榆林市榆陽泉域地下水量均衡分析

田國林，王俊杰

(1.陜西地礦九〇八環(huán)境地質(zhì)有限公司，陜西 西安 710600；2.陜西地礦地質(zhì)工程勘查院有限公司，陜西 西安 710600)

泉是地下水的天然露頭，在地形面與含水層或含水通道相交點(diǎn)地下水出露成泉[1]。泉域地下水環(huán)境易受人工開發(fā)利用的影響，徐軍祥[2]等分析了濟(jì)南泉域地下水環(huán)境演化與保護(hù)，劉萍[3]等分析了洪山泉巖溶地下水水量均衡特征，黃奇波[4]等分析了柳林泉域巖溶地下水區(qū)域演化規(guī)律及控制因素，梁永平[5]等對(duì)引起娘子關(guān)泉流量的衰減原因進(jìn)行了初步量化計(jì)算。

榆陽泉位于陜西省榆林市東郊，泉水出露于榆溪河支流榆陽河源，常年流量約5 000 m3/d，水化學(xué)類型呈HCO3-Ca·Mg型，為天然弱堿性富鍶礦泉水。由于泉流量穩(wěn)定且水質(zhì)優(yōu)良，榆陽泉負(fù)責(zé)向榆林城區(qū)東沙片區(qū)集中供水。受人工開采影響，榆陽泉域水量均衡發(fā)生了一定變化，為分析人工開采對(duì)泉域的影響，則需要對(duì)泉域的水量均衡進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

榆陽泉域地勢總體東北高而西南低，海拔1 090～1 220 m。泉域地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣的過渡地帶，屬低山丘陵區(qū)，以黃土梁峁、沙漠灘地和沙蓋黃土梁峁地形為主，地形起伏總體上起伏較大，在灘地較平坦，黃土沖溝發(fā)育的區(qū)域地形起伏較大，溝谷切割較深，部分超過70 m，地形破碎。泉域范圍為：北至頭道河則的分水嶺，東至青云溝的分水嶺，南至榆陽河中游支溝的分水嶺，西至普惠泉泉域的分水嶺，總面積為11.876 3 km2(圖1)。

圖1 榆陽泉域地理位置圖

1.2 氣象水文

榆林市屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，日較差大，春季干旱多風(fēng)沙，夏季干旱，降雨集中歷時(shí)短，秋季較為濕潤，冬季干寒，西北風(fēng)盛行。年均氣溫7.89℃～9.6℃，最高氣溫39.6℃，最低零下32.7℃，年降水量400 mm左右，榆陽區(qū)多年平均降雨量為444 mm，其中65%的降雨集中在7-9月份，暴雨較多，時(shí)間短，強(qiáng)度大。年蒸發(fā)量較大，在1 700～2 000 mm，屬蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量地區(qū)，年日照2 600～2 900 h，無霜期116～215 d。

榆林市屬黃河流域，榆溪河穿過榆林市市區(qū)，屬黃河一級(jí)支流無定河的支流，其發(fā)源于榆林市榆陽區(qū)小壕兔鄉(xiāng)刀兔海子西的水掌泉，為榆陽區(qū)內(nèi)最大的河流。榆溪河支流較多，有頭道河、二道河、芹河、榆陽河、沙河等十余條支流，榆陽泉泉域范圍及周邊河流主要為上游的頭道河和下游的青云溝河，以及榆陽泉下游的榆陽河。榆陽泉泉域所在的溝域?yàn)橛荜柡訙嫌?，榆陽河起源于榆陽泉，榆陽泉?dú)v史流量約為5 000 m3/d，自榆陽區(qū)修建自來水廠進(jìn)行城市供水后，現(xiàn)僅留兩條小支溝的泉水及溝谷泉水的排泄，流量約為300 m3/d。

2 泉域地下水量均衡分析

2.1 泉域水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)為榆林市榆陽區(qū)所轄水掌溝上游的榆陽泉泉域，北至頭道河則的分水嶺，東至青云溝的分水嶺，南至水掌溝中游支溝的分水嶺，西至普惠泉泉域的分水嶺，由此構(gòu)成一個(gè)三面封閉向南敞開的相對(duì)獨(dú)立的水流體系，大地坐標(biāo)X=393 554～397 346 m，Y=4 241 388～4 246 136 m，泉域總面積為11.876 3 km2。地貌類型包括河谷漫灘、沙蓋黃土梁崗、黃土梁崗及灘地地貌(圖2)。

圖2 榆陽泉泉域水文地質(zhì)概念模型圖

2.2 泉域水文地質(zhì)參數(shù)確定

本次評(píng)價(jià)工作所需的水文地質(zhì)參數(shù)主要包括：給水度(μ)、大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(α)、農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)(βi)、凝結(jié)水補(bǔ)給模數(shù)(M凝)等，各參數(shù)根據(jù)本次調(diào)查及前人成果綜合確定。

2.2.1 給水度(μ)

根據(jù)前人成果，風(fēng)積黃土層給水度取0.05，沖洪積砂層給水度取0.17。

2.2.2 大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(α)

大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)可利用流量長觀資料計(jì)算，泉域?yàn)槿判?，則可利用泉水排泄量反求降水入滲系數(shù)α，即：

α=Q/P·F

(1)

式中：α為大氣降水入滲系數(shù)；P為計(jì)算期內(nèi)降水量(m)；F為計(jì)算域面積(m2)；Q為計(jì)算期內(nèi)地下水總溢出量(m3)。

據(jù)此，分析泉域流量長觀資料，分割出基流量，再結(jié)合泉域面積及相應(yīng)時(shí)期的降水量，即可進(jìn)行入滲系數(shù)的計(jì)算。

根據(jù)我公司以往在該泉域完成的流量長觀工作并結(jié)合條件類似地區(qū)所取得的成果，確定區(qū)內(nèi)不同地貌單元降水入滲系數(shù)為：沙蓋黃土梁崗區(qū)0.40，黃土梁崗區(qū)0.08，河谷漫灘區(qū)0.30，灘地區(qū)0.35；

2.2.3 農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)(βi)

根據(jù)前人成果，農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)為：川水地0.30，水澆地0.35。

2.2.4 凝結(jié)水補(bǔ)給模數(shù)(M凝)

根據(jù)前人成果，凝結(jié)水補(bǔ)給模數(shù)取1.117 0×104m3/a·km2。

2.3 泉域地下水補(bǔ)給量、排泄量及均衡分析

2.3.1 補(bǔ)給量

榆陽泉泉域地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給、凝結(jié)水補(bǔ)給和農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給。由于區(qū)內(nèi)農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量屬人類活動(dòng)條件下增加的補(bǔ)給量，故在補(bǔ)給量計(jì)算中予以扣除。

(1)大氣降水入滲補(bǔ)給量

大氣降水入滲補(bǔ)給量采用降水入滲系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

(2)

式中：Q降補(bǔ)為大氣降水入滲補(bǔ)給量(m3/d)；P為年降水量(m/a)；Fi為不同地貌單元的面積(m2)；αi為不同地貌單元的降水入滲系數(shù)；n為地貌單元的個(gè)數(shù)。

根據(jù)榆林氣象站1961-2018年歷時(shí)58年的降水資料頻率分析結(jié)果，并結(jié)合大氣降水入滲補(bǔ)給系數(shù)分區(qū)，對(duì)榆陽泉泉域按不同保證率計(jì)算大氣降水入滲補(bǔ)給量(表1)。泉域內(nèi)多年平均大氣降水入滲補(bǔ)給量為4 789.18 m3/d，當(dāng)降水量為理論頻率25%、50%、75%、90%、95%時(shí)，大氣降水入滲補(bǔ)給量分別為5912.40 m3/d、4 916.51 m3/d、4 121.54 m3/d、3 562.44 m3/d、3 291.76 m3/d。

表1 大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算成果表

(2)凝結(jié)水入滲補(bǔ)給量

凝結(jié)水補(bǔ)給量計(jì)算公式為：

Q凝補(bǔ)=M凝F凝t凝/365

(3)

式中：F凝補(bǔ)為全年日平均凝結(jié)水補(bǔ)給量(m3/d)；M凝為凝結(jié)水補(bǔ)給模數(shù)；F凝為凝結(jié)水補(bǔ)給發(fā)生的面積(m2)；T凝為凝結(jié)水補(bǔ)給發(fā)生的時(shí)間(d)；

凝結(jié)水補(bǔ)給只發(fā)生在沙蓋黃土梁崗區(qū)，泉域內(nèi)沙蓋黃土梁崗區(qū)面積為10.553 0 km2；凝結(jié)水補(bǔ)給發(fā)生的時(shí)期為每年的7、8、9三個(gè)月，共92天；凝結(jié)水補(bǔ)給模數(shù)可采用前人的成果，為1.117×104m3/a·km2，據(jù)此可計(jì)算出區(qū)內(nèi)凝結(jié)水全年平均補(bǔ)給量為322.95 m3/d(凝結(jié)水補(bǔ)給期平均補(bǔ)給量為1 281.27 m3/d)。

(3)農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量

農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量采用農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

(4)

式中Q灌補(bǔ)為農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量(m3/d)；Q灌i為農(nóng)灌用水量(m3/d)；βi為農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)；t灌為灌溉時(shí)間(d)。

根據(jù)本次調(diào)查期間調(diào)查的區(qū)內(nèi)農(nóng)田分布狀況、灌溉定額、灌溉時(shí)間等資料，泉域內(nèi)共有水澆地115.20畝，灌溉定額為250 m3/(畝.a)，年灌溉時(shí)間為183 d，農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)為0.35；川水地13.20畝，灌溉定額為480 m3/(畝·a)，年灌溉時(shí)間為183 d，農(nóng)灌回歸補(bǔ)給系數(shù)為0.30。經(jīng)計(jì)算泉域內(nèi)農(nóng)灌期平均農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量為65.47 m3/d，多年平均農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量為32.82 m3/d。

表2 榆陽泉泉域農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量計(jì)算成果表

綜上，泉域多年平均地下水補(bǔ)給量為5 144.00 m3/d，其中大氣降水入滲補(bǔ)給量4 789.18 m3/d，凝結(jié)水補(bǔ)給量322.00 m3/d，農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量32.82 m3/d。扣除農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量后，泉域多年平均地下水天然補(bǔ)給量為5 111.18 m3/d。

2.3.2 排泄量

(1)地表水體排泄量

根據(jù)本次實(shí)際調(diào)查，榆陽泉泉域地表水體主要為小支溝泉水溢出，地表水體排泄量Q地表=19.20 m3/d。

(2)人工開發(fā)利用量

榆陽泉泉域地下水人工開發(fā)利用主要包括生活飲用和農(nóng)田灌溉，其中生活飲用包含榆陽泉集中供水、機(jī)民井分散供水，農(nóng)田灌溉包括引流灌溉、機(jī)民井灌溉。

根據(jù)本次實(shí)際調(diào)查，榆陽泉現(xiàn)狀供水量為7 300 m3/d；機(jī)民井分散供水人數(shù)共450人，按95L/人·d計(jì)算機(jī)民井分散供水量為42.75 m3/d；農(nóng)田灌溉水量為96.26 m3/d，則人工開發(fā)利用量Q人工=7 439.01 m3/d。

(3)側(cè)向徑流排泄量

榆陽泉泉域地下水側(cè)向徑流排泄發(fā)生在水掌溝上游河谷區(qū)，根據(jù)實(shí)際調(diào)查并參考前人成果，含水層厚度15.00 m，排泄寬度100.27 m，水力梯度5‰，滲透系數(shù)0.570 9 m/d，則側(cè)向徑流排泄量Q側(cè)排=4.29 m3/d。

(4)潛水蒸發(fā)排泄量

榆陽泉泉域潛水蒸發(fā)排泄主要發(fā)生在河谷漫灘區(qū)，根據(jù)實(shí)際調(diào)查并參考前人成果，河谷漫灘區(qū)地下水位一般為0.50～1.50 m，平均1.00 m。根據(jù)泉域地貌分區(qū)，河谷漫灘區(qū)面積為0.112 4 km2；蒸發(fā)度E0依據(jù)氣象部門蒸發(fā)資料，取1 195.50 mm；潛水蒸發(fā)極限深度△0及指數(shù)n依據(jù)均衡試驗(yàn)場資料取值。潛水蒸發(fā)量按阿維楊諾夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，公式為：

E蒸發(fā)=∑(0.001×Ei×Ei/365)

Ei=0.62×E0×(1-Δi/Δ0)n

式中：E蒸發(fā)為潛水蒸發(fā)量(m3/d)；Ei為第i區(qū)潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(mm)；Fi為第i區(qū)潛水蒸發(fā)面積(m2)；E0為氣象站蒸發(fā)皿蒸發(fā)度(mm)；△i為第i區(qū)潛水水位埋深(m)；△0為潛水蒸發(fā)極限深度(m)；n為指數(shù)(一般1～3，本次取2)。

泉域蒸發(fā)極限深度(△0)，依據(jù)內(nèi)蒙古伊金霍洛旗的均衡試驗(yàn)場成果，并參考甘肅省張掖市均衡試驗(yàn)場成果資料，綜合確定粉細(xì)砂土的蒸發(fā)極限深度(△0)為3 m；潛水位埋深小于3m的區(qū)域面積為0.112 4 km2，依據(jù)潛水蒸發(fā)量阿維楊諾夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的泉域地下水總蒸發(fā)量為100.43 m3/d。

綜上，泉域排泄量合計(jì)7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量19.20 m3/d，人工開發(fā)利用量7 439.01 m3/d，側(cè)向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發(fā)排泄量100.43 m3/d。

2.3.3 均衡分析

(1)均衡期

根據(jù)實(shí)際調(diào)查，榆陽泉近三年(2016-2018年)的供水量穩(wěn)定在7 300 m3/d，確定均衡期為2016-2018年。

(2)均衡計(jì)算

根據(jù)榆陽泉泉域水文地質(zhì)概念模型，泉域補(bǔ)給量包含大氣降水入滲補(bǔ)給量、凝結(jié)水補(bǔ)給量、農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量，排泄量包含地表水體排泄量、人工開發(fā)利用量、側(cè)向徑流排泄量、潛水蒸發(fā)排泄量。均衡計(jì)算公式如下：

Q均衡=Q降補(bǔ)+Q凝補(bǔ)+Q灌補(bǔ)-Q地表-Q人工-Q側(cè)排-E蒸發(fā)

式中：E蒸發(fā)為潛水蒸發(fā)量(m3/d)；Q降補(bǔ)為大氣降水入滲補(bǔ)給量(m3/d)；Q凝補(bǔ)為凝結(jié)水補(bǔ)給量(m3/d)；Q灌補(bǔ)為農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量(m3/d)；Q地表為地表水體排泄量(m3/d)；Q人工為人工開發(fā)利用量(m3/d)；Q側(cè)排為側(cè)向徑流排泄量(m3/d)；Q均衡為均衡差(m3/d)。

根據(jù)補(bǔ)給量及排泄量計(jì)算結(jié)果，榆陽泉泉域多年平均大氣降水入滲補(bǔ)給量為4 789.18 m3/d。均衡期內(nèi)補(bǔ)給量合計(jì)7 446.70 m3/d，其中大氣降水入滲補(bǔ)給量為7 091.88 m3/d，凝結(jié)水補(bǔ)給量322 m3/d，農(nóng)灌回歸補(bǔ)給量32.82 m3/d；排泄量合計(jì)7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量為19.20 m3/d，人工開發(fā)利用量7 439.01 m3/d，側(cè)向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發(fā)排泄量100.43 m3/d。因此，泉域現(xiàn)狀水均衡整體為負(fù)均衡，均衡差為-15.80 m3/d(表3)。

表3 榆陽泉泉域現(xiàn)狀水均衡計(jì)算成果表 m3/d

根據(jù)榆林氣象站降水資料，榆林市2016-2018年降水量較大，為相對(duì)豐水年，榆陽泉泉域現(xiàn)狀水均衡處于相對(duì)均衡狀態(tài)。但須說明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡則為負(fù)均衡，主要由于現(xiàn)狀開采量超過了允許開采量。

3 結(jié)語

(1)榆陽泉域多年平均地下水補(bǔ)給量為5 144.00 m3/d，其中大氣降水入滲補(bǔ)給量4 789.18 m3/d，凝結(jié)水補(bǔ)給量322.00 m3/d，農(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量32.82 m3/d?？鄢r(nóng)灌回歸水補(bǔ)給量后，泉域多年平均地下水天然補(bǔ)給量為5 111.18 m3/d。

(2)榆陽泉域排泄量合計(jì)7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量為19.20 m3/d，人工開發(fā)利用量7 439.01 m3/d，側(cè)向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發(fā)排泄量100.43 m3/d。

(3)榆陽泉域現(xiàn)狀年水均衡整體為負(fù)均衡，均衡差為-15.80 m3/d，根據(jù)榆林氣象站降水資料，榆林市2016-2018年降水量較大，為相對(duì)豐水年，榆陽泉泉域現(xiàn)狀水均衡處于相對(duì)均衡狀態(tài)。但須說明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡則為負(fù)均衡，主要由于現(xiàn)狀開采量超過了允許開采量。