豫東平原虞城地區(qū)水文地質(zhì)條件分析及地下水資源總量計(jì)算

張 欣，顏少權(quán)

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

地下水資源是豫東平原地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)、工業(yè)與生活供水資源，隨著工業(yè)的發(fā)展和人口的增加，水資源需求量也隨之增加，造成水資源短缺[1-2]。豫東地區(qū)缺水問題突出，阻礙著城市化、工業(yè)化、現(xiàn)代化的進(jìn)程，阻礙著“三農(nóng)”問題的解決，影響著全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。摸清區(qū)域內(nèi)地下水資源總量，科學(xué)利用地下水資源，有效保護(hù)地下水環(huán)境[2]，著力提高農(nóng)村飲水安全水平，改善與提高城鄉(xiāng)人民的生活質(zhì)量，保障城鄉(xiāng)供水安全。

1 區(qū)域概況

虞城縣是河南省商丘市下轄縣，位于河南省東部，豫、魯、皖三省交界處的豫東平原。地勢(shì)由西北向東南微傾。海拔高程在39～58 m之間，自然坡降為1/5 000～1/6 000。因黃河決口、泛濫，形成三種明顯的微型地貌。在區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造上，位于華北中，新生代盆地南緣，為巨厚的新生界松散沉積物覆蓋。虞城縣地處中緯度，屬于東部暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為14.1℃，年均降水量726.5 mm[3-4]。

2 水文地質(zhì)條件分析

2.1 地下水富水性

2.1.1 淺層水

全區(qū)淺層水屬第四系全新統(tǒng)，頂板埋深10～20 m，底板20～40 m，水位埋深一般2～4 m。局部地區(qū)和背河洼地 1～2.5 m，灘地4～6 m。按其含水厚度、巖性、出水量，分富水區(qū)、中等富水區(qū)和貧水區(qū)3個(gè)類型。

富水區(qū)位于古河道的主流帶，呈西北東南向條帶狀。主要分布在大侯至聞集和芒種橋，沙集至黃冢、界溝等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積為443.2 km2占全縣總面積的28.4%。含水砂層頂板深度10～20 m，厚度10～15 m，局部15～20 m。巖性細(xì)砂、中細(xì)砂。水平滲透系數(shù)10 m/d左右。含水砂層之上為淺黃、灰色粉土為主，夾粉質(zhì)粘土薄層及1～2層“黑土”。底板為一分布較普遍的黑色粉質(zhì)粘土層或粉細(xì)砂透鏡體薄層，含鈣質(zhì)結(jié)核較多。單井涌水量1 000～3 000 m3/d。

中等富水區(qū)位于古河道的泛流帶，呈西北東南向條帶狀，分布在富水區(qū)的兩側(cè)，面積為291.0 km2，占全縣總面積的18.7%。細(xì)砂、粉細(xì)砂層頂板深度10～30 m，厚度5～10 m，中等富水，單井涌水量500～1 000 m3/d。

貧水區(qū)位于古河道的邊緣帶。多集中分布在城關(guān)鎮(zhèn)至營(yíng)盤鄉(xiāng)以北與黃河故道以南區(qū)域。面積為823.8 km2，占全縣總面積的52.9%。其主要水文地質(zhì)特征為垂直方向上無(wú)主要含水砂層分布，一般為粉質(zhì)粘土、粉土及薄層細(xì)粉砂、粉細(xì)砂層互層，屬層次多而薄的“多層結(jié)構(gòu)”型。單井涌水量小于500 m3/d。

2.1.2 中深層水

本區(qū)中深層水為新近系沖積—湖相沉積承壓含水層。站集、沙集以南為自流水，流量10～37 m3/h。水質(zhì)好，均為淡水。在稍崗施工的YC004井，在350～490 m之間，分布的砂層厚約60 m，單層厚度3～8 m。含水層以細(xì)砂為主, 其次為中砂、粉砂，含水層富水性較好, 降深10 m，單井涌水量達(dá)1 500～3 000 m3/d, 個(gè)別達(dá)3 600 m3/d。水化學(xué)類型為 HCO3-Na型及 HCO3· Cl-Na型, 礦化度0.54～0.92 g/L, 總硬度0.44～1.81 mol/L, pH 值為7.50～8.62[5]。

2.2 淺層水的補(bǔ)給、徑流、排泄

本區(qū)地下水的補(bǔ)徑排條件，由于埋藏條件及賦存特征的不同，淺層水屬于潛水或微承壓水類型，補(bǔ)給主要為大氣降水補(bǔ)給，逕流途徑較短，徑流區(qū)、排泄區(qū)同補(bǔ)給區(qū)基本一致。中深層屬承壓水類型，補(bǔ)給主要為側(cè)向徑流補(bǔ)給，其補(bǔ)給區(qū)較遠(yuǎn)。徑流區(qū)、排泄區(qū)不同，本區(qū)主要屬?gòu)搅鲄^(qū)。

2.2.1 淺層地下水的補(bǔ)給

本區(qū)淺層地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為：大氣降水入滲補(bǔ)給、灌溉回滲補(bǔ)給、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、河渠滲漏補(bǔ)給等。

(1)商丘地區(qū)多年年平均降水量623 mm[5-8]，大氣降水入滲補(bǔ)給是本區(qū)淺層地下水的主要補(bǔ)給方式。本區(qū)地勢(shì)平緩，地下水埋深多在3～5 m之間，包氣帶巖性主要為粉土、粉質(zhì)粘土等，結(jié)構(gòu)疏松，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給。

(2)灌溉回滲補(bǔ)給

區(qū)內(nèi)機(jī)井密布，大部分農(nóng)田可利用機(jī)井灌溉，據(jù)1998年經(jīng)濟(jì)和社會(huì)統(tǒng)計(jì)，此灌溉水滲漏入滲補(bǔ)給也是淺層地下水主要補(bǔ)給方式之一。

(3)河渠滲漏補(bǔ)給

本區(qū)有黃河故道、虬龍溝、柳公河、響河、東沙河、包河等季節(jié)性河流，由于土質(zhì)疏松，地表水可下滲或側(cè)滲補(bǔ)給地下水。

(4)側(cè)向徑流補(bǔ)給

主要是來(lái)自本區(qū)北部流入的地下徑流量，由于水力坡度較小，地下水徑流量很小。

2.2.2 淺層地下水的徑流

天然條件下，淺層地下水水位埋深主要與地形變化有關(guān)，本區(qū)淺層地下水流向總體與地形傾向一致。本區(qū)淺層地下水總體以垂直交替運(yùn)動(dòng)為主，周邊側(cè)向徑流作用很微弱。垂直交替是淺層水運(yùn)動(dòng)的主要特征。本區(qū)位于豫東平原，大面積為開闊平坦的沖積平原，歷史上黃河在本區(qū)多次決口泛濫，造成包氣帶和水位變動(dòng)帶巖性以顆粒較粗的砂性土為主，為降水、地表水、灌溉水的垂直下滲補(bǔ)給和水分垂直問上蒸發(fā)消耗創(chuàng)造了條件；加之地上水和地下水徑流遲緩，所以本區(qū)淺層地下水為典型的"垂直調(diào)節(jié)型的天然地下水庫(kù)"。垂直交替是淺層水運(yùn)動(dòng)的主要特征，淺層水的周邊側(cè)向徑流十分微弱。

2.2.3 淺層地下水的排泄

區(qū)內(nèi)淺層地下水的排泄方式主要有：開采排泄、越流下滲排泄、徑流排泄、蒸發(fā)排泄等。

(1)開采排泄是本區(qū)淺層地下水的主要排泄方式，本區(qū)人口密度較大，人蓄用水多以開采淺層水為主。區(qū)內(nèi)機(jī)民井密布，除渠灌區(qū)外，農(nóng)業(yè)灌溉多以開采淺層地下水為主。

(2)越流排泄：據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料，本區(qū)淺層地下水位高于中深層地下水水位，由于淺層含水層與中深層含水層之間無(wú)良好的隔水層(多為粉土、粉質(zhì)粘土)，加之中深層開采井止水不良或未止水，淺層地下水可下滲越流補(bǔ)給中深層水。

(3)徑流排泄：從等水位線圖上可以看出，本區(qū)南部有少量地下水向境外排泄。

(4)蒸發(fā)排泄：蒸發(fā)受地下水位埋深、 巖性、氣候等因素影響。據(jù)本次調(diào)查資料，北部地段節(jié)埋深2～4 m，地下水存在著蒸發(fā)排泄。淺層水的補(bǔ)給、徑流，排泄條件，是地下水形成的主要因素，受地形地貌、自然地理、水文地質(zhì)及人為活動(dòng)所控制。

3 地下水資源量計(jì)算

3.1 參數(shù)的選擇與確定

參與地下水資源計(jì)算所利用的參數(shù)主要有：重力給水度(μ)，降水入滲系數(shù)(α)，灌溉回滲系數(shù)(β)，現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的確定分述如下：

(1)重力給水度(μ) 地下水位變動(dòng)帶巖性以粉土為主，給水度(u)值一般0.045。地下水位變動(dòng)帶巖性以粉土和粉質(zhì)粘土互層為主，給水度(u)值一般0.040。

(2)降水入滲系數(shù)(α)取0.18

(3)灌溉回滲系數(shù) (β)取0.1

3.2 地下水資源計(jì)算

3.2.1 均衡方程的建立

本區(qū)淺層地下水運(yùn)動(dòng)以垂直交替為主，側(cè)向逕流較弱，大部分地區(qū)地下水埋藏較深，超過極限蒸發(fā)深度。水位動(dòng)態(tài)屬“入滲-開采型” 。淺層地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給、灌溉入滲補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給。計(jì)算時(shí)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元，由于地勢(shì)平坦，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間不計(jì)徑流聯(lián)系。淺層地下水的補(bǔ)給量包括：大氣降水入滲補(bǔ)給量、河渠滲漏補(bǔ)給量、農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)給量。

即：Q補(bǔ)=Q降+Q河補(bǔ)+Q灌回

(1)

式中：Q補(bǔ)為淺層地下水總補(bǔ)給量(萬(wàn)m3/a)；Q降為大氣降水滲入補(bǔ)給量(萬(wàn)m3/a)；Q灌回為灌溉回滲補(bǔ)給量(萬(wàn)m3/a)；Q河為河流滲漏補(bǔ)給量(萬(wàn)m3/a)；

3.2.2 淺層地下水補(bǔ)給量的計(jì)算

本區(qū)淺層水的補(bǔ)給來(lái)源主要有大氣降水入滲補(bǔ)給，灌溉回滲補(bǔ)給、河流滲漏補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給及坑塘滲漏補(bǔ)給。

(1)大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算

根據(jù)虞城縣多年氣象資料，多年平均降水量726.5 mm。降水入滲補(bǔ)給量按下式計(jì)算：

Q降滲=P·α·F·102

(2)

式中：Q降滲為降水入滲量(萬(wàn)m3/a)；P為年降水量(m/a)；α為年平均入滲系數(shù)；F為計(jì)算區(qū)面積(km2)。

(2)灌溉回滲量

本區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉主要是井灌，主要農(nóng)用物是小麥、玉米、棉花、大豆、花生等。灌溉定額井灌多年平均100 m3/畝。用下式計(jì)算灌溉回滲量：

Q灌滲=β·q·F

(3)

式中：Q灌滲為灌溉回滲量(萬(wàn)m3/a);β為灌溉回滲系數(shù)；F為灌溉面積(萬(wàn)畝)；q為灌溉定額(m3/畝)。

(3)河流側(cè)滲補(bǔ)給量

本次主要計(jì)算河流對(duì)地下水的補(bǔ)給量，其補(bǔ)給量用下式計(jì)算：

Q河= B·L·t

(4)

式中：Q河為河流對(duì)地下水的補(bǔ)給量 (萬(wàn)m3/a)；B為河流單位長(zhǎng)度補(bǔ)給量(m3/d)；t為行水時(shí)間(d)

河流滲漏量結(jié)果見表1。

表1 河流滲漏量計(jì)算表

虞城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)補(bǔ)給資源量情況見表2。

表2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)補(bǔ)給資源量一覽表

3.2.3 淺層水容積儲(chǔ)存量

容積儲(chǔ)存量是指儲(chǔ)存于淺層含水層內(nèi)的重力水體積，本次計(jì)算100 m以淺含水層容積儲(chǔ)存量。含水層給水度為0.10，弱含水層給水度為0.04。其值按下式計(jì)算：

Q儲(chǔ)=μ1H1F+μ2H2F

(5)

式中：Q儲(chǔ)為容積儲(chǔ)存量(m3)；μ1為含水層平均給水度；μ2為弱含水層平均給水度；H1為含水層平均厚度(m)； H2為弱含水層平均厚度(m)；F為計(jì)算區(qū)面積(m2)。

虞城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)容積儲(chǔ)存量情況見表3。

表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水容積儲(chǔ)存量一覽表

3.2.4 中深層地下水資源

中深層地下水指埋藏于350～500 m的下更新統(tǒng)、新近系含水層。含水層100～350 m段，富水性中等，導(dǎo)水系數(shù)285.25 m2/d，滲透系數(shù)10.57 m/d，釋水系數(shù)0.026，水質(zhì)較差[9]，本次不予計(jì)算。全區(qū)中深層含水層按時(shí)代可劃分為2個(gè)含水層組，即下更新統(tǒng)含水層、新近系含水層組。含水層以中細(xì)砂、細(xì)砂為主，砂層總厚50～70 m。參考商丘地區(qū)淺層地下水攻關(guān)研究報(bào)告，彈性釋水系數(shù)為1.0×10-3。靜水位為80 m，動(dòng)水位按150 m考慮，水頭允許降深按100 m， 350～500 m取水段含水層平均厚度60 m。按上式計(jì)算各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中深層資源量(見表4)。

表4 各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))中深層地下水資源量

中深層含水層彈性儲(chǔ)存量按下式計(jì)算：

W彈= F·S·h

(6)

式中：W彈為含水層彈性儲(chǔ)存量(m3)；F為計(jì)算區(qū)面積(m2)；S為彈性釋水系數(shù)；h為承壓水含水層自頂板算起的壓力水頭高度(m)

虞城縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中深層地下水資源量情況見表4。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本區(qū)淺層及中深層地下水資源較豐富，含水層為第四系沖積、新近系湖積的粉細(xì)砂、細(xì)砂、中細(xì)砂等。淺層地下水以大氣降水入滲、農(nóng)田灌水回滲補(bǔ)給為主，地下水徑流以垂直交替運(yùn)動(dòng)為主，周邊側(cè)向徑流作用很微弱；開采排泄是本區(qū)淺層地下水的主要排泄方式。中深層地下水以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主。

(2)淺層地下水主要有大氣降水入滲補(bǔ)給、河渠滲漏補(bǔ)給、農(nóng)田灌溉回滲補(bǔ)等，經(jīng)計(jì)算，全區(qū)淺層地下水補(bǔ)給資源量為22 896.98萬(wàn) m3/a；本次以容積儲(chǔ)量法計(jì)算100 m以淺含水層容積儲(chǔ)存量為386 100萬(wàn) m3；以彈性儲(chǔ)存量法求得中深層儲(chǔ)存水資源量為40 095萬(wàn) m3。