灘小關水源地地下水計算與評價

邵忠瑞，趙目軍，井小芹

(1.河南省地質礦產勘查開發局第三地質探礦隊，河南洛陽471023;2.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南鄭州450053)

灘小關水源地地下水計算與評價

邵忠瑞1，趙目軍2，井小芹2

(1.河南省地質礦產勘查開發局第三地質探礦隊，河南洛陽471023;2.河南省地質礦產勘查開發局第二水文地質工程地質隊，河南鄭州450053)

灘小關水源地位于伊洛河口以東的黃河漫灘區，西、北、東分別與伊洛河和黃河相鄰，屬傍河型水源地。對埋深60 m以淺的地下水進行了計算與評價。計算方法主要采用水量均衡法、數值法評價地下水允許開采量，對淺層地下水資源保證程度進行了評價。兩種方法的計算結果差別較小，結果可靠。開采量中大部分來自黃河、伊洛河的側滲補給和洪水入滲補給，開采條件下河流入滲補給量僅占黃河最小流量的1 453分之一。因此，該水源地的允許開采量是完全可靠的。

水源地;計算;評價

灘小關水源地位于伊洛河入黃河口以東，北、西分別依黃河、伊洛河，三面環水，屬傍河型水源地。地下水資源評價的目的層是黃河灘地埋深60 m以淺的淺層含水層組。地下水資源量評價依據的原則是:在技術經濟條件許可的前題下最大限度地奪取河流水補給量，且開采地下水不致于發生危害性的環境地質問題。依據水源地類型及前述水文地質條件，采用水量均衡法、數值法評價地下水允許開采量，并對淺層地下水資源保證程度進行評價。

1 參數確定

參與地下水資源計算的水文地質參數主要有重力給水度(μ)、含水層滲透系數(K)、降水入滲系數(α)、灌溉回滲系數(β)系數等。

1.1 重力給水度(μ)

根據抽水試驗資料、氣象及地下水動態資料計算出給水度，見表1。

1.2 滲透系數(K)

根據抽水試驗計算成果及已有地質資料，確定含水層滲透系數為33 m/d。

表1 不同巖性重力給水度值

1.3 降水入滲系數(α)

根據地下水位動態長觀資料，降水量以及不同區域水位變動帶巖性的重力給水度等，計算出降水入滲系數為0.23～0.35。

1.4 灌溉回滲系數(β)

灌溉回滲系數(β)依據水源地灌溉回滲試驗成果，井灌取 0.10，渠灌取 0.20。

2 二維有限差分法

2.1 水文地質概念模型的建立

通過對區內水文地質條件的綜合分析，可將評價區的范圍確定為:北部和東部至黃河主河道中心線，南部至黃土丘陵邊緣，西部至伊洛河對岸。

區內淺層含水層組之間水力聯系比較密切，將其概化為具有同一水力聯系的潛水含水層;水流為平面二維流，且服從達西定律;評價區內含水層為非均質各向同性潛水含水層，對含水層的非均質性，通過對主要水文地質參數取平均值的方法，將其概化為3個均質區，即3個參數區。各參數分區的分布規律為:Ⅰ區位于嶺北斷層以北的地區，主要巖性為粉砂、粉細砂、含卵石粗中砂，底板標高約為35 m;Ⅱ區分布在嶺北斷層以南的西部地區，主要巖性為粉砂、粉細砂、含卵石粗中砂及粉質粘土，底板標高約為35～45 m;Ⅲ區為嶺北斷層以南的東部地區，主要巖性為粉砂、粉細砂、含卵石粗中砂，底板標高約為65 m。

評價區邊界條件可概化為:上部為有蒸發排泄及降水入滲補給，沿黃河及伊洛河為河流有垂直補給或排泄關系的河流邊界;下部邊界在Ⅱ區和Ⅲ區評價至由粉質粘土所組的隔水層，定為隔水邊界，在Ⅰ區計算至埋深70 m，亦概化為隔水邊界;在評價區的四周邊界上，只有在南部Ⅱ區與黃土丘陵交界處概化為有補給的二類邊界，其余各處均概化為零流量邊界。

2.2 數學模型

依據概化的水文地質概念模型，評價區內淺層含水層系統多孔介質地下水流動的二維有限差分數學模型可用下面的偏微分方程來描述:

式中:x，y為笛卡爾坐標;t為時間;h為水頭標高;B為含水層底板標高;μ為重力給水度;K為滲透系數;w為源匯項;Ω為計算區域;H0為初始水位;n為邊界外法線;Γ2為二類邊界條件;q為二類邊界單寬流量;

以上數學方程可應用有限差分法來進行離散，形成線性方程組，然后迭代求解。

黃河、伊洛河作為第三類邊界條件——交換邊界處理。從河流橫剖面示意圖1上看出，河流通過低滲透性底積物與含水層發生水力聯系，根據達西定律，橫剖面法線上河流和含水層的交換量為:

所以整個河流和含水層的交換量可用如下公式表示:

式中:QR為河流側滲量(m3/d);hR為河流水位(m);h為地下水位(m);W為河流寬度(m);M為河床底積層厚度(m);KC為河床底積層滲透系數(m/d);L為河流長度(m)。

因此，河流和含水層之間的交換量由河水水位hR、潛水水位h、底積物的滲透系數kC、底積層的厚度M以及河流的長度L和寬度W共同控制。

2.3 開采量評價及地下水位的動態預報

2.3.1 初始流場及預報時段

以2002年12月25日抽水試驗前的實測地下水流場作為預報的初始流場。

預報時間定為5 a，考慮到黃河及伊洛河水位的變幅比較大，降水量及蒸發量年度內分布極不均勻，依據上述因素，把每個水文年分為4個時段。降水量及蒸發量取每個時段的多年平均值，黃河水位及伊洛河水位的確定依據黃河大橋的河水位實測值及小浪底水庫的運營情況確定見表2。

圖1 河流橫剖面示意圖

表2 年均降水量、蒸發量及黃河水位一覽表

2.3.2 開采條件下邊界條件及源匯項的處理

開采條件下，由于開采量的增加，必將引起淺層地下水水位的大幅度下降，尤其在開采井附近地區更為顯著，這將會使地下水的蒸發量和降水入滲量有不同程度的減少，同時由于水位的降低將激發黃河及伊洛河的補給，它們將成為水源地開采量的主要補給來源。預報時，仍把南部邊界西段作為二類補給邊界，屆時其補給量會略有增加，其它部分的邊界條件仍處理為零流量邊界。

2.3.3 開采方案的確定及水位的預測

1)第一方案(原設計開采方案)

開采井的分布情況見圖5－7，總出水量4.85萬 m3/d，沿灘內生產堤東西向布井兩排，共布井12眼，井距400～500 m，其中 TK1、TK2、TK3、TK4等四眼井單井出水量為 3 500 m3/d，TK5 號井的單井出水量為 3 000 m3/d，TK6、TK7、TK8、TK9、TK10、TK11、TK12等七眼井的單井出水量為 4 500 m3/d。

預測開采5年時，淺層地下水部分開采井計算水位歷時曲線見圖2。從圖中可知，該方案開采2年零2個月后區內地下水流場趨于穩定。

圖2 開采條件下部分開采井水位歷時曲線

部分開采井計算水位及經過換算后井壁水位見表3，由結果可知灘小關水源地計算單元水位最大降深為14.21 m，經過換算后井壁處最大降深為19.26 m。由計算水位換算至井壁水位的附加降深計算公式為:

式中:Q為開采井出水量(m3/d);T為含水層導水系數(m);rw為開采井的半徑 (m);x為從井到單元計算水頭徑向距離(m)。

2)第二方案

開采井的分布情況見圖3，總出水量4.8萬 m3/d，沿黃河雙排布井，井距離黃河水邊線的最短距離為500 m，共布井12眼，井距450～500 m，各開采井單井出水量均為4 000 m3/d。第二方案部分開采井水位情況見表4。

圖3 開采條件下TK1、TK11井水位歷時曲線

表3 第一方案部分開采井水位降深表

表4 第二方案部分開采井水位一覽表 m

3 水均衡法

開采條件下的地下水資源，系指由于水源地的開采，地下水的補徑排關系進行新的調整，達到新的平衡的地下水資源。擬建水源地屬中型傍河型水源地，由于它的開采，將明顯改變地下水的補給條件，為此，以數值法計算的開采五年后的穩定流場為背景，以現狀均衡的參數和方法，計算開采條件下各種布井方案的地下水補給量、排泄量，以便論證擬建水源地的開采量。

開采條件下地下水均衡方程為:

式中:Q補為地下水總補給量(m3/a);Q排為地下水總排泄量(m3/a);μ為地下水水位變動帶重力給水度;F為均衡區面積(m2);ΔH為與Δt時段相對應的地下水變幅(m);Δt為均衡時段(d);Q降滲為大氣降水入滲補給量(m3/a);Q灌滲為灌溉回滲補給量(m3/a);Q河滲為河流側滲補給量(m3/a);Q徑補為地下水徑流補給量(m3/a);Q洪滲為洪水淹沒入滲補給量(m3/a);Q開采為地下水開采量(m3/a);Q蒸發為地下水蒸發排泄量(m3/a)。

表5 流場穩定時地下水資源量均衡表

3.1 開采條件下補給量計算

3.1.1 降雨入滲補給量

開采條件下區域水位下降1～14 m，降雨入滲系數隨滲透途徑的增加而減小，依據不同巖性、不同埋深的降雨水入滲系數值，各均衡區水位埋深、多年平均降雨量(除去10%的無效降雨量)，計算出不同布井方案的降水入滲補給量，結果見表6。

表6 降水量入滲量計算表

3.1.2 地下水徑流補給量

根據所選斷面位置、斷面長度、含水層平均厚度、不同方案開采條件下地下水平均水力坡度，滲透系數，利用達西公式計算地下水徑流補給量見表7。

表7 地下水徑流量計算表

3.1.3 洪水淹沒入滲補給量

洪水淹沒入滲補給量按多年平均值計算，見表8。

表8 淹沒入滲補給量計算表

3.1.4 灌溉回滲量

開采條件下灌溉回滲量按多年平均值計算，見表9。

3.1.5 漁塘滲漏量

漁塘滲量按多年平均值計算，結果為73.03×104m3。

3.2 開采條件下排泄量計算

3.2.1 地下水蒸發量

開采五年后地下水流場穩定，水位下降1～14 m，地下水蒸發面積減少。其蒸發量按不同開采方案進行計算，結果見表10。

表9 灌溉回滲量計算表

3.2.2 農業開采量

按多年平均值計算，結果見表11。

3.2.3 地下水徑流排泄量

開采條件下各斷面流量同表7。

3.3 開采條件下地下水均衡分析

將以上計算的各資源量，按不同布井方案分別列入表12，計算出各種方案的補給量排泄量和均衡差。

從表中可以看出:第一布井方案其補給量為51 106 m3/d，排泄量為50 912 m3/d，補給量大于排泄量;第二布井方案補給量為53 762 m3/d，排泄量為52 348 m3/d，補給量大于排泄量。

表10 蒸發量計算結果表

表11 農業開采量統計表 ×104m3/a

4 淺層地下水資源保證程度評價

用數值法、均衡法所計算的開采條件下各種布方案的補給量、排泄量列于表13。

從表中可以看出，不同方法計算結果差異較小。在開采條件下，淺層地下水總補給量為5.11×104m3/d。允許開采量為4.85×104m3/d。淺層地下水補給量重點計算了河水側滲補給量，黃河、伊洛河側滲補給量數值法計算結果:第一方案為37 705 m3/d，第二方案為39 682 m3/d。均衡計算結果第一方案為36 847 m3/d，第二方案為39 402 m3/d。相比之下數值法比均衡法補給量稍大，第一、第二方案分別大858 m3/d和280 m3/d。有限的差別是由于計算面積略有差異造成的。說明不同方法差別較小，計算的結果可靠。因此，選取4.85×104m3/d作為灘小關水源地的允許開采量是適宜的。

表12 開采條件下均衡計算表

表13 開采條件下均衡計算匯總表

從計算的結果分析，灘小關水源地開采量中大部分(77.2%～78.2%)是來自黃河、伊洛河的側滲補給和洪水入滲補給，據黃河小浪底水文站多年統計資料:黃河多年平均流量1 099.5 m3/s，最小平均流量 663.83 m3/s(1977 年)，有史以來，勘探區段黃河未出現過斷流，開采條件下河流入滲補給量僅占黃河平均流量的2 406分之一，占最小流量的1 453分之一。因此，灘小關水源地的允許開采量是完全可靠的。

［1］水文地質手冊.編寫委員會［M］.水文地質手冊(第一版).地質出版社.1985.

［2］房佩賢等.專門水文地質學［M］.北京:地質出版社.2005.

［3］劉兆昌等.供水水文地質(第三版)［M］.北京:中國建筑工業出版社.2000.

［4］唐書平等.河南省鞏義市灘小關水源地供水水文地質勘探報告.2003.

Calculation＆Evaluation on Groundwater of Tanxiaoguan Source

SHAO Zhong－rui，ZHAO Mu－jun，JING Xiao－qin
(1.the 3rd geological prospecting team，Henan provincial Geology and Mineral Resources Exploration and Development Bureau Luoyang 471023，Henan;2.the 2nd Hydrogeological engineering team，Henan provincial Geology and Mineral Resources Exploration and Development Bureau Zhenzhou 450053，Henan)

The Tanxiaoguan water－ source is located the Yellow River floodplain area of the Yiluo river estuary east，west，north，east of the area is adjacent to the Yiluo and the Yellow River，is along River water source.For calculation and evaluation of shallow groundwater in 60m depth，its uses the water balance method，the numerical method to calculate the extraction of groundwater，shallow groundwater resources to ensure the extent.The differences of calculation results of the two methods are les，which is the reliable result.Most of the extraction from the Yellow River，Yiluo lateral seepage recharge and flood recharge from river infiltration recharge is only a minimum flow of the Yellow River 1453 one，under mining conditions.Therefore，it allows the extraction of the water source is completely reliable.

The water source;to calculate and to evaluate

TV131

A

1004－1184(2012)04－0053－05

2012－03－19

邵忠瑞(1974－)，男，吉林梅河口人，工程師，主要從事水文地質、工程地質及環境地質工作。