白城市洮兒河沖洪積扇地下蓄水空間研究

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(1.吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城 137000；2.吉林省白城市水資源管理中心，吉林 白城 137000)

白城市洮兒河沖洪積扇地下蓄水空間研究

付曉忠1，董小輝2

(1.吉林省水文水資源局白城分局，吉林 白城 137000；2.吉林省白城市水資源管理中心，吉林 白城 137000)

白城市是嫩江西岸廣大區(qū)域的商業(yè)中心城市，戰(zhàn)略地位十分重要。利用洮兒河沖洪積扇地區(qū)巨大的地下水蓄水空間，解決該地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)建設(shè)對(duì)水資源的需求。根據(jù)含水層厚度和參數(shù)的變化，采用含水層體積法和水層厚度法計(jì)算地下水庫(kù)的總庫(kù)容，計(jì)算表明洮兒河扇形地是一個(gè)天然的大型地下水庫(kù)，只要有充足水源補(bǔ)給和相應(yīng)的工程措施，可以實(shí)現(xiàn)地下水庫(kù)的調(diào)蓄作用，緩解該地區(qū)水資源供需矛盾和控制地下水下降。

白城市；洮兒河沖洪積扇；地下水庫(kù)；蓄水

洮兒河沖積扇地區(qū)是白城市政治、經(jīng)濟(jì)、文化的中心，且交通便利，北鄰黑龍江、內(nèi)蒙，可以說(shuō)白城市是嫩江西岸廣大區(qū)域的商業(yè)中心城市，戰(zhàn)略地位十分重要。洮兒河沖積扇面積2 838 km2，含水層為砂礫石和卵礫石，厚度10～40 m，地下蓄水庫(kù)容在 100億 m3以上。如果有充分的江河水補(bǔ)給，每年至少可增加十幾個(gè)億 m3的供水水源，這對(duì)白城市工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及大泌它拉草原生態(tài)環(huán)境的改善將起到?jīng)Q定性的作用。

該區(qū)地下水的補(bǔ)給資源量為 6.34億 m3/a，可開(kāi)采資源量為 5.54億 m3/a，目前實(shí)際開(kāi)采量已突破7億 m3/a。70 年代以來(lái)，該區(qū)地下水位持續(xù)下降，多年累計(jì)降幅已超過(guò)4 m，特別是1998 年大洪水以后，由于連續(xù)干旱，洮兒河水?dāng)嗔?，一方面地下水的補(bǔ)給量大量減少，一方面開(kāi)采量迅速增加，使地下水位每年以0.5～1.0 m的速度下降，個(gè)別年份有些地段水位下降甚至超過(guò)1.5 m。如果不盡快采取有效措施，不僅白城市的城市建設(shè)和工業(yè)發(fā)展將受到制約，而且將直接威脅到該區(qū)人類(lèi)的生存。為解決該區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)建設(shè)對(duì)水資源的需求，我們只有利用洮兒河沖積扇巨大的地下蓄水空間，引江河水補(bǔ)充地下水。近期可考慮利用洮兒河洪水，通過(guò)改造白城運(yùn)河向地下引滲，遠(yuǎn)期可考慮在嫩江引水，進(jìn)入洮兒河沖積扇。

1 地下水庫(kù)蓄水基礎(chǔ)條件分析

1.1 巨大的地下庫(kù)容

白城市已經(jīng)開(kāi)展過(guò) 1：20 萬(wàn)區(qū)域水文地質(zhì)普查及 1：5萬(wàn)供水水文地質(zhì)勘查等工作，并提交了勘查報(bào)告，均已通過(guò)吉林省地礦廳(局)審查認(rèn)定。白城市水利部門(mén)從二十世紀(jì) 70 年代以來(lái)多次在這一地區(qū)，開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)和地下水監(jiān)測(cè)工作，位于洮兒河沖積扇之上的洮蛟?xún)珊泳兴挠^(guān)測(cè)站。此外，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院、中國(guó)地理研究所等單位也先后在這一地區(qū)做了大量的工作，積累了詳實(shí)的資料。

白城地下水庫(kù)位于洮兒河沖洪積扇形地區(qū)，分布范圍較廣，面積2 838 km2性能較好，降水入滲系數(shù)一般在0.35～0.40之間，滲透系數(shù)一般。含水層主要為第四紀(jì)沖洪積的砂礫石、卵礫石，厚10～40 m，滲透為100～200 m/d，給水度為0.2左右，局部可達(dá)0.3以上，單井涌水量每小時(shí)可達(dá)200 m3以上，天然庫(kù)容超過(guò)100億 m3，具有巨大的蓄水空間，是一個(gè)特大型的地下水庫(kù)，因此，應(yīng)充分發(fā)揮其蓄水作用。

1.2 地下水庫(kù)之上有剩余過(guò)境洪水

洮兒河從地下水庫(kù)的上面通過(guò)，據(jù)白城地下水庫(kù)上游鎮(zhèn)西水文站資料，多年平均徑流量為 12.99億 m3，歷史最大年徑流量為 51.38億 m3(1998 年)；下游洮南水文站多年觀(guān)測(cè)資料，歷史最大年徑流量為60.76億 m3(1998年)，多年平均徑流量為 13.05億 m3。鎮(zhèn)西站汛期(6— 9月)多年平均徑流量為 9.29億 m3，保證率分別為 75 %、50 %、25 %時(shí)汛期徑流量分別為 3.34、6.97、12.72億 m3。按照保證率為40%的汛期徑流量引其中的20%時(shí)計(jì)算，平均每?jī)赡臧肟梢?.48億 m3洪水，當(dāng)引滲率達(dá)到70%時(shí)，平均每年可增加地下水的補(bǔ)給量1.25億 m3，這對(duì)緩解該區(qū)水資源供需矛盾和控制地下水位下降，將起到巨大的作用。

1.3 有可利用的明渠滲漏補(bǔ)給

該區(qū)地表為亞粘土亞砂土，厚度小，在洮兒河中上部?jī)H0.3～1.0m，其下便為砂礫石層，垂直滲漏補(bǔ)給條件好。1958年開(kāi)挖建成的白城運(yùn)河，全長(zhǎng)109 km，設(shè)計(jì)引水量為 20 m3/s。由于河床下的砂礫石層嚴(yán)重漏水，引水未能成功。 1982年7月在運(yùn)河上曾作過(guò)滲漏試驗(yàn)，由建政屯至棉紡廠(chǎng)， 35 km河段上滲漏量為 5 m3/s(43.2萬(wàn) m3/d)，據(jù)此推算運(yùn)河滲漏量可達(dá)130萬(wàn) m3/d。如每年的放水引滲期為80 d，可蓄水 1億 m3以上。這是運(yùn)河廢置多年后的滲漏量，如提高設(shè)計(jì)引水量在擴(kuò)建清淤清障后，其滲漏量還會(huì)增加，是良好的引水滲水補(bǔ)給地下水庫(kù)的通道。

2 沖洪積扇地下水庫(kù)總庫(kù)容計(jì)算

根據(jù)含水層厚度和參數(shù)的變化，采用含水層體積法和水層厚度法計(jì)算地下水庫(kù)的總庫(kù)容。

2.1 含水層體積法

根據(jù)鉆孔取樣分析資料、區(qū)域含水層厚度和參數(shù)的分布狀況對(duì)含水層進(jìn)行剖分，采用 Simpson’s法則計(jì)算得研究區(qū)含水層體積，其公式為：

(1)

(2)

式中：Δx為剖分網(wǎng)格的列寬(m)；Δy為剖分網(wǎng)格的行寬(m)；Gij為第i行第j列節(jié)點(diǎn)處的含水層厚度值(m)；Ai為第i行網(wǎng)格的面積(m2)；Va為含水層體積(m3)；n為剖分的網(wǎng)格數(shù)。

每個(gè)鉆孔的給水度選取厚度加權(quán)平均值，公式如下：

(3)

地下水水庫(kù)總庫(kù)容為：

(4)

式中：Vt為地下水庫(kù)總庫(kù)容(m3)；μi為第i分區(qū)的含水層給水度；Vai為第i分區(qū)的含水層體積(m3)。

利用上述方法求得分區(qū)含水層體積和分區(qū)給水度，兩者分別相乘再求和，便得到地下水庫(kù)的總庫(kù)容(地下儲(chǔ)存空間)，為97.7×108m3/a(見(jiàn)表1)。

表1 地下水儲(chǔ)存量計(jì)算成果表

2.2 水層厚度法

利用每個(gè)井孔揭露的含水層厚度和相應(yīng)的給水度，可求得每個(gè)鉆孔的地下水層高度，公式為：

(5)

參照水位資料，可求得地下水儲(chǔ)存量為99.56×108m3。

上述兩種計(jì)算方法理論上可行、資料可靠、計(jì)算的結(jié)果也相差不大，故采用二者的平均值98.63×108m3作為洮兒河扇形地地下水庫(kù)的庫(kù)容比較符合實(shí)際。按水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)，庫(kù)容大于10×108m3為大(1)型水庫(kù)，計(jì)算結(jié)果表明洮兒河扇形地地下水庫(kù)庫(kù)容相當(dāng)于大(1)型水庫(kù)。

3 地下水庫(kù)可利用庫(kù)容計(jì)算

上述計(jì)算表明洮兒河扇形地是一個(gè)天然的大型地下水庫(kù)。據(jù)地下水長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)資料分析，1980～1998年扇形地地下水位基本上隨降水量與上游河流來(lái)水量的大小變化而變化，呈現(xiàn)出較明顯的自然變化特點(diǎn)。自1999年以來(lái)，由于氣候連續(xù)干旱，地下水開(kāi)采量迅猛增加，在地下水的大量開(kāi)發(fā)利用下，扇形地地下水位出現(xiàn)了較大幅度的下降，地下水庫(kù)應(yīng)相應(yīng)出現(xiàn)了較大的可利用庫(kù)容。這部分可利用庫(kù)容正是進(jìn)行地表水與地下水聯(lián)合利用的可利用庫(kù)容。

(6)

式中：Vr為地下水庫(kù)的可利用庫(kù)容(m3)；μi為第i分區(qū)的含水層給水度；ΔHi為時(shí)段起始、終止時(shí)刻第i分區(qū)的地下水位下降值 (m)；Fi為第i分區(qū)的計(jì)算面積(m2)。

計(jì)算結(jié)果表明，1999年至今，由于開(kāi)采地下水而導(dǎo)致地下水庫(kù)可利用庫(kù)容為19.361 9億 m3(見(jiàn)表2)，從而為地下水的補(bǔ)給提供了巨大的可用空間。

表2 地下水庫(kù)可利用庫(kù)容計(jì)算結(jié)果

表3 地下水庫(kù)調(diào)蓄能力計(jì)算

4 地下水庫(kù)調(diào)蓄能力計(jì)算

該區(qū)雨季降水集中，汛期一般集中在7、8月份，在無(wú)工程措施條件下，對(duì)地下水庫(kù)補(bǔ)給時(shí)間短，補(bǔ)給量不足，建議應(yīng)適當(dāng)修建人工回灌補(bǔ)給工程，以便將豐水年份、豐水期來(lái)不及利用的雨洪水資源儲(chǔ)存于該地下水庫(kù)中，增大地下含水層的調(diào)蓄能力，實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的目的。

本次研究采用體積法按分區(qū)進(jìn)行地下水庫(kù)調(diào)節(jié)能力的計(jì)算，地下水庫(kù)調(diào)節(jié)能力根據(jù)地下水位變化幅度、含水層分布面積及其給水度確定。最大水位埋深充分考慮植被和作物生長(zhǎng)情況且不產(chǎn)生土地沙化，最小水位埋深考慮土地不產(chǎn)生鹽漬化等環(huán)境問(wèn)題，此外要考慮地下水循環(huán)特征和實(shí)際水位變化情況分析，經(jīng)綜合分析后確定計(jì)算所用的地下水位埋深。計(jì)算結(jié)果表明(見(jiàn)表3)，當(dāng)本區(qū)地下水位平均變化為3 m時(shí)，含水層可調(diào)蓄水量為17.422 7×108m3，相當(dāng)于一個(gè)特大型的地下水庫(kù)；當(dāng)調(diào)蓄水位上升0.5 m時(shí)，可增加調(diào)蓄水量為2.521 0×108m3，占現(xiàn)有地下水補(bǔ)給量的50%以上。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算結(jié)果表明，洮兒河沖洪積扇區(qū)具有良好的地下儲(chǔ)存空間，地下水庫(kù)的總庫(kù)容(地下儲(chǔ)存空間)為97.7×108m3/a，可利用庫(kù)容為19.36×108m3/a，含水層可調(diào)蓄水量為17.422 7×108m3，可以蓄存大量的過(guò)境洪水，可達(dá)到以豐補(bǔ)欠，地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度的目的。并且洮兒河(嫩江右岸的一大支流)從白城市鎮(zhèn)西入境穿過(guò)沖洪積扇，據(jù)鎮(zhèn)西水文站資料，多年平均徑流量為12.99億 m3，歷史最大徑流量51.38億 m3(1998)。同時(shí)，洮兒河沖洪積扇中上部地區(qū)(引滲區(qū))地表為亞砂土，厚度小，一般小于0.5 m，局部地區(qū)砂礫石直接裸露。該區(qū)的砂礫石層是沖洪積扇上滲透性最好的巖層，滲透系數(shù)一般在100～300 m/d，垂直滲漏補(bǔ)給條件好，適合采用河道、渠系、滲水井或砂坑引滲洪水。如果利用現(xiàn)有引洮入向工程、白城運(yùn)河、滿(mǎn)州代樞紐工程，加上洮兒河河道就可引洪水回灌補(bǔ)充地下水，將緩解該區(qū)水資源供需矛盾和控制地下水下降。

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1004-1184(2017)05-0046-02

2017-05-02

付曉忠(1968-)，男，吉林白城人，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源工作。