巖溶地下水源地的可開采資源量計(jì)算
——以淄博市謝家店水源地為例

袁冬梅, 齊躍明, 王俊萍, 馬于曦

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，徐州 221116)

水資源不僅是一種重要的戰(zhàn)略資源，同時(shí)也是綜合國(guó)力的重要組成部分，支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。而地下水具有水質(zhì)良好、分布廣泛、變化穩(wěn)定以及便于利用的特點(diǎn)，是理想的供水水源。在中國(guó)北方大部分地區(qū)，地下水是主要的供水水源，有時(shí)甚至是唯一的生活以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水水源[2]。而地下水庫(kù)是優(yōu)化水資源配置的一種重要手段，可以加大對(duì)降水資源的截流，提高區(qū)域水資源的利用率，還可以豐蓄枯采，調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配不均等[3]。

以往計(jì)算地下水可開采資源量的常用方法有水均衡法[4]、解析法[5]、數(shù)值法[6]、補(bǔ)償疏干法[7]等，各種方法均有其適用范圍和應(yīng)用條件，均有其對(duì)應(yīng)的缺陷。如水均衡法對(duì)于地下水資源、可開采資源量的時(shí)間、空間等方面的變化以及對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)等“動(dòng)態(tài)”信息不能夠及時(shí)且有效地體現(xiàn)出來(lái)。解析法假設(shè)條件過(guò)多，不適用于復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的水量計(jì)算。數(shù)值法方法對(duì)水位、水質(zhì)、水量等觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度要求較高，源匯項(xiàng)及邊界條件要求刻畫清楚。補(bǔ)償疏干法旱季允許借用的儲(chǔ)存量必須滿足旱季連續(xù)開采而不能中斷開采，且雨季得到的補(bǔ)給量必須把旱季借用的儲(chǔ)存量全部補(bǔ)償回來(lái)，而不能部分補(bǔ)償。相比于以上幾種方法，地下水庫(kù)調(diào)蓄法是近幾年來(lái)逐漸興起的一種方法，分為多年調(diào)節(jié)和年調(diào)節(jié)兩種類型。它能根據(jù)多年補(bǔ)給、排泄等序列數(shù)據(jù)，依據(jù)“以豐補(bǔ)歉”的思想，通過(guò)地下庫(kù)容對(duì)豐水年份或豐水季節(jié)多余的水進(jìn)行存儲(chǔ)，在枯水年份或枯水季節(jié)來(lái)加以開采利用。

地下水庫(kù)的調(diào)蓄能力取決于三個(gè)因素：一是能在降水期間獲得整個(gè)水文周期內(nèi)所需水量，即系統(tǒng)接受補(bǔ)給的能力；二是系統(tǒng)的蓄水能力，蓄水能力是評(píng)價(jià)系統(tǒng)調(diào)蓄能力最重要的標(biāo)準(zhǔn)，只有空間足夠大才能接納和釋放足夠的水量；三是系統(tǒng)的給水能力，這里所說(shuō)的給水能力不是一次給水能力，而是在天然流動(dòng)條件下，在整個(gè)水文年內(nèi)能不能滿足當(dāng)?shù)赜盟枨?，是持續(xù)給水能力。相較于地表水庫(kù)調(diào)蓄法，地下水庫(kù)調(diào)蓄法具有庫(kù)容較難于確定，受降水量影響響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，但同時(shí)又具有不占用地面空間、水質(zhì)好、能凈化區(qū)域水環(huán)境及多年調(diào)節(jié)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

地下水庫(kù)在國(guó)外常用提法是“人工補(bǔ)給含水層(artificial rechanrge of groundwater)”[8]或“含水層儲(chǔ)存與回采(aquifer storage and recovery)”。20世紀(jì)初期，美國(guó)就已經(jīng)進(jìn)行大規(guī)模人工補(bǔ)給地下水實(shí)踐工作，從1973年開始就已經(jīng)形成了較為成熟的含水層儲(chǔ)存、回采技術(shù)[9-10]。20世紀(jì)后半期，沙特開始實(shí)施“人工蓄水池補(bǔ)給管理計(jì)劃”，修建了200多個(gè)大大小小的壩，將洪水?dāng)r蓄在間歇性干涸的河谷下覆的沖積含水層中。除了美國(guó)、沙特，以色列、利比亞、荷蘭、日本、巴西等不少國(guó)家也采取了各種措施將地表水資源暫時(shí)存儲(chǔ)在地下含水層中，即地下水庫(kù)。相比于國(guó)外，對(duì)于地下水庫(kù)的研究及建設(shè)、實(shí)踐，中國(guó)要稍晚一些，但是，中國(guó)在地下水庫(kù)功能的開發(fā)上取得的成就并不小。巖溶地下水庫(kù)是近20年來(lái)逐漸為人們所了解并加以研究的熱點(diǎn)方向。2001年，第一次喀斯特地區(qū)可持續(xù)發(fā)展國(guó)際會(huì)議[11]就提出來(lái)在平原喀斯特地區(qū)建設(shè)地下水庫(kù)，更好地開發(fā)利用地下水，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。此后，陳洪元等[12]設(shè)計(jì)將羊皮寨地下河集雨區(qū)雨水資源通過(guò)引洪入庫(kù)工程引入馬官地下水庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用馬官地下水庫(kù)對(duì)于巖溶山區(qū)雨水資源的有效開發(fā)利用。李世君等[13]遵循“豐補(bǔ)旱采、以豐補(bǔ)歉”的原則，充分利用地下水庫(kù)強(qiáng)調(diào)蓄功能，在北京懷柔建設(shè)應(yīng)急水源地，以保證在連續(xù)枯水年有足夠的出水量。付曉忠等[14]利用洮兒河沖洪積扇地區(qū)巨大的地下水蓄水空間，引江河水補(bǔ)充地下水，緩解該區(qū)水資源供給矛盾。齊躍明等[15]提出可運(yùn)用補(bǔ)償疏干法來(lái)評(píng)價(jià)淄河源區(qū)地下水可開采資源量。

文獻(xiàn)分析表明，前人運(yùn)用地表水庫(kù)能實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的多年調(diào)節(jié)或年調(diào)節(jié)，利用地下水庫(kù)能有效儲(chǔ)存利用雨水資源，實(shí)現(xiàn)以豐補(bǔ)歉的目標(biāo)。然而，某些文獻(xiàn)對(duì)于形成地下水庫(kù)的水文地質(zhì)條件要求交代不足，對(duì)于地下水庫(kù)的調(diào)蓄作用更多地是停留在定性分析，而缺乏定量的可開采資源量計(jì)算。此外，以往文獻(xiàn)多研究孔隙型含水層地下水庫(kù)，而對(duì)于巖溶裂隙型地下水庫(kù)調(diào)蓄作用研究相對(duì)不足?；诖耍疚脑诂F(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，詳細(xì)地交代淄河源區(qū)謝家店水源地周邊的水文地質(zhì)條件——北博山鎮(zhèn)謝家村以上的淄河源區(qū)具有一個(gè)相對(duì)封閉的邊界條件，無(wú)側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源，大氣降水是地下水庫(kù)的唯一補(bǔ)給來(lái)源[16]。各含水層段基巖均為奧陶—寒武系灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等碳酸鹽巖類，巖溶發(fā)育程度強(qiáng)烈[17-18]，不需要建設(shè)地下?lián)跛畨伪隳苄纬捎行钏畮?kù)容的地下水庫(kù)[19]。因而可利用巖溶地下水庫(kù)年調(diào)節(jié)的方法，來(lái)計(jì)算謝家店水源地巖溶地下水源地可開采資源量，實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)厮Y源可持續(xù)開采利用，解決特殊干旱年份的用水需求，同時(shí)，亦可為地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源的相關(guān)理論或?qū)嵺`研究提供一個(gè)較為成功的應(yīng)用案例。研究亦將為當(dāng)?shù)卣涂蒲胁块T更好地制定科學(xué)合理的水資源開發(fā)方案及相關(guān)保護(hù)對(duì)策提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

謝家店水源地位于淄博市博山區(qū)南部(圖1)，屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，多年平均氣溫12 ℃，多年平均降水量720.6 mm(表1)。地貌類型為周邊中低山，中部為淄河河谷地形。出露地層主要有太古界泰山群、寒武系、奧陶系及第四系地層，地層整體產(chǎn)狀傾向北西，傾角5°～20°(圖2為沿A-B切面的剖面圖)。區(qū)內(nèi)地表水主要有石馬水庫(kù)及季節(jié)性河流淄河。區(qū)域內(nèi)主要有石馬斷裂、盆泉-北博山斷裂。

表1 博山區(qū)多年平均月降水量表

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic location map of the study area

垂直高度：水平距離=1∶1.5圖2 研究區(qū)A-B地質(zhì)剖面圖Fig.2 Regional A-B geological section

據(jù)文獻(xiàn)[15]修改圖3 研究區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.3 Hydrogeological map of the study area

三山子組-炒米店組裂隙巖溶水含水層，是該地區(qū)主要含水層之一。主要分布于淄河以東的中低山區(qū)及南博山、謝家店一帶，出露位置較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，接受大氣降水入滲及地表水滲漏補(bǔ)給。富水性較強(qiáng)，單井涌水量大于1 000 m3/d。

北庵莊組灰?guī)r含水層在淄河以西及地塹帶大部分埋藏地面以下。源泉-泉河頭一帶，頂板埋深25～130.09 m，巖溶裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙及溶洞含水豐富，也為研究區(qū)主要含水層之一。北博山-謝家店一帶，北庵莊組灰?guī)r埋藏較淺，富水性一般大于1 000 m3/d，三山子組及炒米店組白云巖、灰?guī)r含水層時(shí)，水量較大，單井涌水量一般大于3 000 m3/d。

塊狀巖類風(fēng)化裂隙水含水巖組主要分布于研究區(qū)的東南端、南端及西南端，水質(zhì)良好，為人畜可利用含水層。含水層下部完整，基巖多為花崗片麻巖，其風(fēng)化層厚度為10～30 m，含水層厚度8～25 m。地下水主要賦存于花崗片麻巖裂隙與風(fēng)化層中，屬裂隙潛水類型。地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水，水位埋深2～3 m。巖層富水性較為均勻，但單井出水量較小，小于100 m3/d，水位、水量年動(dòng)態(tài)變化顯著。

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給幾乎全部來(lái)自于大氣降水，地下水流場(chǎng)形態(tài)由地表地勢(shì)和斷裂構(gòu)造控制，地下水徑流方向是由研究區(qū)的西南部、南部向淄河河谷方向徑流，淄河斷裂帶為該區(qū)地下水的強(qiáng)徑流帶，地下水向淄河河谷方向匯流之后繼續(xù)沿淄河地塹向北東方向徑流。

2 地下水庫(kù)調(diào)蓄法

2.1 邊界條件

淄河源區(qū)西部邊界為祿由頂—橫頂村—苗山一線的地表分水嶺；南部邊界為魯山山脈一線的地表分水嶺；東部邊界為邀兔村水力隔水邊界；北部邊界為石馬斷裂，具有一個(gè)相對(duì)封閉的邊界條件，無(wú)側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源，圈定范圍面積約為300 km2。

2.2 儲(chǔ)水空間

考慮到巖溶地區(qū)有效儲(chǔ)水空間只有巖溶裂隙發(fā)育的層段即含水層段，則儲(chǔ)水空間為

(1)

式(1)中：V為地下水庫(kù)儲(chǔ)水空間，m3；F為地下水庫(kù)面積，km2；μi為第i層段含水層的給水度；Mi為第i層段含水層的厚度m。

表2 謝家店含水層段巖溶率及給水度統(tǒng)計(jì)表

將表2數(shù)據(jù)代入式(1)中得到，淄河上游地下水庫(kù)的有效儲(chǔ)水空間約為2.19×109m3。

2.3 地下水庫(kù)補(bǔ)給量

考慮到庫(kù)區(qū)邊界相對(duì)封閉隔水，因而可認(rèn)為基本無(wú)側(cè)向補(bǔ)給來(lái)源。石馬水庫(kù)作為灌溉和景觀用小型水庫(kù)，可視作內(nèi)部地表儲(chǔ)存水，其降水補(bǔ)給和綜合排泄視作內(nèi)部水量平衡過(guò)程，趨于穩(wěn)定而不單獨(dú)考慮參與計(jì)算。根據(jù)淄河源區(qū)水循環(huán)示意圖(圖4)可知，庫(kù)區(qū)內(nèi)大氣降水是庫(kù)水的唯一補(bǔ)給來(lái)源，降水后形成地表徑流和地下徑流。地表徑流在流動(dòng)過(guò)程中，很大一部分沿淄河河床發(fā)生滲漏，逐漸被第四系和碳酸鹽巖含水層所吸收，另一很小部分則為蒸發(fā)損耗(與晚間凝結(jié)水對(duì)應(yīng)，兩相對(duì)比，此項(xiàng)基本可忽略)，等到謝家店村，河流基本呈干涸狀態(tài)。

圖4 庫(kù)區(qū)水循環(huán)示意圖Fig.4 Sketch map of the water cycle in the reservoir area

淺層地下徑流主要有第四系水、碳酸鹽巖含水層水及塊狀巖類風(fēng)化裂隙水。其中碳酸鹽巖含水層水在由地勢(shì)較高處沿?cái)嗔褬?gòu)造或?qū)永怼⒐?jié)理裂隙流向淄河河谷的過(guò)程中，一部分受到隔水?dāng)鄬踊蜃杷w而溢流成泉(如謝家店泉群，泉流出后在流動(dòng)過(guò)程中又逐漸滲入地下，因此，屬于內(nèi)部水量交換)。另一部分則受地形和人工開采的影響，使地下水流動(dòng)速度加快。

根據(jù)實(shí)地考察、現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易試驗(yàn)并結(jié)合此次勘察成果，庫(kù)區(qū)巖漿巖分布區(qū)、碳酸鹽巖裸露區(qū)和第四系松散層覆蓋的各分區(qū)降雨入滲系數(shù)值如表3所示。

表3 庫(kù)區(qū)大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)表

逐月入庫(kù)流量值可依式(2)求得：

(2)

式(2)中：Qi為各月多年平均月入庫(kù)流量，m3/d；Pi為各月多年平均月降水，mm；α為分區(qū)降水入滲系數(shù)；F為分區(qū)面積，km2；θ為有效系數(shù)；ΔT為月份天數(shù)，取平均值30.4 d。

把表1中各月多年平均月降雨深代入式(2)可得庫(kù)區(qū)逐月入庫(kù)流量，如表4所示。

表4 庫(kù)區(qū)逐月入庫(kù)流量

2.4 用水量統(tǒng)計(jì)

淄河源區(qū)謝家店地下水庫(kù)的用水量主要包括工業(yè)需水量300 m3/d，農(nóng)業(yè)需水量8.82×104m3/d以及供水需水量1.5×104m3/d，共計(jì)10.65×104m3/d。

2.5 時(shí)歷列表法計(jì)算地下水庫(kù)調(diào)蓄

本次計(jì)算采用早蓄方案，就是在余水期，有余水就蓄，可以滿足用水需求后還有多余水量再棄水。由于該地下水庫(kù)基本屬于裸露型或局部覆蓋型巖溶地區(qū)，地下水補(bǔ)給滯后時(shí)間較短，6—9月為雨季，符合年調(diào)節(jié)水庫(kù)特點(diǎn)，因此，采用6月—次年5月作為水利年進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，取計(jì)算時(shí)段ΔT(取平均值30.4 d)為一個(gè)月，水庫(kù)在調(diào)節(jié)周期內(nèi)只有一次連續(xù)蓄水、供水的情況(表5)。

表5 列表法年調(diào)節(jié)計(jì)算

由表4可知，10月—次年5月為虧水期，8個(gè)月總虧水量為470 273.77 (m3/d)·月[說(shuō)明：當(dāng)ΔT為常數(shù)時(shí)，常用“流量·時(shí)間”為單位表示水量，例如(m3/d)·月，適應(yīng)于地下水庫(kù)或(m3/s)·月，適應(yīng)于地表水庫(kù)]。1(m3/d)·月=30 m3。同理1(m3/s)·月=2 626 560 m3，6—9月為余水期，4個(gè)月總余水量為629 830.06 (m3/d)·月。余水期多余的水量遠(yuǎn)超過(guò)虧水期所缺少的水量。所以余水期只需要蓄470 273.77 (m3/d)·月的水量，即可滿足本年用水需要。根據(jù)水庫(kù)的運(yùn)行方式可得出水庫(kù)各月的蓄水量變化情況及水庫(kù)棄水。

計(jì)算結(jié)果可根據(jù)水量平衡關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)算，年來(lái)水流量應(yīng)該等于年用水量與棄水量之和，即：1 278 000+159 556.29=1 437 556.29 [(m3/d)·月]；年余水量應(yīng)該等于虧水量與棄水量之和，即：470 273.77+159 556.29=629 830.06 [(m3/d)·月]。經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果無(wú)誤。

2.6 可開采資源量計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知，余水量大于虧水量，即余水期的補(bǔ)給可以滿足虧水期的需水量，甚至還有足夠盈余，也就是說(shuō)二者之差棄水量，成為一部分可以加以利用的水量。可開采資源量除設(shè)計(jì)供水需水量1.5×104m3/d，還可將棄水量平均至全年的部份也包括進(jìn)去，從而擴(kuò)大了可開采資源量。按照此思路，由式(3)可求得淄河源區(qū)謝家店地下水水源地的可開采資源量為2.74×104m3/d。顯然，這個(gè)是理想情況下最大的可開采資源量。

Q最大可開=供水需水量+月平均棄水量=

2.74×104m3/d

(3)

然而，考慮到地下水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)也要考慮到區(qū)域水環(huán)境水資源更新需要及氣候波動(dòng)的情況，因此，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，需在上述計(jì)算的基礎(chǔ)上，乘以一個(gè)安全系數(shù)，一般取0.8，來(lái)作為源區(qū)能可持續(xù)開采的水資源量，即有：

Q可開=0.8Q最大可開≈2.19×104m3/d

(4)

3 結(jié)果與討論

由于淄河源區(qū)降雨徑流具有年周期的特點(diǎn)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，采用地下水庫(kù)年調(diào)節(jié)的方法來(lái)進(jìn)行可開采資源量的計(jì)算。地下庫(kù)容通過(guò)匯水面積、含水層分布和有效空隙率等來(lái)綜合確定。

依據(jù)鉆孔巖心含水層分層統(tǒng)計(jì)資料結(jié)合飽水試驗(yàn)、給水試驗(yàn)等，得出研究區(qū)巖溶地下空間容納體積約為2.19×109m3。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)謝家店地下水庫(kù)用水量為10.65×104m3/d。依據(jù)“以豐補(bǔ)歉”的思想，將雨季開采外的余水量充分利用，供虧水期維持正常開采，運(yùn)用地下水庫(kù)年調(diào)節(jié)方法，計(jì)算得出可開采資源量為2.19×104m3/d?？紤]到地下水庫(kù)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)和區(qū)域水環(huán)境水資源更新需要及氣候波動(dòng)的情況，取0.8的安全系數(shù)，以保證能滿足源區(qū)可持續(xù)開采水資源量，實(shí)現(xiàn)采補(bǔ)平衡。

綜合表明，地下水庫(kù)調(diào)蓄法充分利用了巖溶地下儲(chǔ)水空間的調(diào)蓄功能，能夠克服其他水資源量評(píng)價(jià)方法的弊端，且具有很好的地域適應(yīng)特點(diǎn)，不僅適用于巖溶發(fā)育良好地段，且同樣可用于松散介質(zhì)和裂隙介質(zhì)的地下水庫(kù)。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)“以豐補(bǔ)歉、采補(bǔ)平衡”的思想，來(lái)合理規(guī)劃利用巖溶地下水庫(kù)是解決區(qū)域水資源不足的一種非常好的途徑。能有效緩解水資源供需矛盾，提高城市供水保障程度，對(duì)維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。

(2)運(yùn)用地下水庫(kù)調(diào)蓄法時(shí)，要使之能攔截地下徑流，增加地下水的儲(chǔ)蓄量，提高水資源利用率，且受降雨量影響變化慢，多年調(diào)節(jié)性強(qiáng)。因此巖溶山區(qū)可充分利用地下空間，修建以含水層為調(diào)蓄空間的蓄水實(shí)體。

(3)根據(jù)淄河源區(qū)降水情況，可適當(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，補(bǔ)償巖溶地下含水層旱季水分虧缺，從而實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)優(yōu)化利用的目的。