昭平臺灌區(qū)淺層地下水資源分析評價

□朱克斌□張國明□彭　博□張國慶（平頂山市農(nóng)田水利技術(shù)指導站；湛河區(qū)農(nóng)林水利局；平頂山水文水資源勘測局；平頂山市水利局）

昭平臺灌區(qū)淺層地下水資源分析評價

□朱克斌1□張國明2□彭博3□張國慶4
（1平頂山市農(nóng)田水利技術(shù)指導站；2湛河區(qū)農(nóng)林水利局；3平頂山水文水資源勘測局；4平頂山市水利局）

文章以位于河南省中部的大型灌區(qū)之一的昭平臺水庫灌區(qū)淺層地下水為研究對象，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)的地形地貌、水文地質(zhì)條件、地下水埋深、包氣帶的巖性、厚度以及補排關(guān)系等因素，首次把整個灌區(qū)劃分4個均衡區(qū)，利用多年地下水觀測資料數(shù)據(jù)，采用多年水均衡法計算并分析評價了灌區(qū)4個水文地質(zhì)單元區(qū)內(nèi)淺層地下水的資源量，為灌區(qū)合理開發(fā)優(yōu)化配置水資源提供科學依據(jù)。

昭平臺灌區(qū)；淺層地下水；水資源；分析評價

0　引言

隨著中國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，地下水資源開采量日益增加，各地開采程度不均衡，有些地區(qū)嚴重超采，甚至引發(fā)了嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，而有些地區(qū)則尚未合理開發(fā)，有限的地下水資源沒得到有效的開發(fā)利用［1］。昭平臺灌區(qū)是平頂山市最大的自流灌區(qū)，也是河南省的大型自流灌區(qū)之一，設計灌溉面積6.67萬hm2，現(xiàn)有灌溉面積3.77萬hm2。昭平臺灌區(qū)主要引水于昭平臺水庫，昭平臺水庫地處南北氣候過渡帶，是淮河支流沙河上游的一座大（2）類水庫。灌區(qū)存在著水資源短缺、水利用率不高的問題。為解決這一問題，灌區(qū)開展了續(xù)建配套和節(jié)水改造項目建設，取得了明顯成效。但在較大干旱季節(jié)曾一度出現(xiàn)水庫無水可引的情況，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)曾受到嚴重影響。目前，灌區(qū)內(nèi)的地下水資源利用率較低，針對灌區(qū)淺層水資源狀況評價也是一項空白，為合理開發(fā)灌區(qū)內(nèi)的水資源，本研究選擇昭平臺灌區(qū)淺層地下水為研究對象，首次將灌區(qū)劃分4個均衡區(qū)計算并分析了灌區(qū)內(nèi)淺層地下水的資源量，為灌區(qū)水資源的合理開發(fā)利用和優(yōu)化配置提供科學依據(jù)。

1　灌區(qū)自然地理及水文地質(zhì)概況

昭平臺灌區(qū)地處北緯33°32′～33°56′東經(jīng)112° 47′～113°20′之間，位于淮河流域上游，屬沙潁河水系，灌區(qū)在昭平臺水庫下游沙河兩岸，灌區(qū)西起昭平臺水庫，東到許南公路，南靠伏牛山余脈，北依外方山至北汝河。沙河從中間穿過，把灌區(qū)分為南北兩大部分。

昭平臺灌區(qū)屬于沖積平原區(qū)，按水利區(qū)劃為淮河流域沙河沖積平原區(qū)，是從淺山丘陵區(qū)向地勢逐漸開闊的平原區(qū)延伸的過渡地帶，地貌景觀主要是以第四紀沖積平原和近代河流帶狀堤岸式?jīng)_積平原。

1.1灌區(qū)淺層含水層的水文地質(zhì)特征

灌區(qū)淺層地下水是指賦存于第一隔水層之上的含水巖組中的松散巖類孔隙水，按其埋藏條件和水力性質(zhì)，稱其為潛水，部分地段呈微承壓性。本灌區(qū)內(nèi)的主要淺層含水層，是第四紀中晚更新統(tǒng)的河流在老大槽地中發(fā)生、發(fā)展、遷移、擺動，堆積了松散的砂礫石、砂層、亞粘土互層，其上部普遍覆蓋著砂性土、粘性土，構(gòu)成了典型的二元結(jié)構(gòu)，為地下水賦存提供了良好的空間場所。

1.2灌區(qū)地下水的賦存條件

由于該灌區(qū)大部分處在山前沖積平原上，所以在平原區(qū)和山區(qū)的過渡地段，還有一部分崗區(qū)，崗區(qū)表層覆蓋中更新統(tǒng)姜黃、棕紅色亞粘土，在溝谷兩側(cè)后延和崗間洼地中，覆蓋亞粘土厚度較大，一般能形成上層滯水和裂隙空隙潛水。在平原區(qū)內(nèi)地下水賦存條件就較為簡單，在灌區(qū)葉縣境內(nèi)含水層厚度一般在15 m左右，土壤顆粒由西向東粒徑逐漸變小。在灌區(qū)寶豐境內(nèi)含水層厚度較薄，一般在1～3 m左右，土壤顆粒由山前向北汝河粒徑逐漸變小。葉縣和魯山沙河南這部分灌區(qū)含水層的厚度不但較大，而且多以透水性較好的砂礫石為主，上部又是釋水性能較好的亞砂土和粉質(zhì)砂土為主，輔以亞砂、亞粘互層，所以地下水存水空間稍大，導水性能較好。寶豐境內(nèi)灌區(qū)由于含水層厚度和覆蓋層較薄，其存水空間相比南部灌區(qū)其儲水空間較小，其儲水量也較小。

2　灌區(qū)淺層地下水的運動規(guī)律

2.1灌區(qū)淺層地下水的運動特征

灌區(qū)南干渠區(qū)域內(nèi)地形西高東低，地下水水力坡度在1/1000～1/500之間，其地下水總體流向是從西向東緩慢流動，流向與地形坡降，河流流勢基本一致，淺層地下水流動過程中，受地形、地層、巖性和開采條件的變化，方向也隨著變化，由于灌區(qū)南干渠區(qū)域內(nèi)地下水水位常年高于河水位，地下水一般補給河水，淺層地下水流動方向與灰河和澧河水流方向呈一定夾角補給河水。

灌區(qū)北干渠區(qū)域內(nèi)地形西南高東北低，地下水水力坡度在1/500～1/300之間，其地下水總體流向是從西南向東北緩慢流動，直至北汝河和凈腸河的攔截，地下水一般補給河水。

2.2灌區(qū)淺層地下水的補給、徑流、排泄條件

灌區(qū)淺層地下水，以垂向補給和側(cè)向排泄為主。主要補給來源為降雨補給，其次是農(nóng)田灌溉水的入滲補給和上游地下水側(cè)向補給等，其補給量的大小與降水量、降水強度、水文地質(zhì)條件、地下水水力聯(lián)系、灌溉水量、灌溉次數(shù)、地下水埋深、包氣帶巖性、地形地貌等密切相關(guān)。灌區(qū)在葉縣境內(nèi)和魯山沙河北區(qū)域內(nèi)地下水埋深一般在3 m左右，灌區(qū)在寶豐境內(nèi)和魯山沙河南區(qū)域內(nèi)地下水埋深一般在4 m左右，包氣帶的巖性以粉質(zhì)砂土、亞砂土為主，透水性較好，有利于降水、灌溉水的滲入。

2.3灌區(qū)淺層地下水動態(tài)特征

灌區(qū)地下水動態(tài)類型屬降雨入滲-蒸發(fā)型，水位變化主要與氣象因素有關(guān)，旬、月、季、年變化明顯，季節(jié)性規(guī)律強。從灌區(qū)內(nèi)地下水觀測井資料可見，枯水期水位低于豐水期水位，變幅較明顯。灌區(qū)淺層地下水水位變化過程與降雨分配過程相吻合，年內(nèi)呈現(xiàn)降-升-降周期變化，峰值一般比降雨滯后，高水位期多出現(xiàn)在7月下旬至10月；低水位多出現(xiàn)在12月至4月，其滯后時間長短與水位埋深和包氣帶巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.4灌區(qū)淺層地下水埋深現(xiàn)狀

據(jù)1990-2010年該區(qū)域內(nèi)氣象資料統(tǒng)計，2004年的降雨頻率為50%左右，屬水平年。灌區(qū)淺層地下水的埋深具有代表性，以2004年水位觀測資料來描述淺層地下水位埋深現(xiàn)狀，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)觀測井水位動態(tài)觀測資料，淺層地下水位最低值多出現(xiàn)在7月份，最高值多出現(xiàn)在10月份。

根據(jù)1990-2010年《河南省地下水》［2］地下水埋深資料，從灌區(qū)內(nèi)測井地下水位多年埋深表和多年變化圖來看，灌區(qū)內(nèi)近年來水位基本沒有太大變化，灌區(qū)在葉縣境內(nèi)和魯山沙河北區(qū)域內(nèi)地下水多年平均埋深一般在3 m左右，灌區(qū)在寶豐境內(nèi)和魯山沙河南區(qū)域內(nèi)地下水多年平均埋深一般在4 m左右，其變化情況見圖1。

圖1　地下水埋深動態(tài)圖

3　灌區(qū)淺層地下水資源量計算

3.1均衡方程的選擇

從供水和保護環(huán)境出發(fā)，以及長期穩(wěn)定開發(fā)利用，資源的利用應限于可更新和恢復的那部分水。同時考慮含水層的調(diào)節(jié)作用，不同年季，地下水的補給項和補給強度不同，地下水補給量是一變量，使地下水總處于平衡-不平衡-平衡的發(fā)展過程中，這就需要從多年均衡的角度加以研究。通過對灌區(qū)資料的分析研究，灌區(qū)內(nèi)各個均衡區(qū)水文地質(zhì)狀況、補給項和消耗量又比較清楚，故采用多年均衡法進行計算。

根據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊》［3］水均衡表達式為：

式中：Q總補-時段內(nèi)各補給項補給量之和（m3）；Q總消-時段內(nèi)各消耗項消耗量之和（m3）；μ-含水層水位變動帶平均給水度（無量綱）；Δt-時段長度（a）；Δh-時段內(nèi)地下水位變化幅度（上升為正，下降為負）（m）；-含水層（組）分布面積（m2）。

通過對灌區(qū)內(nèi)不同均衡區(qū)的自然條件、水文地質(zhì)條件以及人為因素的分析，灌區(qū)內(nèi)各個均衡區(qū)地下水主要補給項為：側(cè)向補給（Q側(cè)補）、降雨入滲補給（Q雨補）、井灌回歸補給（Q井補）、渠系滲漏補給（Q渠系）、渠灌田間入滲補給（Q渠灌），主要消耗量有：潛水蒸發(fā)消耗（Q蒸發(fā)）、河渠排泄消耗（Q側(cè)排）、側(cè)向排泄消耗（Q側(cè)排）、人工開采消耗（Q開采）。

3.2均衡區(qū)的劃分

根據(jù)灌區(qū)內(nèi)的地形地貌、水文地質(zhì)條件、地下水埋深、包氣帶的巖性、厚度以及補排關(guān)系等，結(jié)合行政區(qū)劃，把整個灌區(qū)劃分為：葉縣、魯山沙河南、魯山沙河北、寶豐四個均衡區(qū)。葉縣和魯山沙河南兩個均衡區(qū)地表覆蓋層多是亞砂土，含水層巖性是泥質(zhì)砂礫石、泥質(zhì)中砂、中細砂；魯山縣沙河北均衡區(qū)地表覆蓋層多是亞砂土為主，含水層巖性是一定厚度的砂礫石，夾有中細砂；寶豐均衡區(qū)地表覆蓋層多是粘性土為主，含水層巖性是泥質(zhì)礫石和砂礫石。每個均衡區(qū)的地形地貌、地層和水文地質(zhì)條件比較單一，各個均衡區(qū)含水層的覆蓋層厚度和顆粒均勻，補給和排泄邊界清楚，各個均衡區(qū)水文地質(zhì)條件單一，均衡要素易于確定，故把每個均衡區(qū)看成是一個均質(zhì)，各向同性的獨立水文地質(zhì)單元進行計算評價。

3.3水文地質(zhì)參數(shù)計算與選擇

3.3.1給水度（μ）

根據(jù)灌區(qū)內(nèi)歷史資料和灌區(qū)內(nèi)其他工程實驗數(shù)據(jù)，同時參考《基巖水文地質(zhì)學》［4］中各種巖性土的給水度，再結(jié)合灌區(qū)淺層含水層巖石性質(zhì)和厚度等，綜合確定葉縣、魯山沙河南、魯山沙河北、寶豐四個均衡區(qū)的給水度平均值μ分別為0.04、0.05、0.04、0.05。

3.3.2降雨入滲系數(shù)（α）

根據(jù)具有代表灌區(qū)巖性、水位埋深的各個均衡區(qū)內(nèi)的觀測井的觀測資料，采用公式：

計算出了1990-2010年期間的降水入滲系數(shù)α系列值，然后計算出多年平均α均值，再結(jié)合《河南省水資源調(diào)查評價》［4］中提供的各種降水入滲系數(shù)值，綜合確定葉縣、魯山沙河南、魯山沙河北、寶豐四個均衡區(qū)的降水入滲系數(shù)平均值分別為α均0.20、0.18、0.22、0.17。

3.3.3.補給系數(shù)（m，β）

根據(jù)《昭平臺灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造建設自評估報告》和《河南省水資源調(diào)查評價》中各種灌區(qū)m值綜合考慮，灌區(qū)渠系滲漏補給系數(shù)m取0.18。

根據(jù)《昭平臺灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造建設自評估報告》和《河南省水資源調(diào)查評價》中不同巖性不同地下水埋深情況下的β井，綜合考慮葉縣、魯山沙河南、魯山沙河北、寶豐四個均衡區(qū)的井灌入滲補給系數(shù)β井分別取0.19、0.19、0.20、0.13。

3.3.4滲透系數(shù)（K）

通過灌區(qū)內(nèi)歷史資料和灌區(qū)內(nèi)其他工程實驗數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，同時參考《河南省水資源調(diào)查評價》中不同巖性的滲透系數(shù)取值范圍，計算出各種情況下的滲透系數(shù)K分別為

3.3.5潛水蒸發(fā)系數(shù)（C）

灌區(qū)內(nèi)地下水水位普遍較淺，潛水蒸發(fā)是淺層地下水的主要消耗途徑之一。根據(jù)灌區(qū)內(nèi)各個均衡區(qū)的實際情況，同時參考《河南省水資源調(diào)查評價》中提供的不同巖性不同水位埋深情況下的潛水蒸發(fā)系數(shù)，綜合考慮葉縣、魯山沙河南、魯山沙河北、寶豐四個均衡區(qū)的潛水蒸發(fā)系數(shù)C分別取0.14、0.05、0.16、0.03。

3.3.6水力坡度（I）

地下水水力坡度隨不同區(qū)域和不同季節(jié)而變化，根據(jù)四個均衡區(qū)內(nèi)不同觀測井的多年水位平均值以及水庫和河渠多年平均水位值，計算各種情況下的水力坡度為

3.4淺層地下水各項量的計算

通過計算分析，整個昭平臺灌區(qū)相對均衡差為-2.40%，符合評價技術(shù)規(guī)范要求（具體計算略）。

3.5灌區(qū)淺層地下水資源量

根據(jù)下水資源量評價方法和補給量計算成果，灌區(qū)淺層地下水資源量為9184.89萬m3/a。按補給項分類，灌區(qū)淺層地下水資源量中，降雨入滲補給量為7708.07萬m3/a，占84%；渠灌補給量為1082.06萬m3/a，占12%；側(cè)向補給量為394.75萬m3/a，占4%。

4　結(jié)論和建議

灌區(qū)淺層地下水資源總量為9184.89萬m3/a，根據(jù)《平頂山市水資源調(diào)查評價》平頂山地區(qū)地下水開采系數(shù)可采用0.75-0.90，取0.80計算灌區(qū)淺層地下水可開采總量為7347.91萬m3/a。目前灌區(qū)淺層地下水實際開采量為2149.16萬m3/a，該水量只占到淺層地下水總量的23.30%，占淺層地下水可開采總量的 29.20%。淺層地下水可擴大開采量5198.75萬m3/a。這說明灌區(qū)淺層地下水開采潛力較大，可在灌區(qū)內(nèi)打淺井發(fā)展井灌，采用井渠雙配套的灌溉模式提高農(nóng)業(yè)灌溉保證率。開發(fā)利用淺層地下水時，在干旱年可多采少補，平水年可少采多補，這樣可彌補地面工程調(diào)節(jié)能力的不足，為解決特干旱年的用水供需矛盾，提供了基礎(chǔ)保障。

［1］黃修橋，徐建新，劉俊民，馮俊杰，等.灌區(qū)地下水開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與應［M］.鄭州：黃河水利出版社，2013.

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

P641.7

A

1673-8853（2016）07-0054-03

朱克斌（1969-），男，高級工程師，主要從事農(nóng)村水利工程建設與管理工作。

2016-05-11