無長系列觀測資料條件下泉流量的研究

王盼秋，曾 丹，孟凡宇

(山東省淄博市水文局，山東 淄博 255000)

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無長系列觀測資料條件下泉流量的研究

王盼秋，曾 丹，孟凡宇

(山東省淄博市水文局，山東 淄博 255000)

以響泉、龍洞泉為實例，在無泉流量長系列觀測資料的條件下，采用水文地質(zhì)比擬法，選取合適的比擬對象，通過對二者相關(guān)因子的分析對比，得出其相關(guān)關(guān)系。利用該關(guān)系可得泉水的逐月流量曲線及最小流量，依據(jù)布西涅斯克方程互相驗證后，其相對誤差在可接受范圍內(nèi)。該方法為特定條件下泉流量的分析計算提供了一定的借鑒。

泉流量；可開采量；水文地質(zhì)比擬；保證率

泉是地下水的天然露頭，在地形面與含水成或含水通道相交點地下水出露成泉[1]。開展對泉水流量的研究，對評價泉域地下水的補徑排條件，以及泉水資源量和相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)計算都有著顯著的價值，尤其是對分析天然泉作為局部水源地的可靠性有著至關(guān)重要的意義。泉水流量具有季節(jié)性波動[2]和衰減性的特點，以往對泉水流量的研究都是基于這一原理和長系列流量觀測資料進行的。本文采用水文地質(zhì)比擬法，并以響泉、龍洞泉為實例，對無長系列流量觀測資料下泉的流量進行探討，用布西涅斯克方程(泉流量衰減方程)對其進行驗證，基此論證其作為供水水源的可靠性。

1 響泉、龍洞泉概況

響泉、龍洞泉位于山東省沂源縣田莊水庫庫區(qū)內(nèi)，兩泉相鄰200 m，距縣城6 km，水質(zhì)優(yōu)良，汛期被庫水淹沒，枯季出露，流量觀測資料較少。

1.1 泉域地質(zhì)條件

田莊水庫庫區(qū)周邊泉群位于章丘莊～泉子官莊富水地段，含水層為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組及奧陶系下統(tǒng)冶里組和亮甲山組石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。該富水段位于章丘莊～前坡斷層北側(cè)，草埠山斷層西側(cè)。地段內(nèi)斷層發(fā)育，巖層破碎，裂隙巖溶發(fā)育，為地下水的富集提供了良好的儲存空間。受草埠山斷層、章丘～前坡斷層和上五井斷裂及地形的綜合影響，巖溶地下水接受降水直接入滲和河道滲漏補給后，從西、西南方向朝著地勢較低的田莊水庫一帶匯集，受泉南北兩側(cè)隔水斷層阻擋，在排泄條件較好的水庫南岸及北岸形成響泉、龍洞泉、泉子官莊泉等泉水。

1.2 泉水成因分析

響泉出露處為陡峭山體，上有50 m岸坡為厚層灰?guī)r，結(jié)構(gòu)相對完整，響泉下游約80 m岸坡巖體破碎，裂隙巖溶發(fā)育，再往下游為傾向上游的頁巖，具有良好的阻水性能(圖1)。龍洞泉出露處的南岸為破碎較大的山體，傾向庫區(qū)，兩側(cè)巖石破碎嚴重，下游約70 m處有較大規(guī)模的斷層發(fā)育，裂隙巖溶發(fā)育強烈。再往下游為傾向上游傾角較大的頁巖灰?guī)r互層，具有較好的隔水性能(圖2)。兩泉出露的南北部均有斷層，斷層兩側(cè)為奧陶系與寒武系地層，因此斷層相對隔水。奧陶系地下水運移至此遭遇斷層阻擋，恰逢庫區(qū)地勢較低排泄條件較好，奧陶系地層出露，地下水位高于地面，溢出形成上升泉。

圖1 響泉周邊

1.3 泉水動態(tài)特征

兩泉主要受降水入滲補給，泉水直接補給區(qū)面積48.7 km2，間接補給區(qū)面積219.3 km2，補給區(qū)1980～2009年多年平均降水量710.9 mm。1992年6月11日實測響泉流量4 737 m3/d，龍洞泉5 236 m3/d，兩泉合計9 973 m3/d。田莊水庫水文站2010年實測兩泉流量在1.3～1.5萬 m3/d之間，無其他流量觀測記錄(表1)。

圖2 龍洞泉周邊

日期響泉流量(m3/d)龍洞泉流量(m3/d)合計流量(m3/d)1992.6.114737523699732010.2.2776007603152032010.3.1963937171135642010.6.127000800015000

2 響泉、龍洞泉流量分析

當?shù)財M以兩泉泉水作為城市生活用水水源，以泉作為開采源，需做局部水源地的地下水資源評價，選取評價方法為：按具體需水量來布置不同的取水方案，通過計算對比，根據(jù)泉流量保證率曲線評價可開采量選出最佳方案[3]，以滿足城市供水95%的保證率標準[4]。

一般在泉觀測系列較短情況下，可編制泉流量動態(tài)曲線圖，收集與泉流量相關(guān)的水文、氣象等要素，分析他們之間的相互關(guān)系。但是兩泉歷史觀測資料極少且不連續(xù)，常見的巖溶泉流量預測線性模型和非線性模型都無法進行成功擬合。在基巖山區(qū)，有資料可比較時可采用水文地質(zhì)比擬法進行地下水資源的評價[5]，本文采用水文地質(zhì)比擬法，選取與該泉地質(zhì)構(gòu)造及成因相同、補徑排等水文地質(zhì)條件相近的泉進行比擬分析，山東省臨朐縣老龍灣泉符合上述條件。

2.1 老龍灣泉基本情況

老龍灣泉位于濰坊市臨朐縣冶源鎮(zhèn), 直接補給區(qū)為上寒武風山組至奧陶系地層的分布區(qū)，區(qū)內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，滲透能力強。補給區(qū)內(nèi)，巖溶裂隙水在接受垂直或水平方向補給后從補給區(qū)向集中排泄點老龍灣泉徑流，徑流方向由西南流向東北，與地形和巖層傾向大體一致，在泉域北部和東北部分別有阻水邊界冶源斷裂和宋莊斷裂，受到隔水的凝灰?guī)r阻擋上升成老龍灣泉[6]。

按水文年(當年6月～次年5月)對老龍灣泉各月平均流量進行匯總(表2)，資料系列采用1975～2009年(2002、2003年停測)，其多年平均流量2 869萬 m3/a。

2.2 補給區(qū)降水量特征的分析對比

因響泉、龍洞泉與老龍灣泉主要補給方式均為降水入滲且補給區(qū)巖性相同，對兩泉流量關(guān)系有著決定性影響。根據(jù)各自補給區(qū)1975年以來同步期逐月降水資料，進行對比分析，可知兩系列逐月及歷年豐枯變化一致(圖3)，多年平均降水量相近，變差系數(shù)均為0.26，相關(guān)系數(shù)為0.87(圖4)。 兩泉補給區(qū)均為奧陶系灰?guī)r，故水文地質(zhì)參數(shù)近似，同為受阻水巖體或斷層影響形成的上升泉，排泄形式相同，因此計算得合適的比擬因子，二者是可以建立合于客觀規(guī)律的比擬關(guān)系。

圖3 響泉、龍洞泉～老龍灣泉補給區(qū)降水量曲線

圖4 響泉、龍洞泉～老龍灣泉補給區(qū)降水量相關(guān)關(guān)系曲線

2.3 響泉、龍洞泉流量分析

對老龍灣泉1975～2009年(水文年)流量進行頻率分析，計算得頻率95%的枯水年流量為1 800.4萬 m3，并根據(jù)實測泉流量資料，按水量相近、對供水不利的原則，選典型用同倍比法推求老龍灣95%保證率的逐月涌水量標準曲線，然后利用兩泉同步監(jiān)測資料的相關(guān)關(guān)系及比擬因子，計算得響泉、龍洞泉該保證率下逐月涌水量曲線(圖5)。由此可知，在95%保證率下，響泉、龍洞泉年流量為496萬 m3，最小流量為0.788萬 m3/d，出現(xiàn)在5月份(表3)。同樣，可計算得平常年份兩泉流量在1.0～2.8萬 m3/d之間，全年為629萬 m3。故以兩泉為水源做供水設計時，可以此為依據(jù)，月供水量及全年水量根據(jù)流量過程線調(diào)節(jié)變化，多水源聯(lián)合調(diào)度，可達到較高的供水保證率。

圖5 95%保證率泉水流量曲線

月份流量萬m3/d月份流量萬m3/d月份流量萬m3/d6月0.87510月2.1452月0.9347月1.21111月1.9403月0.8328月1.79512月1.6344月0.7949月2.2321月1.1385月0.788

3 合理性探討

當含水層厚度很大，地下水位動態(tài)相對于含水層厚度來說變化很小時，枯水期間(假定沒有補給)泉水流量的變化，可按布西涅斯克方程確定：

Qt=Q0e-αt

式中：Qt為枯水期開始后t時刻泉的流量；Q0為開始停止補給時泉的流量；e為自然對數(shù)的底數(shù)，約等于2.718 28；t為從停止補給時算起經(jīng)歷的時間；α為含水層儲存量的消耗系數(shù)(衰減系數(shù))。

如果t值取枯水期的整個延續(xù)時間(假定無補給)，則按布西涅斯克方程求得的Qt就是汛前泉的最小流量[7]。

根據(jù)2010年2月27日、3月19日泉流量實測數(shù)據(jù)(期間無降水補給)，利用布西涅斯克方程計算得響泉、龍洞泉衰減系數(shù)分別為0.008 512、0.002 85。2012年12月初實測兩泉流量1.6萬 m3/d，考慮到當?shù)亟邓畬θ髁坑绊懸话銣?個月左右，故以此數(shù)據(jù)作為開始停止補給時泉的流量Q0。假定此后6個月無補給的情況下(靠消耗泉域儲存量維持泉涌)，計算得6月初泉流量即為汛前最小流量，為0.687 3萬 m3/d。該數(shù)據(jù)與采用比擬法所得數(shù)據(jù)相對誤差為12.8%，在允許范圍內(nèi)，證明本文所采用的水文地質(zhì)比擬法在此特定條件下，所得結(jié)果是合理可信的。

4 結(jié)語

在無泉水長系列流量實測資料的特定情況下，采用水文地質(zhì)比擬法，選取合理的比擬對象，可得到需要的特定保證率下泉水逐月流量曲線，并結(jié)合泉流量衰減方程進行比對驗證，從而認為該方法是可行的，為泉水作為水源的供水設計提供了基礎性數(shù)據(jù)，但該方法存在一定誤差，水源地實際運行時需以泉水自然流量為實際開采量，不可隨意擴大開采，并配備一定的應急水源，以保證供水率。

[1]王大純，張人權(quán)，史毅虹，等.水文地質(zhì)學基礎[M].2版.北京.地質(zhì)出版社.2006，75.

[2]李力，沈冰，張曉偉.泉水月流量預報模型研究[J].西安理工大學學報.2008，24(1)：43-44.

[3][5]房佩賢，衛(wèi)中鼎，廖資生.專門水文地質(zhì)學[M].2版.北京.地質(zhì)出版社.2006，231-233，138.

[4]上海市建設和交通委員會.GB50013-2006 室外給水設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社.2006.

[6]于延鳳. 老龍灣泉域水資源現(xiàn)狀及保護措施[J].山東水利.2012(5/6)：77.

[7]河北省地質(zhì)局水文地質(zhì)四大隊.水文地質(zhì)手冊[M].1版.北京.地質(zhì)出版社.1978：699-700.

An Analysis of the Springs Flow Without Long Series Observation Data

WANG Pan-qiu，ZENG Dan，MENG Fan-yu

(Hydrological Bureau of Zibo City，Shandong Zibo，255000，China)

Based on xiang spring and longdong spring as a practice ,under the condition of without long series spring?flow observation data，use the hydrogeological analogy method and select the appropriate match object，through the analysis of the related factor to draw the correlations。Using this correlations can calculate the monthly spring flow curve and minimum flow，after verification through the Boussinesq equations ，the relative error within an acceptable range. This method can provide a reference to the springs flow analysis under special conditions.

Springs flow；allowable withdrawal；hydrogeological analogy and guaranteed rate

2016-05-23

王盼秋(1987-)，男，山東濰坊人，助理工程師，主要從事地下水相關(guān)工作。

TV211.1

A

1004-1184(2016)06-0059-03