城市供水水源地可利用水量計算

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。設計開采量為60 000 m3/d，并平均分配至各水源井。

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

2 論證范圍的確定

目標含水層沿大凌河支流呈條帶狀分布，據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，地下水流向自西向東。結合周圍地形條件及已探明的水文地質條件。論證區總面積為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。

3 論證范圍內水文地質狀況

論證區兩側為低山丘陵，標高為425～550 m。中間為河谷平原區，寬度為1 300～1 870 m。對應著三種地貌形態，分別為：南北兩側的低山丘陵區、山前坡洪積扇群、河谷區沖洪積階地。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層位。其上覆亞砂土或含礫亞粘土層，厚度自南北兩側向中間減小。

3.1 水文地質分區

據已有的勘察資料，研究區可分為3個主要富水地段：

1）水量豐富區。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。單井出水量小于1 000 m3/d，對應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，厚度不穩定，地下水位埋深通常大于9 m

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

3.2 地下水補給，徑流與排泄特征

大凌河河谷平原是一個相對獨立的水文地質單元。地下水主要接受大氣降水入滲補給、上游河谷區孔隙潛水入滲補給、兩側山區地下水側向徑流補給，此外，還包括農田灌溉回滲補給及地下水開采條件下河流的激發補給。

地下水的徑流特征主要受地形、地貌及水文地質條件的控制。表現為：南北兩側地下水向河谷平原區匯集后，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、農業灌溉開采、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，毛細作用微弱，故蒸發作用不明顯。

3.3 地下水動態類型

水源地范圍內地下水動態類型屬于氣象-開采型。1—6月份受農業開采的影響，地下水位緩慢下降，7—9月份，由于降水入滲量增多，且農業開采量減少，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，并趨于穩定。

4 水源地地下水資源量論證

4.1 地下水資源量計算

4.1.1 地下水天然補給資源量計算

采用資源補給總和法，計算平水年及枯水年降水入滲補給量、上游地下水徑流補給量、山區地下水側向補給量和灌溉回滲量。

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

降水入滲量的計算采用式（1）：

式中：Qs——降雨入滲補給量，m3；Pi——降雨量；F——計算面積，km2；α——有效降水率，%；β——有效降水入滲系數。計算結果見表1。

表1 降水入滲量計算成果表

2）計算區上游斷面地下水流入量。地下水側向徑流補給是研究范圍內水資源量的另一個重要組成。計算地下水徑流斷面分別設置于二十里堡至二十五里堡之間，以及宮家燒鍋南側約600 m山口處。側向流入量計算公式采用式（2）：

式中：Qi側——斷面側向補給量，104m3/a；Hi——i個典型年枯水期過水斷面厚度，m；B——過水斷面寬度，m；K——過水斷面周圍含水層平均滲透系數，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，0.35；μ——目標含水層給水度，0.31；Xi——i個典型年的降雨量，m。地下水側向徑流補給量見表2。

表2 計算區地下水側向徑流補給量

3）山前側向補給量。借鑒水源地已有的勘察報告結果，采用徑流模數法計算山前側向補給量：

式中：Qi側——山前側向補給，104m3/a；Mi——i個典型年山區地下水徑流模數，L/s·km2；M′——山區多年平均徑流模數，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。計算結果見表3。

表3 山區地下水側向補給量計算成果表

4.1.2 地下水排泄資源量計算

1）計算區內當地用水量。依據《凌源市十五里堡供水水文地質勘察報告》調查結果，并結合計算區范圍內的鄉鎮分布位置，估算計算區內工業、農業、人畜開采地下水資源總量約為180萬t/a。

2）計算區內水源地的開采量。已有水源地的設計報告結果顯示，計算區內共有6處水源井，設計單井開采量均為10 000 m3/d，則計算區內水源地總開采量為2 190×104m3/a。

3）地下水側向流出量。采用式2計算地下水側向流出量，水力坡度依據2009年最新觀測資料進行計算，值為0.004，滲透系數657.20 m/d，有效降水入滲系數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，各典型年排泄量計算成果見表4。

表4 地下水側向徑流排泄量計算成果表

4.1.3 其他可利用地下水資源量計算

1）河流激發補給量。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，進而引起河水激發補給。通過計算研究在設計開采量條件下，激發補給資源量所占比例用式（4）計算，邊界附近開采井降深的計算：

式中∶Qi——設計開采量，10 000 m3/d；K——滲透系數，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，相同降深值對應的井口出水量用式（5）計算：

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

井口出水的激發補給量可計算為Q激=Qi-Qf，激發補給量見表5。

在各井維持10 000 m3/d開采量的情況下，河水激發補給進入井口的水量為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算的研究區河水激發補給總量可達5 183×104m3/a。可見，在開采條件下，有相當數量的水量進入開采含水層，并有5%的激發補給量用于供水。

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

式中：Q農——農業灌溉水量，150×104m3/a；a′——灌溉回滲系數，0.35。計算 Q灌=52.4×104m3/a。

表5 各井出水河流激發補給所占比例表

4.2 地下水均衡與評價

綜上所述，對所計算的補給量、排泄量進行匯總，結果見表6。

表6 計算區地下水均衡成果表

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給。事實上，據最近統計報告顯示，計算區內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，將引起研究區范圍內的地表水斷流。

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

[2]江行久.阜新經濟轉型期水資源開發潛力研究[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].中國農村水利水電，2006（2），44～46.

[4]江行久.礦井水資源化研究與應用[J].節水型社會建設的理論與實踐，700～704.

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

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