城市供水水源地可利用水量計(jì)算

王洪斌

（遼寧省水文水資源勘測局，遼寧沈陽110003）

1 水源地概況

凌源市自來水公司水源地共設(shè)置水源井6處，分布于八里堡至二十里堡之間，位于大凌河支流北岸，取水類別為大凌河支流第四系孔隙潛水。設(shè)計(jì)開采量為60 000 m3/d，并平均分配至各水源井。

1991—2000年間，地質(zhì)礦產(chǎn)部遼寧工程勘察公司先后對十里堡、十五里堡、二十里堡水源地進(jìn)行了詳細(xì)勘察，繪制了3處水源地1∶10 000水文地質(zhì)圖及剖面圖，編寫了供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告。已查明水源地周圍地層結(jié)構(gòu)、主要含水層類型、含水層厚度及其空間分布狀況、并通過抽水試驗(yàn)確定了部分地段的水文地質(zhì)參數(shù)。本次研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)行，對自來水供水水源地水資源量進(jìn)行綜合評價(jià)。

2 論證范圍的確定

目標(biāo)含水層沿大凌河支流呈條帶狀分布，據(jù)2009年的地下水位觀測資料顯示，水源井的開采尚未形成明顯的漏斗區(qū)，地下水流向自西向東。結(jié)合周圍地形條件及已探明的水文地質(zhì)條件。論證區(qū)總面積為15.67 km，范圍在大凌河西支河谷平原地，包括周圍部分低山丘陵區(qū)。

3 論證范圍內(nèi)水文地質(zhì)狀況

論證區(qū)兩側(cè)為低山丘陵，標(biāo)高為425～550 m。中間為河谷平原區(qū)，寬度為1 300～1 870 m。對應(yīng)著三種地貌形態(tài)，分別為：南北兩側(cè)的低山丘陵區(qū)、山前坡洪積扇群、河谷區(qū)沖洪積階地。全新世沖洪積作用所形成的砂卵礫石層孔隙潛水為本次研究的目標(biāo)層位。其上覆亞砂土或含礫亞粘土層，厚度自南北兩側(cè)向中間減小。

3.1 水文地質(zhì)分區(qū)

據(jù)已有的勘察資料，研究區(qū)可分為3個(gè)主要富水地段：

1）水量豐富區(qū)。單井出水量大于3 000 m3/d，分布于近河地段，呈條帶狀展布。含水層主要巖性為砂礫石、砂礫卵石，含水層厚度5.9～8.65 m不等，滲透系數(shù)為369～1 248.84 m/d，地下水位埋深為 1.25～9.8 m。

2）水量中等-貧乏區(qū)。單井出水量小于1 000 m3/d，對應(yīng)于山前坡洪積扇形地。含水層巖性為砂礫碎石混土，分選性差，厚度不穩(wěn)定，地下水位埋深通常大于9 m

3）基巖裂隙水區(qū)。單井出水量小于100 m3/d，巖性為義縣組安山巖，風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙不發(fā)育，富水性較差，供水意義不大。

3.2 地下水補(bǔ)給，徑流與排泄特征

大凌河河谷平原是一個(gè)相對獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。地下水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給、上游河谷區(qū)孔隙潛水入滲補(bǔ)給、兩側(cè)山區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，此外，還包括農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)給及地下水開采條件下河流的激發(fā)補(bǔ)給。

地下水的徑流特征主要受地形、地貌及水文地質(zhì)條件的控制。表現(xiàn)為：南北兩側(cè)地下水向河谷平原區(qū)匯集后，自西向東流。

地下水排泄方式主要有：地下水徑流排泄、地下水向河流排泄、農(nóng)業(yè)灌溉開采、人畜飲用。由于含水層上覆亞砂土層，且地下水位埋藏于砂礫石層，毛細(xì)作用微弱，故蒸發(fā)作用不明顯。

3.3 地下水動(dòng)態(tài)類型

水源地范圍內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)類型屬于氣象-開采型。1—6月份受農(nóng)業(yè)開采的影響，地下水位緩慢下降，7—9月份，由于降水入滲量增多，且農(nóng)業(yè)開采量減少，地下水位回升，9月份以后，隨著降雨量的減少，地下水位再次緩慢下降，并趨于穩(wěn)定。

4 水源地地下水資源量論證

4.1 地下水資源量計(jì)算

4.1.1 地下水天然補(bǔ)給資源量計(jì)算

采用資源補(bǔ)給總和法，計(jì)算平水年及枯水年降水入滲補(bǔ)給量、上游地下水徑流補(bǔ)給量、山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量和灌溉回滲量。

1）降水入滲補(bǔ)給量。依據(jù)凌源氣象站37年的觀測資料，采用P-III型曲線統(tǒng)計(jì)50%，75%，95%典型頻率年的降雨量，經(jīng)計(jì)算均值=468.29，Cv=0.258，Cs=0.42；降雨量分別為 456，396，289。

降水入滲量的計(jì)算采用式（1）：

式中：Qs——降雨入滲補(bǔ)給量，m3；Pi——降雨量；F——計(jì)算面積，km2；α——有效降水率，%；β——有效降水入滲系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 降水入滲量計(jì)算成果表

2）計(jì)算區(qū)上游斷面地下水流入量。地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給是研究范圍內(nèi)水資源量的另一個(gè)重要組成。計(jì)算地下水徑流斷面分別設(shè)置于二十里堡至二十五里堡之間，以及宮家燒鍋南側(cè)約600 m山口處。側(cè)向流入量計(jì)算公式采用式（2）：

式中：Qi側(cè)——斷面?zhèn)认蜓a(bǔ)給量，104m3/a；Hi——i個(gè)典型年枯水期過水?dāng)嗝婧穸?，m；B——過水?dāng)嗝鎸挾龋琺；K——過水?dāng)嗝嬷車畬悠骄鶟B透系數(shù)，m/d；I——水力坡度；Hg——90年枯水期含水層平均厚度，8.07 m；Xg——90年降雨量，0.582 m；α——有效降水入滲系數(shù)，0.35；μ——目標(biāo)含水層給水度，0.31；Xi——i個(gè)典型年的降雨量，m。地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量見表2。

表2 計(jì)算區(qū)地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量

3）山前側(cè)向補(bǔ)給量。借鑒水源地已有的勘察報(bào)告結(jié)果，采用徑流模數(shù)法計(jì)算山前側(cè)向補(bǔ)給量：

式中：Qi側(cè)——山前側(cè)向補(bǔ)給，104m3/a；Mi——i個(gè)典型年山區(qū)地下水徑流模數(shù)，L/s·km2；M′——山區(qū)多年平均徑流模數(shù)，1.624 L/s·km2；F——山前匯水面積，km2；Q′——多年平均河水徑流量，1.306 1×108m3/a；Qi——典型年河水徑流量，108m3/a。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 山區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給量計(jì)算成果表

4.1.2 地下水排泄資源量計(jì)算

1）計(jì)算區(qū)內(nèi)當(dāng)?shù)赜盟俊Ｒ罁?jù)《凌源市十五里堡供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告》調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合計(jì)算區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布位置，估算計(jì)算區(qū)內(nèi)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、人畜開采地下水資源總量約為180萬t/a。

2）計(jì)算區(qū)內(nèi)水源地的開采量。已有水源地的設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)果顯示，計(jì)算區(qū)內(nèi)共有6處水源井，設(shè)計(jì)單井開采量均為10 000 m3/d，則計(jì)算區(qū)內(nèi)水源地總開采量為2 190×104m3/a。

3）地下水側(cè)向流出量。采用式2計(jì)算地下水側(cè)向流出量，水力坡度依據(jù)2009年最新觀測資料進(jìn)行計(jì)算，值為0.004，滲透系數(shù)657.20 m/d，有效降水入滲系數(shù)0.35，地下水含水層給水度0.31，控制95年枯水期地下水位的降雨量0.654 2 m，95年枯水期含水層平均厚度7.26 m，各典型年排泄量計(jì)算成果見表4。

表4 地下水側(cè)向徑流排泄量計(jì)算成果表

4.1.3 其他可利用地下水資源量計(jì)算

1）河流激發(fā)補(bǔ)給量。由于水源井位于河岸附近，開采條件下降引起地下水流場的改變，進(jìn)而引起河水激發(fā)補(bǔ)給。通過計(jì)算研究在設(shè)計(jì)開采量條件下，激發(fā)補(bǔ)給資源量所占比例用式（4）計(jì)算，邊界附近開采井降深的計(jì)算：

式中∶Qi——設(shè)計(jì)開采量，10 000 m3/d；K——滲透系數(shù)，m/d；H——初始水位，取7.8 m；l——河井距，m；Sx——降深值，m。

無界條件下，相同降深值對應(yīng)的井口出水量用式（5）計(jì)算：

式中：Rx——影響半徑，m；Rc，rc，Sc——分別是抽水試驗(yàn)條件下的影響半徑，抽水井徑以及抽水時(shí)的降深。

井口出水的激發(fā)補(bǔ)給量可計(jì)算為Q激=Qi-Qf，激發(fā)補(bǔ)給量見表5。

在各井維持10 000 m3/d開采量的情況下，河水激發(fā)補(bǔ)給進(jìn)入井口的水量為6 794.99 m3/d，占單日井口出水總量的11%。而通過斷面測流法計(jì)算的研究區(qū)河水激發(fā)補(bǔ)給總量可達(dá)5 183×104m3/a。可見，在開采條件下，有相當(dāng)數(shù)量的水量進(jìn)入開采含水層，并有5%的激發(fā)補(bǔ)給量用于供水。

2）灌溉回滲補(bǔ)給量。計(jì)算區(qū)范圍內(nèi)，灌溉用水均取自地下水，因此在計(jì)算地下水天然資源量時(shí)將該部分水量去除。而在計(jì)算地下水可利用水量時(shí)予以保留。采用式（6）計(jì)算：

式中：Q農(nóng)——農(nóng)業(yè)灌溉水量，150×104m3/a；a′——灌溉回滲系數(shù)，0.35。計(jì)算 Q灌=52.4×104m3/a。

表5 各井出水河流激發(fā)補(bǔ)給所占比例表

4.2 地下水均衡與評價(jià)

綜上所述，對所計(jì)算的補(bǔ)給量、排泄量進(jìn)行匯總，結(jié)果見表6。

表6 計(jì)算區(qū)地下水均衡成果表

從表6中可以看出，在維持60 000 m3/d水源地供水條件下，平水年地下水將有4 000×108m3/a以上的水量用于維持地下水位，枯水年亦有1 205.981×108m3/a的水量盈余。然而所盈余的水量均來源于地表水的補(bǔ)給。事實(shí)上，據(jù)最近統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，計(jì)算區(qū)內(nèi)的地表水典型頻率年徑流量分別為：10 954，6 381，2 454萬t/a，可見在平水年及一般枯水年河水仍會(huì)維持一定的徑流量，然而在枯水年的情況下，地下水的開采，將引起研究區(qū)范圍內(nèi)的地表水?dāng)嗔鳌?/p>

[1]江行久.阜新地區(qū)河流泥沙狀況分析[J].東北水利水電，2008（1），52～54.

[2]江行久.阜新經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期水資源開發(fā)潛力研究[J].地下水，2005（6），424～451.

[3]江行久.次降雨土壤吸收量推算方法研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2006（2），44～46.

[4]江行久.礦井水資源化研究與應(yīng)用[J].節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的理論與實(shí)踐，700～704.

[5]江行久.遼寧西部地區(qū)土壤水預(yù)測模型與用例分析[J].東北水利水電，2006（2），37～40.

[6]江行久.暴雨資料推算設(shè)計(jì)洪水及參證流域校核方法研究[J].東北水利水電，2005（11），30～33.