回歸分析法評(píng)價(jià)巖溶地下水資源——以貴州織金四方井巖溶大泉流域?yàn)槔?br/>

宋小慶，陳 進(jìn)，唐娛杰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074;2.貴州地質(zhì)工程勘察院，貴陽 550008)

1 流域概況

四方井巖溶大泉流域位于貴州省畢節(jié)市織金縣，流域總面積60.88 km2，其中碳酸鹽巖分布面積57.17 km2、碎屑巖分布面積3.71 km2，以峰叢槽谷為主，高程1 300～2 053 m。出露地層均為二疊系中、上統(tǒng)。構(gòu)造上隸屬揚(yáng)子陸塊鄂渝黔褶皺沖斷帶，北北東向珠藏向斜北翹起端，巖層傾角較緩［1］。含水巖組為二疊系中統(tǒng)棲霞－茅口組(P2q－m)，為中厚層至塊狀灰?guī)r夾燧石團(tuán)塊，占研究區(qū)總面積的93.9%，地下水類型為裂隙－溶洞水。研究區(qū)35%以上面積覆蓋較厚第四系，植被較好，為裸露－覆蓋型巖溶水系統(tǒng)，其地下水動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定，調(diào)蓄能力強(qiáng)［2］。受地形地貌及向斜構(gòu)造控制，地下水自南西向北東徑流，并最終由向斜兩翼向織金河槽谷中匯集，以巖溶大泉的形式排泄。

2 回歸分析法評(píng)價(jià)天然補(bǔ)給量

四方井巖溶大泉流域排泄區(qū)流量主要由四方井、龍王泉及雙堰塘3個(gè)巖溶大泉控制。排泄區(qū)除巖溶大泉外，還出露有冒沙井、瓦窯龍?zhí)兜葞r溶潭。通過相關(guān)分析，泉點(diǎn)流量與巖溶潭水位變化相關(guān)性均較好，見表1，水位變化同流量變化基本保持一致。所以，利用四方井、龍王泉流量同冒沙井、瓦窯龍?zhí)兜乃粍?dòng)態(tài)變化，研究四方井巖溶水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特征，確定平均參數(shù)。

表1 泉點(diǎn)、巖溶潭相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients of Karst springs and Karst pool

2.1 水位衰減規(guī)律

2009年10月至2010年4月，我國西南地區(qū)嚴(yán)重干旱。研究區(qū)降雨量也受到影響，自2009年10月份以來降雨量減少，與同期降雨量相比下降50%，這使得區(qū)內(nèi)地下水水位持續(xù)下降，排泄區(qū)泉流量出現(xiàn)持續(xù)衰減現(xiàn)象。冒沙井、瓦窯龍?zhí)稁r溶潭的衰減類型均可由一元回歸分析確定，衰減規(guī)律見圖1。

圖1 水位衰減圖Fig.1 Attenuation of water level

2.2 平均參數(shù)α及μ值的確定

由于巖溶含水體的復(fù)雜性和不均勻性，所以求取不同條件下的參數(shù)尚有困難。流域內(nèi)地下水補(bǔ)給來源于大氣降水，其消耗主要是四方井、龍王泉、雙堰塘等巖溶大泉排泄的流量，所以，系統(tǒng)的主要平均參數(shù)可以運(yùn)用其泉點(diǎn)衰減動(dòng)態(tài)分析和其他資料加以確定。

衰減期排泄區(qū)泉點(diǎn)流量的變化過程，可看作系統(tǒng)平均水位下降的過程。因此，在一個(gè)無降水作用的衰減期內(nèi)(忽略區(qū)外少量流入的補(bǔ)給及少量排出)，其動(dòng)態(tài)平衡式為［3］

式中:Q排為衰減期內(nèi)流域排泄區(qū)泉流量總體積(m3);ΔH為衰減期內(nèi)流域水位平均下降值(m);μ為流域平均給水度;F為流域積水面積(m2)。

由(1)式推出

衰減期過后，隨著大氣降水的入滲補(bǔ)給，水位動(dòng)態(tài)出現(xiàn)一個(gè)回升過程。流域內(nèi)地下水位及泉流量均開始變化。在水位回升期內(nèi)，降水入滲補(bǔ)給為α·P，流量損失為ΔH·μ，不考慮其他因素(蒸發(fā)量、側(cè)向補(bǔ)給量等)，當(dāng)補(bǔ)給大于損失量時(shí)，則引起水位回升ΔH2。根據(jù)水均衡有［3］

則

式中:ΔHM為絕對(duì)水位回升值;ΔH1為因地下水衰減引起的水位差;ΔH2為直接測(cè)得的水位差;P為水位回升期內(nèi)的降水量(m)。

2.3 天然補(bǔ)給量計(jì)算

2.3.1 ΔH2值的確定

通過研究區(qū)水位長期觀測(cè)點(diǎn)的變化確定ΔH2的值。根據(jù)收集的氣象資料，選取2010年4月1日至2010年7月1日為地下水位的回升期。4月5日四方井巖溶大泉由于人為因素?cái)嗔?，?dǎo)致區(qū)內(nèi)地下水水位上升。因此，回升期內(nèi)地下水水位回升應(yīng)排除四方井?dāng)嗔骱笠鸬乃惶＝?jīng)實(shí)測(cè)，回升期內(nèi)冒沙井巖溶潭水位變化2.1 m(見圖2(a))，瓦窯龍?zhí)端蛔兓?.52 m(見圖2(b))。

2.3.2 絕對(duì)水位回升值ΔHM的確定

經(jīng)過冒沙井、瓦窯龍?zhí)兜乃粍?dòng)態(tài)衰減規(guī)律分析，按其回歸分析分別得出冒沙井、瓦窯龍?zhí)兜摩1值。選定2010年4月1日—7月1日為計(jì)算水位的回升期，最終得出ΔHM值的計(jì)算成果(表2)。

表2 四方井巖溶大泉流域μ值計(jì)算成果Table 2 Calculation result of μ value in Sifangjing Karst spring watershed

圖2 回升期水位差值變化Fig.2 Waterhead variation during water level recovery

計(jì)算式:

由上兩式得

2.3.3 平均參數(shù) μ，α 的求取

根據(jù)前述分析，在衰減期內(nèi)求取μ值，在回升期內(nèi)計(jì)算α值。按公式(2)和(4)計(jì)算成果見表2、表3。

2.3.4 降水入滲補(bǔ)給量

地區(qū)性的平均降水入滲系數(shù)α是區(qū)內(nèi)各時(shí)段降水入滲補(bǔ)給量Q補(bǔ)與同時(shí)段區(qū)內(nèi)降水量的比值。即［4］

式中:Q補(bǔ)為地下水天然補(bǔ)給量(萬m3/a);α為大氣降水入滲系數(shù);F為計(jì)算塊段面積(km2);P為不同保證率降雨量(mm);10－1為換算系數(shù)。

地下水補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 四方井巖溶大泉流域α值計(jì)算成果Table 3 Calculation result of α value in Sifangjing Karst spring watershed

表4 四方井巖溶大泉流地下水天然補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation result of groundwater natural recharge in Sifangjing Karst spring watershed

2.4 天然補(bǔ)給量可靠性評(píng)價(jià)

2.4.1 徑流模數(shù)法計(jì)算地下水天然排泄量

本次所取泉點(diǎn)長觀數(shù)據(jù)正值2009—2010年特大干旱年，計(jì)算出的資源量可認(rèn)為是在95%降水保證率下的資源量，計(jì)算公式為［5］:

式中:Q補(bǔ)為地下水天然排泄量(萬m3/a);M為地下水徑流模數(shù)(L/(s·km2));t為一個(gè)水文年;F為流域面積(km2)。

徑流模數(shù)由特旱年泉點(diǎn)長觀資料確定，地下水排泄量計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 四方井巖溶大泉流域地下水天然排泄量計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculation results of groundwater natural discharge in Sifangjing Karst spring watershed

2.4.2 天然補(bǔ)給量可靠性評(píng)價(jià)

計(jì)算四方井巖溶大泉流域天然補(bǔ)給量和天然排泄量分別為1 522.6萬 m3/a和1 533.8萬 m3/a，兩者結(jié)果非常接近，說明回歸分析計(jì)算方法和結(jié)果可靠性強(qiáng)。

3 可開采資源量評(píng)價(jià)

3.1 地下水可開采資源量評(píng)價(jià)原則

地下水開采資源量指在一定的開采條件和開采方案下，經(jīng)濟(jì)允許、技術(shù)可行，開采期間不誘發(fā)不良地質(zhì)現(xiàn)象，水質(zhì)不發(fā)生惡化，能從含水層中采出的地下水水量。本次計(jì)算地下水開采資源量時(shí)，以地下水賦存及開發(fā)利用條件為基礎(chǔ)，在初步確定適宜的地下水開采方式后，以上述原則為前提進(jìn)行計(jì)算。

3.2 可開采資源量評(píng)價(jià)

利用枯季徑流模數(shù)法對(duì)四方井巖溶大泉流域進(jìn)行可采資源量評(píng)價(jià)，計(jì)算式為［5］

式中:86.4×10－4為換算系數(shù);Q允為流域巖溶地下水允許開采量可采資源量(萬m3/a);M枯為流域地下水枯季徑流模數(shù)(L/(s·km2));F為流域面積(km2)。

本次以2009年12月至次年3月的長期觀測(cè)點(diǎn)流量數(shù)據(jù)作為枯季徑流模數(shù)計(jì)算依據(jù)，計(jì)算出四方井巖溶大泉流域枯季徑流模數(shù)為3.2 L/(s·km2)，以此計(jì)算出四方井巖溶大泉流域地下水允許開采量為585.71萬 m3/a。

4 結(jié)論

分析四方井巖溶大泉流域2009—2010年特大干旱年泉點(diǎn)的水量、水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，利用回歸分析法，計(jì)算出天然補(bǔ)給量為1 522.6萬m3/a。評(píng)價(jià)所取數(shù)據(jù)時(shí)間正值特大干旱年份，計(jì)算出的資源量可認(rèn)為是在95%降水保證率下的資源量;運(yùn)用徑流模數(shù)法計(jì)算出四方井巖溶大泉流域的天然排泄量為1 533.8萬m3/a，兩者結(jié)果非常接近，說明回歸分析計(jì)算方法和結(jié)果可靠性強(qiáng)?？菁緩搅髂?shù)法評(píng)價(jià)四方井巖溶大泉流域可開采資源量為585.71萬m3/a。

［1］韓至鈞，金占省.貴州省水文地質(zhì)志［M］.北京:地震出版社，1996.(HAN Zhi-jun，JIN Zhan-sheng.Guizhou Hydrogeology［M］.Beijing:Seismological Press，1996.(in Chinese))

［2］中國科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組.中國巖溶研究［M］.北京:科學(xué)出版社，1979.(Karst Research Group in Institute of Geology of Chinese Academy of Sciences.Karst in China［M］.Beijing:Science Press，1979.(in Chinese))

［3］廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局.廣西地蘇地下河系［M］.北京:地質(zhì)出版社，1989.(Bureau of Geology and Minerals in Guangxi Zhuang Autonomous Region.Underground River System in Disu，Guangxi［M］.Beijing:Geological Publishing House，1989.(in Chinese))

［4］殷昌平，孫庭芳.地下水水源地勘查與評(píng)價(jià)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1993.(YIN Chang-ping，SUN Tingfang.Exploration and Evaluation of Groundwater Source［M］.Beijing:Geological Publishing House，1993.(in Chinese))

［5］何師意，周錦忠，曾飛躍.巖溶地下河流域地下水資源評(píng)價(jià)—以湖南湘西大龍洞為例［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，(5):33 － 36.(HE Shi-yi，ZHOU Jin-zhong，ZENG Fei-yue.Groundwater Resource Evaluation of Karst Underground River Basin:An Example of Dalong Cave in West Hunan［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2007，(5):33 －36.(in Chinese))