西官井灌區(qū)地下水資源計算

李艷梅

（遼寧省北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100）

西官井灌區(qū)地處干旱、半干旱低山丘陵區(qū)，鑲嵌在山間河谷兩岸，呈條帶狀展布，主要依賴淺層地下水灌溉。由于山丘區(qū)降水量小，地下水補給量少，含水層厚度分布不均勻，造成地下水在空間和時間上分布不均勻，所以合理計算地下水資源是規(guī)劃發(fā)展井灌區(qū)的首要任務，是確保最佳灌溉面積，合理開發(fā)利用地下水的重要依據(jù)。

1 低山丘陵區(qū)地下水形成的一般規(guī)律

低山丘陵區(qū)地下水的形成主要是大氣降雨通過地表入滲形成地下水。

西官井灌區(qū)上游為裸露基巖山區(qū)，海拔高度800～1000 m，分布面積大，地形坡度陡，巖石差異性大，第四紀覆蓋層較薄，山坡植被不發(fā)育，但構造裂縫與風化裂縫發(fā)育較好。大氣降雨后，大部分降水以地表徑流排出區(qū)外，一部分沿裂隙入滲形成地下水。基巖山區(qū)入滲能力雖然微弱，但能形成大面積的補給區(qū)，豐水季節(jié)以泉的形式補給河谷。

該區(qū)地層上部多為亞砂土、下部為砂、礫、卵石層，孔隙較大，入滲能力強，垂直方向易接受大氣降雨的入滲補給，水平方向上接受山區(qū)、山前扇裙地下水的補給，該區(qū)是地下水的富集區(qū)，也是地下水的排泄區(qū)。因山區(qū)河谷地形比降較大，并有較好的透水層，致使徑流條件好，在水平方向上易向河谷下游排泄，在垂直方向上強烈的蒸發(fā)蒸騰作用也比較明顯。

2 含水層邊界的確定

丘陵山區(qū)的河谷平地發(fā)育在山間河谷兩側，呈條帶狀展布。兩岸階地極不對稱，一二級階地面寬窄不均，致使含水層差異性很大，因此確定含水層邊界，是搞好地下水資源計算的關鍵，實踐中采用3種方法確定含水層的邊界。

1）水文地質測繪法。在西官井灌區(qū)分兩步進行：第一步搜集現(xiàn)有水文、氣象、水文地質、鉆孔、民井、機井、挖渠等資料，對井灌區(qū)內(nèi)地形、地貌、水文地質、構造、巖性作初步了解。第二步在已有資料的基礎上進行水文地質詳查，為了滿足井灌區(qū)地下水資源計算，測繪比例尺選用1∶10000。按規(guī)范要求進行布置勘探線、勘探點。在西官井灌區(qū)進行水文地質測繪30 km2。調查水文地質點36個，水準點測繪30 km，水準測量井口水位標高22個，水質分析成果3個。通過水文地質測繪，查明了區(qū)內(nèi)各類含水層的賦存條件和地下水的形成、分布規(guī)律、地下水的水質與水量。查明了地下水區(qū)域地質構造及地貌之間依存關系和與地表水之間的互相聯(lián)系，查明了第四紀地層時代、成因類型、巖性特征、厚度及分布規(guī)律，在1∶10000地形圖上勾繪出水文地質圖，即含水層邊界的界限。

2）為了弄清含水層垂向與水平方向的變化，查明第四紀覆蓋層縱向及水平方向的厚度，查明古河道，有效地圈出含水層邊界。結合工作區(qū)地質、水文地質情況進行縱橫電測深物探剖面測量。西官井灌區(qū)布橫剖面4條，縱剖面2條，測點74個。查明了河谷縱向起伏，橫向含水層厚度，為地下水資源計算分區(qū)打下基礎。

3）為了驗證水文地質測繪和物探剖面測量，進行必要的水文地質鉆探，在所測物探點上打了兩個地質孔和兩個水文地質孔，主要用以確定含水層和含水構造的位置、厚度及埋藏深度。查明了含水層的空隙性及含水層之間的地下水的水利聯(lián)系，確定西官井灌區(qū)含水層邊界為10.88 km2，可布井面積 9.008 km2。

3 地下水資源計算與評價

地下水資源計算與評價是為發(fā)展井灌區(qū)提供科學依據(jù)，保證最佳灌溉面積，滿足農(nóng)田灌溉用水需要，使地下水資源得到合理開發(fā)與利用。

井灌區(qū)地下水資源計算，首先按地下水形成的一般規(guī)律，確定含水層邊界，依據(jù)地貌單元含水層厚度，地下水量的大小進行水文地質分區(qū)。西官井灌區(qū)分為兩個水文地質區(qū)：北河套以上為一區(qū)，小三家為二區(qū)。

3.1 參數(shù)計算

含水層的滲透系數(shù)、給水度、儲水系數(shù)，以及它們組合的傳導或導壓系數(shù)和影響半徑等統(tǒng)稱為水文地質參數(shù)。它們是計算補給量、儲存量和開采量不可缺少的數(shù)據(jù)，所以正確計算這些參數(shù)，是完成水資源計算與評價的重要環(huán)節(jié)。

西官井灌區(qū)為求得水文地質參數(shù)，在一區(qū)和二區(qū)新打兩個水文地質孔。一號孔第四紀深32 m，含水層厚度14 m；二號孔第四紀深10 m，含水層厚度5.53 m。分別進行穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流抽水實驗，抽水時間35 h，水位恢復10 h時。為求得水文地質參數(shù)，一號孔布測觀孔4個，二號孔布測觀孔3個，抽水實驗資料見表1。

表1 西官井灌區(qū)單井抽水實驗統(tǒng)計表

1）穩(wěn)定流參數(shù)計算

利用一個觀測孔公式：

式中：K——滲透系數(shù)，m/d；Q——抽水孔流量，m3/d；r1，r2——抽水井到觀測孔的距離，m；S1，S2——觀測孔降深，m；M——含水層厚度，m；R——影響半徑，m；rw——抽水井半徑，m；SW——抽水孔降深，m；H——靜止水位高度，m。

計算結果：K1=94 m/d，K2=158 m/d；R1=282 m，R2=224 m。

2）非穩(wěn)定流參數(shù)計算

根據(jù)抽水試驗資料，采用了兩種計算方法

①降深—時間配線法：

公式：T=0.08Q/S·W（U）；a=r2/4T·W（U）1/U；S=T/a

②直線圖解法：

公式：T=0.183Q/△S；a=r2/2.25t0；S=T/a

式中：T——導水系數(shù)，m2/d；W（U）1/U——標準曲線數(shù)值；r——觀測孔到抽水孔的距離，m；Q——抽水孔涌水量，m3/d；a——導壓系數(shù)，m3/d；S——儲水系數(shù)。其計算結果見表2。

表2 非穩(wěn)定流參數(shù)計算結果

3.2 地下水資源計算

3.2.1 井灌區(qū)地下水補給量計算

西官井灌區(qū)地下水補給量計算，采用降雨入滲系數(shù)法。斷面過水流入量，分別對井灌區(qū)垂向、橫向、側向地下水補給量進行計算，而后用基流分割法對補給量進行驗證。

計算公式：垂向 Q=F·W·α

式中：F——補給區(qū)面積，m2，基巖山區(qū)與坡地區(qū)用求積儀在1∶50000地形圖上求得，河谷區(qū)在1∶10000地形圖上求得；W——山嘴雨量站P=50%頻率的年降雨量；α——降雨入滲系數(shù)，中微裂隙巖層入滲系數(shù)取0.11，粗砂入滲系數(shù)取0.2。計算結果見表3。

表3 灌區(qū)降雨入滲補給量計算表

從表3中可以看出基巖山區(qū)與坡地區(qū)降雨入滲補給量，不能全部滲入河谷。因灌區(qū)河谷兩岸階地極不均勻，無法計算側向補給量。故把山前和基巖山區(qū)的降雨入滲補給量的50%作為河谷區(qū)的側向補給量。

灌區(qū)橫向補給量，以山嘴的物探水文地質剖面為依據(jù)進行計算的，斷面面積分段以不同的幾何圖形計算；水利坡度i用三角形法實測求得，K值取此次抽水實驗資料。

計算公式：Qx=KiW

為了驗證井灌區(qū)地下水補給量，應用P=50%頻率的河川基流量進行對比。Q基=91.45×4.045=370（萬m3/a）；Q補=Q基。

計算結果相近似，證明井灌區(qū)地下水補給量與河川基流量均衡。

3.2.2 井灌區(qū)儲存量的計算

儲存量計算按確定的含水層邊界和鉆孔水文地質資料及抽水實驗資料用求積儀在1∶10000水文地質圖上求得含水層面積F，利用物探斷面求出含水層平均厚度H，給水系數(shù)U取自非穩(wěn)定流抽水實驗資料。

計算公式：Q儲=FHU

式中：F——含水層分布面積，m2；H——含水層平均厚度，m；U——給水系數(shù)。結果見表4。

表4 井灌區(qū)儲存量計算結果

3.2.3 可開采量計算

1）均布井法計算開采量

首先在井灌區(qū)內(nèi)用均布井法計算井數(shù)，然后用穩(wěn)定流抽水實驗求得的參數(shù)計算出區(qū)內(nèi)開采量公式：

式中：n——可布井數(shù)，眼；F——可布井面積，m2；R——影響半徑，m。

年開采儲量按每年開泵120 d，每天12 h計算的量為年開采儲量，結果見5。

2）開采強度法計算開采量

根據(jù)非穩(wěn)定流抽水實驗確定的參數(shù)，利用開采強度法，計算評價開采量。首先把兩個水文地質區(qū)概化為兩個矩形區(qū)。把均布井法計算的總開采量，看成均勻分布在矩形開采面積上?；砷_采強度，即單位面積上的開采量，再利用開采強度和水位之間的變化規(guī)律，判斷、評價設計開采量的中心水位降深和邊部水位降深是否超過允許水位降深，如沒超過，開采量為合理。否則應調整井數(shù)和各井涌水量。

開采強度公式：ε=Q/FT

式中：ε——開采強度，m/d；F——區(qū)域內(nèi)含水層分布面積，取4.242×106m2；Q——區(qū)域內(nèi)按抽水時間計算的開采量，m2；T——實際抽水時間，h，取35 h=1.45833 d。

利用中心水位降公式計算中心水位降公式：

式中：S——計算區(qū)內(nèi)x=0，y=0時的中心降深，m；t——計算水位降深的時間（年開采時間，自定120 d，每天開泵12 h，合60 d；u——彈性儲水系數(shù)，取0.0473；S*——水位降深折減系數(shù)，取0.35482；l——開采區(qū)x軸向長度之半，取1391 m；b——開采區(qū)y軸向長度之半，取762.5 m；a——壓力傳導系數(shù)，取35396 m2/d。

為了驗證邊部降深是否超過中心降深，判斷設計開采量是否合理，分別取x=800 m，y=400 m；x=300 m，y=200 m進行驗證。公式：

經(jīng)計算兩個邊部降深S1=2.40 m，S2=2.76 m。

同理計算二區(qū)中心水位降深2.74 m，當x=300 m，y=200 m時邊部降深為2.60 m。邊部水位降深沒有超過中心水位降深，中心水位降深也沒有超過抽水實驗孔抽水時的降深。證明設計開采量是合理的。

一區(qū)設計開采量：Q1=14×80×24×60=161.28（萬 m3/a）；二區(qū)設計開采量：Q2=24×50×24×60=172.8（萬 m3/a）。Q開=Q1+Q2=334.08（萬 m3/a）。

3）地下水資源評價

①補給量對開采量滿足程度

井灌區(qū)開采儲量的評價，就是用天然條件下的補給量與設計開采量進行均衡從而看出天然條件下的補給量對開采量的滿足程度。經(jīng)計算：補給量為397萬m3/a，開采量為334.04萬m3/a，補給量與開采量均衡為62.92萬m3/a，補給量與開采量滿足程度為118%，說明地下水補給量對開采量是有保證的。

②開采量對灌溉需水量的滿足程度

灌溉需水量：井灌區(qū)內(nèi)耕地可灌溉面積793.6 hm2，灌溉定額 5207.1 m3/（hm2·a），人畜用水 25 萬 m3，年需水量438萬 m3，日需水量 3.65萬 m3。

地下水開采儲量與灌溉需水量均衡計算：灌期可開采量 334.08 萬 m3，灌期（120 d）12 h/d，灌期需水量 438 萬m3，可開采量與需水量均衡差-103.92萬m3，滿足程度76%。

地下水補給量與灌溉需水量均衡計算：地下水天然補給量397萬m3，灌期（120 d）12 h/d，灌期需水量438萬m3，補給量與需水量均衡差-41萬m3，滿足程度91%。

從地下水開采儲量與地下水補給量對灌溉需水量的滿足程度看，地下水補給量與開采儲量不能滿足需水量的要求。但農(nóng)業(yè)灌溉用水主要集中在枯水季節(jié)，這時水位又最低，因而在開采時需動用儲存量。根據(jù)非穩(wěn)定流抽水實驗數(shù)據(jù)降深沒超過含水層一半。但是地下水補給量小于需水量。長期開采地下水下降漏斗會逐漸擴大加深，形成惡性循環(huán)，為此減少灌溉面積152 hm2，這樣地下水補給量滿足了需水量的要求。

4 結語

1）地下水資源計算與評價是對地下水的經(jīng)濟效益及其實用價值進行分析。計算與論證其內(nèi)容包括分析水文地質條件，準確圈定含水層邊界，劃分地下水系統(tǒng)。

2）地下水資源計算，必須進行不同類型的抽水實驗，這樣求得的參數(shù)比較準確，地下水資源計算結果就能精準。

3）地下水資源計算與評價時，如用經(jīng)驗系數(shù)，必須采用不同方法進行驗證，結果近似方可應用。