白龜山南灌區(qū)淺層地下水水量平衡分析

□左惠玲 □彭 博（河南省平頂山水文水資源勘測(cè)局）

1.問(wèn)題提出

通常情況下，在渠灌區(qū)范圍內(nèi)，由于長(zhǎng)期灌溉補(bǔ)源和地下水開(kāi)采利用的相互作用，地下水的補(bǔ)給與消耗會(huì)達(dá)到一個(gè)新的平衡。當(dāng)灌溉補(bǔ)源、天然來(lái)水補(bǔ)源之和大于地下水的消耗總量時(shí)，地下水會(huì)實(shí)現(xiàn)容余平衡，地下水位會(huì)處于較高的狀態(tài)；反之，灌區(qū)地下水位會(huì)逐漸下降，尋找新的平衡，當(dāng)?shù)叵滤难a(bǔ)給與消耗基本相等時(shí)，地下水位實(shí)現(xiàn)基本穩(wěn)定。

白龜山南灌區(qū)位于沙河和灰河之間，1966年開(kāi)工建設(shè)，1967年竣工，設(shè)計(jì)灌溉面積2.03萬(wàn)hm2。2011年實(shí)際灌溉面積2.22萬(wàn)hm2，其中井灌區(qū)面積大約占到總灌溉面積的1/5。在灌區(qū)控制范圍內(nèi)，有地下水機(jī)電井3000多眼，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。白龜山南灌區(qū)建成以來(lái)，灌區(qū)控制范圍之內(nèi)淺層地下水動(dòng)態(tài)變化情況如何，地下水潛在開(kāi)采量有多少，目前還沒(méi)有作過(guò)分析研究。解決這一問(wèn)題，對(duì)今后白龜山南灌區(qū)改造、保護(hù)地下水資源以及淺層地下水合理開(kāi)發(fā)利用等都具有指導(dǎo)作用。

2.計(jì)算方法

地下水資源量是在地下水不斷補(bǔ)給、儲(chǔ)存和消耗的循環(huán)過(guò)程中形成的。不同季節(jié)，不同年份，地下水的補(bǔ)給強(qiáng)度、開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度以及其他消耗強(qiáng)度的不同，造成地下水總處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。本文主要對(duì)多年地下水均衡趨勢(shì)進(jìn)行分析研究，計(jì)算其補(bǔ)給量、消耗量以及可開(kāi)采量。

根據(jù)地下水均衡原理，一個(gè)區(qū)域的含水層，在一個(gè)時(shí)段內(nèi)的補(bǔ)給和消耗循環(huán)過(guò)程中，含水層（體）水體積的變化量等于這一時(shí)段內(nèi)補(bǔ)給量和消耗量之差，用公式表達(dá)為：

式中：Q總補(bǔ)-Q總消—時(shí)段內(nèi)含水層（體）水體積變化量（m3）；

Q總補(bǔ)—時(shí)段內(nèi)各補(bǔ)給項(xiàng)補(bǔ)給量之和（m3）；

Q總消—時(shí)段內(nèi)各消耗項(xiàng)消耗量之和（m3）；

μ—含水層水位變動(dòng)帶平均給水度（無(wú)量綱）；

Δt—時(shí)段長(zhǎng)度（a）；

Δh—時(shí)段內(nèi)地下水位變化幅度（上升為正，下降為負(fù)）（m）；

F—含水層（組）分布面積（m2）。

通過(guò)對(duì)灌區(qū)內(nèi)自然條件、水文地質(zhì)條件以及人為因素的分析，灌區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給項(xiàng)為：側(cè)向補(bǔ)給（Q側(cè)補(bǔ)）、降雨入滲補(bǔ)給(Q雨補(bǔ))、井灌回歸補(bǔ)給(Q井補(bǔ))、水庫(kù)滲漏補(bǔ)給(Q庫(kù))、渠系滲漏補(bǔ)給(Q渠系)、渠灌田間入滲補(bǔ)給（Q渠灌），主要消耗量有：潛水蒸發(fā)消耗（Q蒸發(fā)）、河道排泄消耗（Q側(cè)排）、人工開(kāi)采消耗（Q開(kāi)采）。由此：

式中：

a、C、β井、β渠、m—降雨入滲系數(shù)、潛水蒸發(fā)系數(shù)、井灌回歸補(bǔ)給系數(shù)、渠灌入滲補(bǔ)給系數(shù)、渠系補(bǔ)給系數(shù)（無(wú)量綱）;

P、E0—降雨量、水面蒸發(fā)量（mm）;

K側(cè)補(bǔ)—側(cè)向流入斷面的地下水滲透系數(shù)（m/d）；

J側(cè)補(bǔ)—側(cè)向流入斷面的地下水平均水力坡度（無(wú)量綱）；

B側(cè)補(bǔ)—側(cè)向流入斷面過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；

Q井田—井灌開(kāi)采量（m3）；

Q渠田—渠灌進(jìn)入斗渠渠首水量（m3）;

Q渠引—渠首引水量（m3）;

K庫(kù)補(bǔ)—水庫(kù)流入灌區(qū)斷面處地下水滲透系數(shù)（m/d）;

K側(cè)排—側(cè)向排泄斷面處地下水滲透系數(shù)（m/d）;

J庫(kù)補(bǔ)—水庫(kù)流入灌區(qū)斷面處地下水平均水力坡度（無(wú)量綱）;

J側(cè)排—地下水側(cè)向排泄斷面處地下水平均水力坡度（無(wú)量綱）;

B庫(kù)補(bǔ)、B側(cè)排—分別為水庫(kù)流入、地下水側(cè)向排泄過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）

Q開(kāi)采—人工開(kāi)采量（m3）;

Vi—其他忽略因素引起的地下水體積變化量（m3）。

3.分析計(jì)算

3.1 資料的選取

在分析計(jì)算過(guò)程中，選取了1980年至2008年區(qū)域內(nèi)地下水井的觀測(cè)資料以及淺層地下水開(kāi)發(fā)利用調(diào)查資料。資料連續(xù)，系列長(zhǎng)，代表性好。

3.2 計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)條件

灌區(qū)內(nèi)自然地貌、地層和水文地質(zhì)條件比較單一，灌區(qū)地表覆蓋層多是亞砂土和亞粘土，含水層巖性是亞砂土、中砂和少量的砂礫石互層，厚度和顆粒均勻，補(bǔ)給和排泄邊界清楚，均衡要素易于確定，故把整個(gè)灌區(qū)看成是一個(gè)均質(zhì)，各向同性的獨(dú)立水文地質(zhì)單元進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)較為合理可行。

3.3 參數(shù)計(jì)算與選擇

根據(jù)灌區(qū)內(nèi)歷史資料分析計(jì)算，結(jié)合2005年出版的《河南省水資源調(diào)查評(píng)價(jià)》中各類參數(shù)取值范圍，確定了各計(jì)算參數(shù)的取值。疏干給水度（μ）為0.054；降雨入滲系數(shù)（α）值為0.22；渠系滲漏補(bǔ)給系數(shù)（m）取0.18；渠灌田間入滲補(bǔ)給系數(shù)(β渠)為0.21；井灌回歸補(bǔ)給系數(shù)(β井)為 0.17；滲透系數(shù)（K）分別為：K側(cè)補(bǔ)=30、K庫(kù)補(bǔ)=50、K側(cè)排=35；潛水蒸發(fā)系數(shù)（C）為 0.12；水力坡度（I）在現(xiàn)狀條件下分別為：J側(cè)補(bǔ)=0.00167、J庫(kù)補(bǔ)=0.002、J側(cè)排=0.0026，在合理水位埋深條件下，分別為：J＇側(cè)補(bǔ)=0.00192、J＇庫(kù)補(bǔ)=0.003。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 補(bǔ)給項(xiàng)量的計(jì)算

3.4.1.1 降雨入滲補(bǔ)給量（Qp）

由公式Qp=α·P·F，根據(jù)灌區(qū)多年平均降雨量、灌區(qū)降雨入滲系數(shù)和灌區(qū)面積進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果為0.073億m3/a。

3.4.1.2 渠系滲漏補(bǔ)給量（Q渠引）

由公式Q渠系=m·Q渠引，根據(jù)水庫(kù)向灌區(qū)供水的多年平均引水量0.6031億m3/a和灌區(qū)渠系滲透補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算，結(jié)果為0.109億 m3/a。

3.4.1.3 渠灌田間入滲補(bǔ)給量(Q渠灌)

由公式Q渠灌=β渠·Q渠田，根據(jù)水庫(kù)向灌區(qū)供水的多年平均引水量《河南省白龜山灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程規(guī)劃報(bào)告》中提供的灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)和渠灌田間入滲補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算，結(jié)果為0.048億m3/a。

3.4.1.4 井灌回歸補(bǔ)給量(Q井灌)

由公式Q井灌=β井·Q井田,利用多年對(duì)灌區(qū)進(jìn)行井灌開(kāi)采量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，求出多年平均井灌開(kāi)采量0.212億m3/a，回歸補(bǔ)給計(jì)算結(jié)果為0.036億m3/a。

3.4.1.5 河庫(kù)側(cè)滲補(bǔ)給量（Q庫(kù)補(bǔ)）

由于沙河和灰河水位遠(yuǎn)低于灌區(qū)內(nèi)地下水位，因此沙河和灰河對(duì)灌區(qū)地下水補(bǔ)給量為零，水庫(kù)對(duì)灌區(qū)淺層地下水有一定量的補(bǔ)給，由于水庫(kù)和灌區(qū)地下水水位年變化較小，其差較穩(wěn)定，故按穩(wěn)定流公式Q=KBJ計(jì)算，其補(bǔ)給量為0.082億m3/a。

3.4.1.6 灌區(qū)內(nèi)側(cè)向徑流補(bǔ)給量（Q側(cè)補(bǔ)）

灌區(qū)內(nèi)地下水平穩(wěn)，水力坡度較小，按穩(wěn)定流公式Q=KBJ計(jì)算，其結(jié)果為0.168億m3/a。

表1 淺層地下水天然資源計(jì)算成果表

圖1 白龜山灌區(qū)地下水補(bǔ)給示意圖

圖2 白龜山灌區(qū)地下水消耗示意圖

綜上各項(xiàng)之和為灌區(qū)淺層地下水總補(bǔ)給量，共計(jì)0.516億m3/a，灌區(qū)內(nèi)淺層地下水資源量以灌溉入滲補(bǔ)給為主，占資源總量的37%以上。

3.4.2 消耗項(xiàng)量的計(jì)算

3.4.2.1 潛水蒸發(fā)（Q蒸發(fā)）

根據(jù)多年地下水水位平均資料及灌區(qū)多年水面蒸發(fā)資料之平均值，用公式Q蒸發(fā)=C·E0·F進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果0.035億m3/a。

3.4.2.2 人工開(kāi)采量（Q開(kāi)采）

利用多年對(duì)灌區(qū)進(jìn)行開(kāi)采量的調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，求出多年平均開(kāi)采量作為此次計(jì)算灌區(qū)的開(kāi)采量，開(kāi)采量為0.263億m3/a。

3.4.2.3 河渠排泄量（Q側(cè)排）

利用以上所確定的參數(shù)和穩(wěn)定流公式Q側(cè)排=KBJ計(jì)算，其結(jié)果為0.185億m3/a。

表2 淺層地下水消耗量計(jì)算成果表

可見(jiàn)，灌區(qū)內(nèi)淺層地下水主要消耗于人工開(kāi)采消耗，占總消耗量的55%以上。

3.4.3 淺層地下水量計(jì)算

在合理埋深的條件下，計(jì)算灌區(qū)淺層含水層的儲(chǔ)存量，其計(jì)算結(jié)果為Q儲(chǔ)存=0.9億m3/a。由此可見(jiàn)，灌區(qū)淺層地下水具有巨大的儲(chǔ)存能力，同時(shí)具有良好的調(diào)節(jié)能力。

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 地下水位變化分析

圖3 白龜山灌區(qū)地下水位埋深變化示意圖

從位于灌區(qū)內(nèi)鄧?yán)钹l(xiāng)灣劉村6號(hào)觀測(cè)井和龔店鄉(xiāng)臺(tái)馬村13號(hào)觀測(cè)井地下水位埋深多年變化圖來(lái)看，灌區(qū)內(nèi)地下水位變化很小，埋深都是在2.0～4.0m之間變動(dòng)。

3.5.2 結(jié)論

一是白龜山灌溉補(bǔ)源占到灌區(qū)內(nèi)淺層地下水補(bǔ)源總量的37%，加上水庫(kù)側(cè)滲補(bǔ)源，白龜山水庫(kù)對(duì)灌區(qū)地下水的補(bǔ)源占總補(bǔ)源量的51%，對(duì)涵養(yǎng)區(qū)域地下水資源發(fā)揮了主導(dǎo)作用；

二是灌區(qū)內(nèi)地下水位長(zhǎng)期穩(wěn)定，埋深淺，與相近的甘江河南岸相比，地下水埋深高出8～10m，為今后地下水開(kāi)發(fā)利用提供了較好的前提條件；

三是根據(jù)分析計(jì)算，區(qū)域內(nèi)淺層地下水總量為0.9億m3/a，可采資源量為0.590億m3/a。