基于水均衡法的宿州市城西水源地地下水資源量評價

，

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

宿州市是一座正在崛起的新興工業(yè)城市、著名的煤炭能源基地、糧棉油生產(chǎn)基地，市轄區(qū)多年平均地下水資源量為4.65×108m3，城市供水長期依賴地下水。

宿州市城西水源地已被列為國家第二批重要飲用水水源地，是城區(qū)唯一的飲用水供水水源地。宿州市城區(qū)自1958年建設(shè)一水廠以來，城西水源地已累計向城市供水20多億方，為宿州市的城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。但是，伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，宿州市用水需求越來越大，水資源供需矛盾越來越突出，特別是近年來，城市發(fā)展加速，用水量迅速攀升，城西水源地取水負(fù)荷加大，城西水源地供水狀況已令人擔(dān)憂。因此，開展宿州市城西水源地地下水資源量評價，可為宿州市城市發(fā)展提供水安全保障。

1 評價區(qū)概況

1.1 評價區(qū)位置

宿州市位于安徽省東北部，襟連沿海，背倚中原，素有安徽省北大門之稱。地理坐標(biāo)：東經(jīng)116°09′-118°10′、北緯33°18′-34°38′，轄1個市轄區(qū)、4個縣，總面積9 787 km2，總?cè)丝?42.32萬人，市政府駐埇橋區(qū)。

評價區(qū)北至泗許高速，南到桃園煤礦，西自宿州市界，東到朱仙莊煤礦，面積350 km2。大地坐標(biāo)：X: 3709500—3733000，Y: 20486353—20513000。城西水源地評價區(qū)塊的選取主要是考慮到泗許高速以北中深層及深層含水砂層不發(fā)育；西邊界只能到宿州市市界；東側(cè)受制于朱仙莊煤礦、南側(cè)受制于桃園煤礦。

1.2 氣象水文

評價區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，特點(diǎn)為冬季干寒、夏季多雨、四季分明。多年平均氣溫14.6℃，多年平均降水量為865 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 589.4 mm，多年平均相對濕度為71%。

評價區(qū)地表水系屬淮河水系。主要河流有新汴河、沱河，水位、流量明顯受季節(jié)性降水控制，旱季斷流，雨季往往成災(zāi)。其中新汴河橫貫城市區(qū)中部，為本區(qū)最大河流，全長127 km。50 a一遇排洪流量1 720 m3/s，河底寬90～115 m。

圖1 城西水源地位置圖

1.3 地形地貌

評價區(qū)地形平坦，地面標(biāo)高一般為24～27 m，最低23.2 m。地形總趨勢西北和北部稍高，向東南和南緩傾，地形坡降約1/8 000。評價區(qū)一類地貌單元為淮北平原，按成因類型可劃分為沖積平原和堆積剝蝕平原兩個亞類，微地貌形態(tài)可劃分為故河道微高地、泛濫微高地、泛濫坡平地、決口扇形地、河間洼地、河間平地。

1.4 地質(zhì)概況

評價區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)淮河地層分區(qū)淮北地層小區(qū)。

前第四紀(jì)地層主要是寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、第三系，下伏于第四系松散層之下，頂板埋深100～300 m。

第四紀(jì)地層主要是下更新統(tǒng)(Q1)、中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)及全新統(tǒng)(Q4)，厚80～100 m，北薄南厚，成因類型以沖積為主，次為沖洪積。

2 評價區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 含水巖組的劃分

根據(jù)地下水貯水介質(zhì)的特征，含水空隙的類型，城西水源地地下水資源評價目標(biāo)層主要為松散巖類孔隙含水巖組，依據(jù)其埋藏條件、巖性組合、水力性質(zhì)等可劃分出不同的亞類，見表1。

2.1.1 淺層含水層組

含水層位相當(dāng)于晚更新統(tǒng)，為宿州市農(nóng)業(yè)及農(nóng)村居民生活供水的主要開采層位。埋深多在30 m以淺，一般發(fā)育2～3層砂，其顆粒較細(xì)，以粉砂為主，次為粉細(xì)砂，局部細(xì)砂，砂層累計厚度一般為5～15 m，最厚達(dá)22 m。其中北部沿濉河引河至朱仙莊鎮(zhèn)方向砂層較厚，多在10～15 m；南部砂層厚度多在5～10 m之間。水力性質(zhì)為潛水～微承壓水，水位埋深1.0～3.0 m，導(dǎo)水系數(shù)30～280 m2/d。水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Mg或HCO3-Na型水為主，溶解性總固體小于1.0 g/L，硬度一般為324.6～280 mg/L。

表1 城西水源地含水巖組劃分表

2.1.2 中深層含水層組

屬早、中更新統(tǒng)，是目前宿州市城市供水主要開采層位，也是本次勘查的目標(biāo)層位。該層埋深多在30～100 m之間，發(fā)育3～4層砂層，巖性以細(xì)砂為主，次為中細(xì)砂，局部粗砂，累計厚度5～45 m不等，其中沿宿永公路—城西—前付—沿宿固路向南砂層厚度多30～45 m之間，僅除東北部和西南部砂層厚度小于10 m外，其余地區(qū)砂層厚度均在10～30 m之間。水力性質(zhì)為承壓水，砂層底板埋深為40～90 m。水質(zhì)優(yōu)良，水化學(xué)類型以HCO3-Ca·Na或HCO3-Na·Ca型為主，溶解性總固體小于1.0 g/L，硬度一般為195～317 mg/L。

圖2 城西水源地水文地質(zhì)剖面圖

2.1.3 深層含水層組

隱伏于第二弱透水層組之下，由新近系構(gòu)成，為深層含水系統(tǒng)。頂板埋深在100 m左右，底板埋深150 m，一般發(fā)育1～2層砂，砂層發(fā)育很不均勻，新汴河以北含水砂層不發(fā)育，新汴河以南地區(qū)砂層厚度普遍在15～20 m之間，評價區(qū)東南部砂層累計厚度可達(dá)20～35 m。巖性以細(xì)砂、中砂為主，次為粗砂、粉砂，多為泥質(zhì)或鈣質(zhì)半膠結(jié)，水量貧乏，導(dǎo)水系數(shù)多小于150 m2/d，水位埋深大，多在10～12 m。水質(zhì)較差，以HCO3·SO4—Na·Mg型水為主，富水程度由南東向北西漸弱。

2.2 地下水補(bǔ)徑排條件

2.2.1 淺層地下水

降水入滲補(bǔ)給是城西水源地地下水的主要補(bǔ)給來源。淺層地下水徑流受地形和開采雙重影響，評價區(qū)北部、西南部水位較高，中部城區(qū)水位低，呈北西-南東條帶狀分布。北部及西南部水位標(biāo)高多大于25 m，自來水公司井群區(qū)已形成降落漏斗，中心水位標(biāo)高小于5 m，水力坡度1/100～2.5/100。淺層地下水排泄主要有四種方式：一是蒸發(fā)排泄；二是農(nóng)村生活用水、農(nóng)灌用水的分散開采和鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水的集中開采；三是受城市供水集中開采影響，淺層地下水通過“天窗”和越流向中深層地下水排泄；四是在城西水源地南側(cè)邊緣以層間徑流形式向下游緩慢排泄。

2.2.2 中深層地下水

中深層地下水屬承壓水類型，其補(bǔ)給來源主要是通過“天窗”或通過越流接受淺層地下水的補(bǔ)給；其次接受區(qū)域上游層間側(cè)向徑流補(bǔ)給。因城市供水集中開采，評價區(qū)均處于地下水降落漏斗之內(nèi)，地下水由四周向城區(qū)匯流，城區(qū)邊緣水位標(biāo)高20～25 mm，漏斗中心水位標(biāo)高小于-5 m，水力坡度1/100～2.5/100。城鎮(zhèn)供水集中開采是中深層地下水的主要排泄方式。

2.2.3 深層地下水

深層含水系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，徑流滯緩，接受微弱的層間徑流補(bǔ)給，受部分深井開采影響，評價區(qū)周邊的地下水向城區(qū)匯流，人工開采是城西水源地深層地下水的主要排泄方式。

3 地下水資源量評價

3.1 計算范圍與模型概化

本次計算范圍擬選定評價區(qū)范圍，水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化為三層：即淺層含水層組、中間弱透水層組和中深層含水層組。淺層含水層組與中深層含水層組之間的弱透水層分布不穩(wěn)定，厚薄不均，存在天窗。根據(jù)松散砂層及粘性土層中地下水動態(tài)的長期觀測，淺、中深層地下水聯(lián)系密切，補(bǔ)給來源相同，實(shí)質(zhì)上兩個含水層已共同構(gòu)成了一個巨大的地下水庫。

評價區(qū)內(nèi)松散層底部巖性主要為新第三系頂部的厚層灰綠色粘土，局部為膠結(jié)、半膠結(jié)狀泥巖，隔水性能好，因此作為模型的底板，處理為隔水邊界；評價區(qū)頂部為一開放邊界，與大氣降水、地表水等聯(lián)系較為密切，因地下水位長期觀測資料較全，故處理為一類邊界；評價區(qū)四周均為透水邊界；地表水體底部巖性主要為粉質(zhì)粘土、河床淤泥，處理為弱透水邊界；由于地表水、地下水補(bǔ)排關(guān)系隨季節(jié)變化，所以也處理為流量邊界。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)的確定

3.2.1 降雨入滲系數(shù)

依據(jù)《宿州鄰近地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告》，粉質(zhì)粘土區(qū)降雨入滲系數(shù)取值為0.25，粉土區(qū)為0.30，城區(qū)及周邊地面硬化區(qū)降雨入滲系數(shù)取值為0.1。

3.2.2 潛水蒸發(fā)強(qiáng)度

選取無開采、無降水的地段、時段，根據(jù)其地下水位長期監(jiān)測資料，采用阿維利揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算：

(1)

水面蒸發(fā)強(qiáng)度依據(jù)氣象資料確定；地下水蒸發(fā)極限深度依據(jù)《宿州鄰近地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告》，粉土地帶蒸發(fā)極限深度取4.8 m左右，粉質(zhì)粘土分布區(qū)蒸發(fā)極限深度取4.08 m左右；潛水面埋深采用水位觀測數(shù)據(jù)。計算結(jié)果：淺層地下水位漏斗中心區(qū)地下水位埋深在蒸發(fā)極限以下，蒸發(fā)強(qiáng)度為0；宿州城區(qū)及周邊的地面硬化區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)度為0；由于城市建設(shè)，宿州市地面硬化范圍不斷增大，至2015年，硬化區(qū)和零蒸發(fā)區(qū)以外的其余地區(qū)地表基本為粉質(zhì)粘土所覆蓋，根據(jù)年平均水位埋深將蒸發(fā)強(qiáng)度確定為0.103～0.336 m。

3.2.3 灌溉回滲系數(shù)

評價區(qū)灌區(qū)基本為粉質(zhì)粘土所覆蓋，灌溉回滲系數(shù)依據(jù)《宿州鄰近地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告》取0.10。

3.2.4 河流側(cè)滲系數(shù)

根據(jù)合肥工業(yè)大學(xué)2013年12月提交的《宿州市沱河近代沉積物野外原位滲透測試報告》，選取沱河、新汴河的河床滲透系數(shù)為0.027 6 cm/d。

3.2.5 淺層含水層導(dǎo)水系數(shù)

淺層含水層倒水系數(shù)及給水度依據(jù)《宿州鄰近地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告》選取。

3.2.6 中深層含水層組導(dǎo)水系數(shù)和彈性釋水系數(shù)

中深層含水層組導(dǎo)水系數(shù)和彈性釋水系數(shù)依據(jù)《宿州鄰近地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)綜合詳查報告》選取。

3.3 淺層地水資源量評價

3.3.1 數(shù)學(xué)模型

補(bǔ)給量-排泄量=儲存量的變化量

(2)

其中：Q降水為降雨入滲補(bǔ)給量(m3/a)；Q河補(bǔ)為河流補(bǔ)給量(m3/a)；Q回灌為灌溉回滲量(m3/a)；Q側(cè)補(bǔ)為側(cè)向徑流補(bǔ)給量(m3/a)；Q蒸發(fā)為蒸發(fā)排泄量(m3/a)；Q河排為河流排泄量(m3/a)；Q側(cè)排為側(cè)向徑流排泄量(m3/a)；Q天排為通過天窗排向中深層地下水的量(m3/a)；Q越排為越流排泄量(m3/a)；Q開采為淺層地下水的開采量(m3/a)；Ui為淺層含水層給水度(無量綱) ；Fi為均衡計算區(qū)面積(m2) ；Hi為水位變動幅度(m) ；Δti為均衡期(a)。

3.3.2 均衡要素的確定

(1)降雨入滲量

Q降入=P·a·F

(3)

式中：P為年降雨量(m)；a為降雨入滲系數(shù)(無量綱)；F為降雨入滲補(bǔ)給區(qū)面積(m2)。

(2)蒸發(fā)量

Q蒸發(fā)=ε·F

(4)

式中：ε為地下水蒸發(fā)強(qiáng)度(m/a)；F為蒸發(fā)區(qū)面積(m2)。

(3)農(nóng)灌地下水開采量及灌溉回滲量

Q回灌= F·α

(5)

式中： F為灌溉區(qū)面積(m2)；α為灌溉回滲系數(shù)(無量綱)。

(4)河流補(bǔ)給量及河流排泄量

Q河流= K·B·L·J·t

(6)

式中：Q河流為河流補(bǔ)給量或河流排泄量(m3/a)；K為河流側(cè)滲系數(shù)(m/d)；B為河流側(cè)滲帶寬度(m)；L為河流側(cè)滲段長度(m)；J為平均水力坡度(無量綱)；t為補(bǔ)排時間(d)。

(5)側(cè)向徑流量

Q側(cè)= J·L·T

(7)

式中：Q側(cè)為側(cè)向徑流量(m3/d)；J為側(cè)向徑流邊界水力坡度(無量綱)；L為垂直地下水流向的徑流帶寬度(m)；T為含水層的導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)。

(6)農(nóng)村人畜供水開采量

根據(jù)評價區(qū)農(nóng)業(yè)人口數(shù)、城鎮(zhèn)人口數(shù)及牲畜頭數(shù)，再根據(jù)用水定額，并進(jìn)一步確定人畜供水開采量。

(7)越流量

Q越= B·ΔH·F

(8)

式中：Q越為越流排泄量(m3/d)；B為越流系數(shù)(1/d)；ΔH為淺深層地下水水位差(m)；F為越流區(qū)面積(m2)。

(8)儲存量的變化量

(9)

式中：Q疏為疏干給水量(m3/a)；μi為疏干給水度(無量綱)；Fi為計算區(qū)面積(m2)；ΔHi為地下水位下降幅度(m)；Δti為均衡期(a)；

3.3.3 淺層地下水資源計算結(jié)果

淺層地下水資源計算結(jié)果見表2、3、4。

3.4 中深層地水資源量評價

3.4.1 數(shù)學(xué)模型

(Q側(cè)補(bǔ)+Q越補(bǔ)+Q天補(bǔ))+Q彈釋=Q開采

(10)

式中：Q側(cè)補(bǔ)為側(cè)向徑流補(bǔ)給量(m3/a)；Q越補(bǔ)為越流補(bǔ)給量(m3/a)；Q天補(bǔ)為天窗區(qū)入滲補(bǔ)給量(m3/a)；Q彈釋為動用的彈性儲存量(m3/a)；Q開采為宿州市地下水年開采量(m3/a)；

3.4.2 中深層地下水資源計算結(jié)果

中深層地下水資源計算結(jié)果見表5。

表2 補(bǔ)給量計算結(jié)果表 104m3/a

表3 排泄量計算結(jié)果表 104m3/a

表4 現(xiàn)狀開采條件下淺層地下水資源計算結(jié)果表 104m3/a

表5 中深層地下水資源計算結(jié)果匯總表 104m3/a

4 結(jié)語

基于水衡法計算結(jié)果表明，宿州市城西水源地地下水補(bǔ)給資源量為5 631.42×104m3/a(15.43×104m3/d)，從采補(bǔ)平衡角度出發(fā)，確定可采資源量為15萬 m3/d。在地下水開發(fā)利用過程中，需高度重視宿州市城西水源地保護(hù)，完善地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對城西水源地進(jìn)行全面監(jiān)控。