衡水市區(qū)深層地下水資源構(gòu)成分析

程雙虎，李明良，許　健，張曉燁

(1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031)

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衡水市區(qū)深層地下水資源構(gòu)成分析

程雙虎1，李明良1，許健2，張曉燁1

(1.河北省水文水資源勘測局，河北 石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北 石家莊 050031)

衡水市區(qū)深層地下水嚴(yán)重超采，引起一系列環(huán)境地質(zhì)問題?；诘叵滤饫碚摚⒌叵滤饽Ｐ?，確定淺層地下水對深層地下水越流補(bǔ)給量，提出深層地下水開采資源的資源構(gòu)成，為合理開采深層地下水資源，保護(hù)地質(zhì)生態(tài)環(huán)境，完善地下水壓采方案提供了科學(xué)依據(jù)。

水均衡；水資源構(gòu)成；深層地下水

衡水市地處河北平原水資源十分缺乏的中東部，該區(qū)地下水通常劃分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水主要是咸水，深層地下水就成為地下水主要開采層。由于深層地下水的嚴(yán)重超采，使得地下水頭大幅度下降，成為冀棗衡的地下水漏斗的主體。由此引起了地面沉降、咸淡水界面下移等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。已經(jīng)引起國家和各級政府的高度關(guān)注，成為地下水壓采的試點(diǎn)區(qū)。本文試圖利用地下水均衡方法，確定深層地下水開采資源的構(gòu)成，為深層地下水資源的合理開發(fā)，地質(zhì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

由于深淺含水層之間咸水體的存在，深淺含水層之間的水量交換——越流補(bǔ)給量的確定，成為分析深層地下水資源構(gòu)成的關(guān)鍵問題。深淺含水層發(fā)生越流是在第I含水組和第II含水組之間進(jìn)行，目前深層水開采層主要在第III含水組，已知深層地下水的水頭也主要是第III含水組，第II含水組的水頭處在什么位置不易確定。所以本文試圖通過深淺層已有資料確定其補(bǔ)給量和排泄量，最終利用水均衡原理來求取深淺層地下水越流量，提出該地區(qū)深層地下水開采資源的構(gòu)成。

圖1　桃城區(qū)與均衡區(qū)范圍

1　地下水均衡區(qū)和均衡期

為了研究深層地下水資源的資源構(gòu)成，本文按照地下水均衡的理論，來分析深層水各項補(bǔ)給量占開采資源的比例。依據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，結(jié)合已掌握的地下水動態(tài)資料，選擇衡水市區(qū)(桃城區(qū))作為地下水均衡計算的均衡區(qū)，為了便于計算側(cè)向徑流量，將均衡區(qū)邊界形狀進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，修正后的均衡區(qū)面積591.25 km2，與桃城區(qū)面積(591 km2)基本相同(圖1)。地下水均衡計算的均衡期選擇2010年12月31日-2013年12月31日。

2　水文地質(zhì)概念模型及地下水均衡模型

2.1水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)均衡區(qū)水文地質(zhì)條件，將均衡區(qū)第四系含水層在垂向上分為淺層地下水(第I含水組)均衡單元和深層地下水(第II、III、IV含水組)均衡單元兩部分，二者之間有一較為穩(wěn)定的粘土、亞粘土組成的弱透水層隔開，在一定水頭壓力下，地下水以越流的形式發(fā)生水力聯(lián)系。

淺層地下水均衡單元，均衡區(qū)上邊界為包氣帶，包氣帶巖性一般為粉質(zhì)粘土和粉土，概化為垂向滲透邊界，接受大氣降水、河流、渠道、地表水體、地表水灌溉、井灌回歸補(bǔ)給，以人工開采和潛水蒸發(fā)的形式排泄；下邊界以第I含水組底界為界，概化為垂向弱滲透邊界，與下伏的深層地下水以越流形式交換水量；據(jù)水文地質(zhì)條件和編制的地下水等水位線圖，將側(cè)向邊界概化為流量邊界，按其地下水流向處理為側(cè)向補(bǔ)給邊界或側(cè)向排泄邊界。

深層地下水均衡單元：均衡區(qū)上邊界以第II含水組頂界為界；概化為弱透水邊界，與上伏淺層地下水以越流形式交換水量；下邊界為垂向隔水邊界，側(cè)向邊界與淺層地下水一樣，依據(jù)水文地質(zhì)條件和地下水等水位線圖，確定為側(cè)向補(bǔ)給邊界或排泄邊界。

2.2地下水水均衡模型

據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立如下均衡模型：

1)淺層地下水均衡模型：

∑Q淺補(bǔ)-∑Q淺排=Q儲變

式中：∑Q淺補(bǔ)為淺層地下水總的補(bǔ)給量(m3/a)；∑Q淺排為淺層地下水總的排泄量(m3/a)；Q儲變?yōu)闇\層地下水總的儲變量(m3/a)；

其中：淺層地下水補(bǔ)給量主要包括大氣降水滲入補(bǔ)給量(Q降)，河流滲入補(bǔ)給量(Q河)，渠道滲漏補(bǔ)給量(Q渠)，地表水體滲漏補(bǔ)給量(Q水體)，渠灌田間入滲補(bǔ)給量(Q渠灌)，井灌回歸補(bǔ)給量(Q井灌)，側(cè)向徑流補(bǔ)給量(Q側(cè)補(bǔ))，以及深層地下水對淺層地下水的越流補(bǔ)給量(Q越補(bǔ))。

淺層地下水的排泄量主要包括淺層地下水開采量(Q采)，淺層地下水蒸發(fā)量(Q蒸)，淺層地下水向深層地下水的越流排泄量(Q越排)，側(cè)向徑流排泄量(Q側(cè)排)。

淺層地下水的儲變量(Q儲變)可用下式表示：

Q儲變=Δh×μ×F

式中：△h為均衡時段內(nèi)地下水水位變幅(m)；μ為均衡時段內(nèi)地下水變幅帶給水度；F為均衡區(qū)面積(km2)。

2)深層承壓水均衡模型

根據(jù)水均衡原理，其模型為：

∑Q深補(bǔ)-∑Q深排=∑Q蓄變

式中：∑Q深補(bǔ)為深層地下水總的補(bǔ)給量(m3/a)；∑Q深排為深層地下水總的排泄量(m3/a)；∑Q蓄變?yōu)樯顚拥叵滤偟男钭兞?m3/a)；

式中：Δh為計算時間段內(nèi)水位年平均變化量(m)；μ*為深層承壓含水層貯水系數(shù)；F為深層水計算面積(m2)；S為計算時間段內(nèi)年平均地面沉降量(m)；C粘釋為粘性土釋水占地面沉降量的比例系數(shù)。

3　地下水資源均衡分析

3.1淺層地下水分析

本文依據(jù)研究區(qū)氣象水文條件、水文地質(zhì)條件、地下水流場和地下水動態(tài)特征等資料，分別計算了淺層地下水的補(bǔ)給量(包括大氣降水滲入補(bǔ)給量、河流滲漏補(bǔ)給量、渠道滲入補(bǔ)給量、渠灌回滲補(bǔ)給量、井灌回滲補(bǔ)給量、地表水體入滲量、以及側(cè)向徑流補(bǔ)給量)、排泄量(包括潛水蒸發(fā)量、側(cè)向徑流排泄量、以及人工開采量)、以及淺層地下水儲變量，將其列入表1中。

淺層地下水的越流補(bǔ)給量，在均衡區(qū)內(nèi)淺層地下水位均高于深層地下水水頭，故越流補(bǔ)給量為零。而淺層地下水對深層地下水的排泄量，因第II含水組的地下水水頭沒有監(jiān)測資料，不能直接利用越流公式求出，作為我們均衡計算的待求項。

表1　淺層地下水均衡計算結(jié)果表

由淺層地下水均衡計算結(jié)果(表1)可以看出，淺層地下水總補(bǔ)給量為9 404.82×104m3/a。主要補(bǔ)給項是大氣降水入滲補(bǔ)給，占總補(bǔ)給量的71%。其次是灌溉(井灌、渠灌)回歸水和河道滲漏，分別占總補(bǔ)給量的12%和11%。淺層地下水排泄量(越流排泄除外)為4 286.87×104m3/a，主要是地下水的人工開采、潛水蒸發(fā)、以及側(cè)向徑流排泄。依據(jù)淺層地下水水位，求得均衡期內(nèi)地下水儲變量為478.01×104m3/a。為此利用總均衡方程，可求得均衡區(qū)淺層地下水以越流的形式向深層地下水排泄4 639.94×104m3/a。這樣淺層地下水總排泄量為8 926.81×104m3/a，其中越流排泄量占總排泄量的52%，其次是潛水蒸發(fā)和人工開采，分別占總排泄量的36%和11%。

3.2深層水資源均衡分析

依據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水流場、地下水動態(tài)特征等資料，分別計算了深層地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量、側(cè)向徑流排泄量、以及深層地下水彈性儲變量。利用地面沉降監(jiān)測標(biāo)監(jiān)測資料計算了粘性土壓密釋水量，將其列入表2中。

關(guān)于深層地下水的越流補(bǔ)給量，實際上，淺層地下水的越流排泄量就是深層地下水越流補(bǔ)給量。為了相互驗證二者之間的一致性，也利用深層地下水的均衡方法，來求深層地下水的越流補(bǔ)給量。

表2　深層水均衡計算結(jié)果表

*注：越流補(bǔ)給量是由均衡方程求出。

由深層地下水均衡計算結(jié)果(表2)可知，深層地下水總排泄量為9 618.12×104m3/a，深層水側(cè)向補(bǔ)給量為2 231.96×104m3/a，深層水蓄變量為2 633.94×104m3/a，由此可求得越流補(bǔ)給項為4 752.22×104m3/a。

淺層含水層均衡計算所求淺層水向深層水越流排泄量為4 639.94×104m3/a，深層含水層均衡計算所得深層水從淺層水獲得越流補(bǔ)給量為4 752.22×104m3/a，二者之差112.28×104m3/a，占淺層水總補(bǔ)給量的1.19%，占深層水總排泄量的1.17%。其相對誤差很小，滿足精度要求。

4　結(jié)語

根據(jù)上面的地下水均衡分析，均衡期內(nèi)均衡區(qū)深層地下水年平均開采量為9 548.87×104m3/a，占深層水總排泄量的99.28%。若將側(cè)向補(bǔ)給量和側(cè)向排泄量合并計算，側(cè)向補(bǔ)給量為2 162.68×104m3/a，占開采資源的22.65%；淺層對深層的越流補(bǔ)給量為4 696.08×104m3/a(深淺層地下水均衡求得越流量平均值)，占開采資源的49.18%；粘性土釋水量占開采資源的24.41%；彈性儲存量占開采資源的3.18%。

從上面分析結(jié)果可以看出，衡水市區(qū)(桃城區(qū))地下水開采資源占分額最大的是淺層水的越流補(bǔ)給；側(cè)向補(bǔ)給量次之，但與整個區(qū)域相比，桃城區(qū)側(cè)向補(bǔ)給量占開采資源的份額比區(qū)域上較大，這是由于桃城區(qū)處在衡水市深層地下水水位降落漏斗中心，邊界水力坡度較大所致。上述分析結(jié)果，可作為該區(qū)深層地下水壓采規(guī)劃的依據(jù)。

[1]張宗祜，沈照理，薛禹群，等.華北平原地下水環(huán)境演化.地質(zhì)出版社.2000.

[2]許廣明，劉立軍，費(fèi)宇紅，等.華北平原地下水調(diào)蓄研究.資源科學(xué).2009，NO.9.

[3]張兆吉，費(fèi)宇紅，陳宗宇，等.華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價.地質(zhì)出版社.2009.

[4]陳望和.河北地下水.地震出版社.1999.

2016-05-03

河北省地下水超采綜合治理試點(diǎn)項目地下水業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)；河北省研究生創(chuàng)新資助項目(1007704)

程雙虎(1963-)，男，河北辛集人，正高級工程師，主要從事水文水資源方面研究。

許健(1989-)，男，安徽安慶人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水資源。

P641.8

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1004-1184(2016)05-0032-02