農(nóng)業(yè)興修水利，在這些河流上游灰?guī)r裸露區(qū)以上先后修建了規(guī)模不等的水庫，及馬河水庫、羊臥水庫、東川口水庫、野溝門水庫、朱莊水庫、東石嶺水庫、峽溝水庫及口上水庫，總庫容6.015億 m3，其中朱莊水庫最大，控制流域面積1 220 km2，庫容4.162億 m3，占八座水庫總庫容的69%，棄水量亦最大，多年平均(1989～2008)棄水量6 247萬億 m3，最大棄水量57 164萬 m3，(1996年)。

朱莊水庫做為多年調(diào)節(jié)水庫，其上游路羅川、將軍墓川等為太行山迎風(fēng)坡徑流高值區(qū)，具有較為充沛的地表水資源，而朱莊水庫更兼有距巖溶水集中開采區(qū)的邢臺(tái)市最近及其下游河道(沙河)最長，河谷面寬闊等得天獨(dú)厚的自然地理?xiàng)l件，為百泉巖溶水系統(tǒng)開展人工回灌的地表水資源具備了良好條件。

3.1 朱莊水庫調(diào)節(jié)計(jì)算

3.1.1 水庫來水量分析

經(jīng)調(diào)查，水庫僅用于沿河兩岸的農(nóng)業(yè)灌溉用水以及下游的引水工程用水。2000年以前的系列還原采用《邢臺(tái)市水資源評價(jià)》中的有關(guān)兩個(gè)水庫的還原資料。2001～2007年的兩水庫上、下游農(nóng)業(yè)灌溉用水，采用沙河市、邢臺(tái)縣水務(wù)部門的統(tǒng)計(jì)資料，引朱濟(jì)邢的引水量采用朱莊水庫的統(tǒng)計(jì)資料。

系列還原依據(jù)公式為:

式中:W出為計(jì)算時(shí)段水庫實(shí)測的出庫徑流量;ΔW為計(jì)算時(shí)段水庫蓄水變量;W引為計(jì)算時(shí)段水庫引水量;

對野溝門、朱莊兩水庫年來水量系列進(jìn)行水文統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算成果見表1。

表1 野溝門水庫、朱莊水庫來水量特征值成果表

3.1.2 利用量分析

朱莊水庫主要供農(nóng)業(yè)灌溉用水，兼有發(fā)電功能。從供水安全角度考慮，采用了近26年的實(shí)際農(nóng)業(yè)用水量資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定出保證率25%、50%、75%條件下的農(nóng)業(yè)灌溉典型年分別為2004、2006、1992年的實(shí)際用水量，作為多年調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)的農(nóng)業(yè)需水量。

對朱莊水庫來水量進(jìn)行頻率計(jì)算，選出1953～2007年相應(yīng)保證率為25%、50%、75%的年份，得到不同保證率年份各月農(nóng)業(yè)用水量。朱莊水庫不同保證率年份(日歷年)的各月灌區(qū)需水量詳見表2。

表2 朱莊水庫下游灌區(qū)不同保證率用水量計(jì)算表 萬m3

3.1.3 生態(tài)需水量

水庫下游生態(tài)用水量主要是邢臺(tái)市七里河生態(tài)用水，規(guī)劃水平年的生態(tài)用水約300萬m3。

3.2 棄水量(水庫興利調(diào)節(jié)計(jì)算)

3.2.1 水庫調(diào)節(jié)計(jì)算

依據(jù)水量平衡原理，進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算。其水量平衡方程如下:

式中:ΔV為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)水庫的蓄水變量，蓄為正，泄為負(fù);W入為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)的入庫水量，即水庫來水量;W供為計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)的供水量;W損為庫區(qū)蒸發(fā)、滲漏損失水量;W棄為水庫棄水量。

上式中的W損為水庫蒸發(fā)、滲漏損失水量，首先由于系列還原時(shí)不包含水庫的蒸發(fā)、滲漏損失量，其次根據(jù)水資源評價(jià)規(guī)范，該兩項(xiàng)在洪水中占的比重很小，可忽略不計(jì)，因此水量調(diào)節(jié)計(jì)算的水量平衡方程簡化如下:

3.2.2 棄水分析

朱莊水庫為多年調(diào)節(jié)水庫，水庫是否棄水的主要因素是上游來水，但不是決定因素。因此對野溝門、朱莊水庫來水按長系列操作法逐月調(diào)節(jié)兩水庫水量，根據(jù)不同年份來水進(jìn)行頻率計(jì)算，確定不同來水保證率典型年來水量、棄水量。

4 補(bǔ)給區(qū)的確定

朱莊川自朱莊水庫壩下向東至朱莊村南轉(zhuǎn)而向南，于西堅(jiān)固與渡口川匯合，向東河道漸寬，西堅(jiān)固～中堅(jiān)固段，河寬1 750～2 000 m中堅(jiān)固～東堅(jiān)固段，河寬2 000～2 300 m，東堅(jiān)固至喉咽段河寬2 300～2 500 m，現(xiàn)將河道滲漏條件分段分析如下:

4.1 朱莊壩下—朱莊村南段

該段河道松散沉積物為砂礫卵石層，因河道基底及兩岸為長城系石英砂巖，該段不具備對巖溶水的滲漏補(bǔ)給條件。

4.2 朱莊村南—西堅(jiān)固河段

該段河寬1 500 m，現(xiàn)代河床位于近東岸，河道松散沉積物于東部最厚達(dá)33.6 m，上部為砂礫卵石層，厚22.65 m。下部為粘土夾碎石層，厚11.05 m，近東岸變薄，河道西部均為礫卵石層，最厚26.2 m，下伏基巖于河道中部發(fā)育朱莊逆斷層，西盤巖性為長城系石英砂巖，層理水平，為隔水層，斷層?xùn)|盤為上寒武泥灰?guī)r，加之上覆2～11.05 m的粘土央碎石層，故河床垂向上滲漏條件一般，僅東岸岸邊為礫卵石含水層與下奧陶統(tǒng)白云含水層直接接觸，具有岸邊側(cè)向滲漏補(bǔ)給條件。

4.3 西堅(jiān)固—喉咽村河段

西堅(jiān)固村南沙河河道第四系堆積物以砂礫卵石為主，且底部礫石較多，厚度15～22m，透水性好，與下伏奧陶系白云巖含水層直接接觸，第四系蓋層下伏一條近東西向展布的斷裂，兩盤巖性均為下奧陶統(tǒng)白云巖。

沙河隱伏基底發(fā)育的近東西向斷裂，兩盤下奧陶統(tǒng)白云巖殊為斷裂破碎帶范圍內(nèi)裂隙巖溶相對更為發(fā)育，也為河水滲漏補(bǔ)給巖溶水創(chuàng)造了良好條件。

4.4 喉咽村以下—端莊河段

出露于喉咽村東至邢都公路西中生代燕山期閃長巖，主要成份為斜長石、石英、角閃石，地表巖層為強(qiáng)風(fēng)化。該段為太行山山前傾斜平原區(qū)，第四系上更新統(tǒng)沖積層亞粘土、亞砂土，其狀為灰黃色、褐黃色、濕、可塑。中、細(xì)砂層其狀為灰白色、灰黃色，主要成份為石英砂巖，少量火成巖、變質(zhì)巖。分布于河床漫灘的第四系全新統(tǒng)沖積層的亞粘土、亞砂土，其狀灰黃色、濕，可塑，植物根系發(fā)育。該段河水僅對第四系孔隙水形成補(bǔ)給，不具備對巖溶水的滲漏補(bǔ)給條件。

綜上分析，可以確定朱莊村南南北向河道段及佐村至喉口岡沙河河道段是地表水回灌滲漏補(bǔ)給巖溶地下水的有利地段。

5 回灌補(bǔ)給地下水研究

根據(jù)水文地質(zhì)條件，回灌段選定在朱莊水庫一固坊橋間。棄水自朱莊水庫壩下起，經(jīng)朱莊川至馬峪溝，進(jìn)入南北向河道滲漏段，流經(jīng)金牛洞橋，轉(zhuǎn)而向東，進(jìn)入沙河河道，流經(jīng)西堅(jiān)固、中堅(jiān)固、喉咽、固坊橋河床，伍仲村南、京廣鐵路向東進(jìn)入東部平原區(qū)。根據(jù)對朱莊水庫至下游金牛洞橋段漏水量調(diào)查和監(jiān)測，當(dāng)朱莊水庫棄水小于2.5 m3/s時(shí)，金牛洞橋斷面基本沒有水，因此，回灌補(bǔ)給試驗(yàn)在朱莊水庫棄水流量大于2.5 m3/s的條件下進(jìn)行。

5.1 河段棄水滲漏特征

觀測期間，對區(qū)間內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量、生活用水及其他用水進(jìn)行了調(diào)查，對區(qū)間水面蒸發(fā)量及侵潤損失量進(jìn)行了估算。

回灌試驗(yàn)測試結(jié)果表明，河段入滲強(qiáng)度朱莊—金牛洞段平均1.7 m3/s，金牛洞一固坊橋段2.0 m3/s;單位入滲強(qiáng)度朱莊一金牛洞段平均0.50 m3/s·km，金牛洞—固坊橋段0.16 m3/s·km;河段滲漏量及滲補(bǔ)強(qiáng)度與總棄水量及棄水延續(xù)時(shí)間成正比關(guān)系。但這種關(guān)系不是恒定的，隨著滲漏時(shí)間的無限延長，河段滲漏系數(shù)及滲漏補(bǔ)給量趨于一個(gè)定值。

5.2 朱莊棄水對巖溶水滲漏補(bǔ)給量的計(jì)算

由地質(zhì)、水文地質(zhì)條件可知，朱莊至固坊橋段的河床總滲漏為滲漏補(bǔ)給第四系孔隙水(W孔補(bǔ))與巖溶水(W巖補(bǔ))之和。

5.2.1 第四系孔隙水滲漏補(bǔ)給量

式中:W第四系補(bǔ)為棄水補(bǔ)給第四系孔隙水量，萬 m3;K為第四系孔隙水砂礫卵石層的滲透系數(shù)，用伍仲村抽水資料故K=35.4 m/d;Ⅰ為第四系孔隙水水力坡度，用地表徑流水力梯度?、?0.001 25 m/m;A為河床第四系孔隙水含水層平均過水?dāng)嗝婷娣e，1990年和1991年斷面寬2 000 m，含水層平均厚度20 m，則 A=4.0萬 m2;2007年和2008年斷面寬1 500 m，含水層平均厚度20 m則 A=3.0萬 m2;Δt為地表徑流延續(xù)時(shí)間(d);

經(jīng)計(jì)算1990年棄水補(bǔ)給第四系孔隙水量12.7萬 m3、1991 年 11.9 萬 m3，2007 年 6.4 萬 m3，2008 年 1.9 萬 m3。

5.2.2 棄水對巖溶水滲漏補(bǔ)給

依據(jù)水量平衡原理，棄水對巖溶水的補(bǔ)給量等于總滲漏量減去對第四系補(bǔ)給量。即，W巖補(bǔ)=W總滲-W孔補(bǔ)

式中:β為棄水對巖溶水的滲漏補(bǔ)給系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果詳見棄水對巖溶水滲漏補(bǔ)給計(jì)算表3。

表3 棄水對巖溶水滲漏補(bǔ)給計(jì)算 萬m3

數(shù)據(jù)表明證明巖溶水滲漏補(bǔ)給量與朱莊水庫放水量、放水時(shí)間成正比關(guān)系，即放水量越大，放水時(shí)間越長，對巖溶水的滲補(bǔ)量越大。1990年棄水滲補(bǔ)系數(shù)0.475，1991年棄水滲漏補(bǔ)給系數(shù)0.473，2007年棄水滲補(bǔ)系數(shù) 0.689，2008年棄水滲漏補(bǔ)給系數(shù)0.724。滲補(bǔ)系數(shù)(β)與棄水流量(一定值后)成反比，即隨著棄水流量(大于4.8m3/s)的增加滲補(bǔ)系數(shù)減小。

分析其原因一是固坊橋以下全部補(bǔ)給第四系孔隙水;二是流量加大，上游河段面積增加對第四系孔隙水的補(bǔ)給增加;三是水面蒸發(fā)量等因素引起耗水量增加原因。

通過試驗(yàn)資料分析可知，當(dāng)朱莊水庫放水量8.0 m3/s時(shí)，棄水滲補(bǔ)系數(shù)為 0.473～0.475，平均補(bǔ)給系數(shù) 0.474;當(dāng)朱莊水庫放水量4～6 m3/s時(shí)，棄水入滲補(bǔ)系數(shù)為0.689～0.724，平均補(bǔ)給系數(shù) 0.707，較放水量 8.0 m3/s時(shí)棄水入滲補(bǔ)系數(shù)提高49.2%。在朱莊水庫放水量4～6 m3/s時(shí)，朱莊水庫至喉口岡村的兩個(gè)強(qiáng)滲漏段，即朱莊村南一西堅(jiān)固河段、西堅(jiān)固一喉咽村河段全部過水，且在固坊橋斷面以上全部漏失，滲漏強(qiáng)度接近最大值。

參考水庫運(yùn)用調(diào)度方案，分析認(rèn)為:朱莊水庫放水量4～6 m3/s時(shí)，對巖溶水的補(bǔ)給滲漏強(qiáng)度接近最大值，棄水入滲補(bǔ)系數(shù)接近最大值。如果與人工回灌相配套，建設(shè)合理的回灌工程如滾水壩、梯級攔水壩等，充分發(fā)揮人為控制功能，延長滲漏補(bǔ)給時(shí)間，增大滲水周界，擴(kuò)大滲漏補(bǔ)給面積，則回灌滲補(bǔ)系數(shù)將更大，可能比未修水庫的天然條件下河流滲漏強(qiáng)度更大。

5.2.3 棄水對巖溶水水位影響

2007年—2008年棄水試驗(yàn)過程中，選取董村水源地、紫金泉水源地和百泉觀測孔進(jìn)行水位對比觀測可知，1-2月由于開采量相對處于較小時(shí)期，水位呈回升，3月以后隨著農(nóng)業(yè)用水的增加，水位開始下降，4月6日開始棄水，采補(bǔ)基本達(dá)到平衡，5月一11月地下水水位趨平，12月棄水停止，水位開始下降。2008年5月棄水開始，7月地下水水位停止下降，隨著汛期降雨補(bǔ)給和農(nóng)業(yè)用水減少，水位開始緩慢回升。以上表明，朱莊水庫棄水補(bǔ)給市區(qū)巖溶水關(guān)系明顯。

6 結(jié)語

本文針對百泉巖溶水系統(tǒng)現(xiàn)狀，分析了百泉巖溶水系統(tǒng)回補(bǔ)的合理有效性，為充分發(fā)揮本區(qū)地表水資源充沛，巖溶水系統(tǒng)地下庫容巨大調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，達(dá)到以庫補(bǔ)巖溶水，以豐補(bǔ)欠安全供水提供決策參考，具有很好的實(shí)用價(jià)值，有待于進(jìn)一步深入研究。

［1］王焰新.地下水污染與防治［M］.北京:高等教育出版社.2007.

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