興國縣北部地下水補給量估算

何麗珊, 劉金輝, 李林波, 徐衛(wèi)東

(東華理工大學,江西 南昌 330013)

地下水資源在保障人民生活、促進社會經(jīng)濟發(fā)展、維持生態(tài)平衡等方面均具有十分重要的作用,一個地區(qū)地下水資源量的多少通常取決于其地下水補給量的大小,同時,補給量是決定地下水開發(fā)利用的前提條件。

興國縣是著名的將軍縣,也是國家重點扶貧地區(qū)。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),興國縣北部地區(qū)居民把地下水作為生活飲用水源,將地表水(河流、水庫)作為農(nóng)田與養(yǎng)殖用水水源,地下水資源的開發(fā)利用對當?shù)厝嗣裆罹哂胁豢商娲淖饔谩１疚慕Y合興國縣北部高興幅、均村幅1∶5萬水文地質調(diào)查成果，運用地下徑流模數(shù)法及降雨入滲系數(shù)法，對研究區(qū)地下水徑流、補給、排泄條件進行研究,估算地下水補給量,為該地區(qū)地下水資源規(guī)劃與開發(fā)提供依據(jù)。

1 自然地理

1.1 氣象

研究區(qū)位于江西興國縣北部(東經(jīng)115°00′～115°30′,北緯26°20′～26°30′),面積為920 km2,系亞熱帶季風濕潤氣候,氣候溫和,雨量充沛,年平均氣溫為18.8 ℃,多年平均降雨量1 560 mm,一般4—6月為汛期,占全年降水的48.5%,10月—次年2月降水相對較小[1]。

1.2 水文

圖1 2016—2017年興國地區(qū)月降雨量與多年平均月降雨量Fig.1 Monthly rainfall and annual mean monthly rainfall in Xingguo area from 2016 to 2017

研究區(qū)地表水系發(fā)育,主要河流有瀲江、歲水、澗水及武術河,汛期來水集中期間,徑流量約占年徑流總量的五成[1]。此外,還擁有集防洪發(fā)電于一體的大Ⅰ型年調(diào)節(jié)水庫長岡水庫以及其他一些中小型水庫。

1.3 地形地貌

研究區(qū)東部以低山、丘陵地貌為主,局部有中山、平原。按地貌成因類型分為侵蝕構造地形、構造剝蝕地形、丹霞地貌三類。研究區(qū)西部為中低山丘陵地形,主要為變質巖、花崗巖中低山區(qū),花崗巖丘陵區(qū),為侵蝕構造和構造剝蝕構造地形。

2 地質、水文地質概況

2.1 地質概況

研究區(qū)地層較發(fā)育,主要有青白口系、震旦系、寒武系、泥盆系、白堊系及第四系,出露面積771 km2,占研究區(qū)總面積的83.8%。從地質構造上看,研究區(qū)位處贛中南褶隆,大湖山芙蓉山隆斷束中部。根據(jù)沉積建造,變形特征的不同,可劃為新元古代—早古生代加里東褶皺基底、晚古生代印支褶皺蓋層、燕山—喜馬拉雅大陸邊緣拉分盆地沉積(大陸活化型)三個構造層。研究區(qū)褶皺構造有基底褶皺與蓋層褶皺,斷裂構造長度一般>10 m,主要有北北東向、北東向、北西向及南北向斷裂,還有發(fā)育弧形斷裂及旋滑構造[2]。

2.2 水文地質概況

2.2.1 含水巖組

研究區(qū)含水巖組具有以下特征:第四系松散巖類孔隙含水巖組主要分布在歲水,瀲江、澗水河流及其上游支流兩岸,富水性中等—貧乏,水位、流量隨降水量的變化而變化;白堊系砂礫巖孔隙裂隙含水巖組主要分布于中部的興國紅層盆地內(nèi),風化裂隙發(fā)育,富水性貧乏—極貧乏;寒武系變質巖裂隙含水巖組主要分布于研究區(qū)西部,地表風化裂隙發(fā)育,富水性貧乏—極貧乏;震旦系變質巖裂隙含水巖組主要分布于中部和東部,地表風化裂隙發(fā)育,含表層風化裂隙潛水,富水性貧乏;青白口系變質巖裂隙含水巖組主要分布在研究區(qū)東部的丘陵山地,發(fā)育風化裂隙,含風化裂隙潛水,富水性極貧乏;花崗巖裂隙含水巖組以燕山期花崗巖為主,其次為加里東期花崗巖主要分布于隆坪及長岡水庫周邊地區(qū)北部,裂隙不發(fā)育,富水性極貧乏。以上含水巖組地下水位及水量隨降雨量的變化而變化,受氣候影響較為明顯,為當?shù)卮迕裆钣盟础?/p>

2.2.2 地下水系統(tǒng)

地下水系統(tǒng)是具有水量,水質和能量輸入、運移和輸出的地下水基本單元及其組合,是指在時空分布上具有共同地下水循環(huán)的一個獨立單元,它可以包括若干次一級的亞系統(tǒng)或更低的單位,是一個錯綜復雜,受各種自然因素、人為因素所控制的統(tǒng)一體。

研究區(qū)地下水系統(tǒng)確定的依據(jù)是:①根據(jù)地表水系流域,結合地形地貌特征確定地下水系統(tǒng)分布范圍;②地下水系統(tǒng)邊界由隔水巖層或分水嶺確定。據(jù)此,將研究區(qū)地下水系統(tǒng)劃分為5個五級地下水系統(tǒng)(如圖2所示)。

圖2 研究區(qū)含水巖組及地下水系統(tǒng)分布圖Fig.2 Distribution map of water bearing rock group and groundwater system in study area1.第四系松散巖類孔隙含水巖組;2.白堊系砂礫巖孔隙裂隙含水巖組;3.寒武系變質巖裂隙含水巖組;4.震旦系變質巖裂隙含水巖組;5.青白口系變質巖裂隙含水巖組;6.花崗巖裂隙含水巖組;7.地下水系統(tǒng)邊界;8.斷層構造;9.河流、水庫;10.瀲江地下水系統(tǒng);11.歲水地下水系統(tǒng);12.澗水地下水系統(tǒng);13.水槎鄉(xiāng)地下水系統(tǒng);14.武術河地下水系統(tǒng)。

3 地下水補給量估算

興國北部地處基巖山區(qū),地下水補給來源主要是大氣降水的入滲補給,地下水徑流途徑較短,地下水位通常高于河水位。由于枯水期河流基流量主要由地下水轉化而來,因而可以近似將其作為地下水的補給量。

3.1 計算方法

3.1.1 降水入滲系數(shù)法

降水入滲系數(shù)是指入滲補給量與降水量的比值,是研究大氣降水、地表水、地下水三者間相互轉化關系的重要水文地質參數(shù)。在確定降水入滲補給量時,一般是估算一年之內(nèi)降水對地下水的總補給量,即

Q補=α×X×A×1 000

(1)

式中:Q補為大氣降水入滲量(m3/a);α為降水入滲系數(shù);X為年降水量(mm);A為補給區(qū)面積(km2)。

3.1.2 地下徑流模數(shù)法

地下徑流模數(shù)是指單位含水層分布面積上地下水徑流量,表示一個地區(qū)以地下水徑流形式存在地下水量的多少。地下徑流模數(shù)是一個動態(tài)值,與地層巖性、降雨量、水文地質條件等因素有關[3]。

在基巖山區(qū),枯水季節(jié)流域內(nèi)的地表水系實際上起著排泄地下水的作用,該水量通常與地下水天然補給量相平衡。以裂隙含水巖組為主的山區(qū),在分水嶺地段及地勢較高處,由于地形切割深、坡度大,大氣降水大部分形成地表徑流,少部分滲入巖石裂隙轉化為地下水。經(jīng)過短途徑流后,由于地下水位高于地表水位,地下水則就地排泄于地表水中。在枯水期,由于含水巖組較長時間得不到大氣降水的補給,先前獲得補給且在徑流中的地下水會不斷排泄于地表,經(jīng)過一定時間后,山區(qū)地表徑流基本由地下水補給,形成了一個地下徑流量與地表徑流量相平衡的地下水與地表水系統(tǒng)。這種條件下,就可以用枯水期地表徑流量近似估算地下水的排泄量。興國縣北部多為基巖山區(qū),地下水徑流具有以上特征。

若測得某一補給區(qū)域面積(Fi)內(nèi)的地下水徑流量(Qi),則地下徑流模數(shù)用以下公式計算:

M=Qi/Fi

(2)

如果要計算整個地下水系統(tǒng)流域面積(F)內(nèi)的地下水徑流量(Q),則以此徑流模數(shù)乘以所計算的匯水面積,就得到地下水徑流量。

Q=M×F

(3)

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 降水量

降水量采用興國縣2000—2017年年降水量(表1)。自2000年以來,研究區(qū)最大年降水量為2015年的2 265.8 mm,最小年降水量為2003年的1 016.2 mm,多年平均降水量為1 560 mm[1]。

表1 興國縣2000—2017年年降水量Table 1 Annual precipitation in Xingguo County from 2000 to 2017

3.2.2 降水入滲系數(shù)

表2 研究區(qū)不同含水巖組降水入滲系數(shù)計算結果Table 2 Calculation results of rainfall infiltration coefficient of different water bearing rock formations in the study area

注：α1、α2分別為本次降水入滲系數(shù)計算值及興國幅1∶20萬區(qū)域水文地質普查報告中的數(shù)據(jù)。

3.2.3 地下徑流模數(shù)

為計算地下徑流模數(shù),在枯水期對代表性河流流量進行了統(tǒng)測(表3),并以河流基流量近似代表地下水的排泄量(近似補給量)。將所測流量除以所測河段上游匯水面積,即得到不同地下水系統(tǒng)的地下徑流模數(shù)(表4)。

表3 研究區(qū)河流流量統(tǒng)測結果Table 3 The results of river flow measurement in the study area

表4 研究區(qū)不同地下水系統(tǒng)地下徑流模數(shù)計算結果Table 4 Calculation results of underground runoff modulus of different groundwater systems in the study area

根據(jù)計算結果,可以看出不同地下水系統(tǒng)的地下水徑流模數(shù)值相差較大,這主要與地形地貌條件有關(表4)。例如研究區(qū)西部的澗水、水槎水、武術河流域均處于地形陡峭的中低山區(qū),地下徑流模數(shù)較大(47.92～189.76 m3/km2·d),東部的瀲江、歲水流域為低山丘陵區(qū),其地下水徑流模數(shù)相對較小(12.05～37.95 m3/km2·d)。

3.3 計算結果

3.3.1 不同含水巖組天然補給量

不同含水巖組天然補給量采用降水入滲系數(shù)法進行計算,計算結果如表5所示。不同含水巖組分布面積與天然補給量的關系如圖3所示。

計算結果顯示,地下水補給量與含水巖組分布面積及入滲系數(shù)呈正相關。第四系松散巖類孔隙含水巖組因其入滲系數(shù)遠比其他含水巖組大,為1 609.92萬m3/a,青白口系變質巖裂隙含水巖組因其分布面積小,補給量最小,為12.10萬m3/a。位于圖3的45°線上方為較富水區(qū)域,表明在分布面積一定的條件下,地下水補給量較大。其他幾個含水巖組位于圖3的45°線下方的較貧水區(qū)域,表明在一定分布面積下,地下水補給量相對較小。產(chǎn)生這一特征的主要原因是不同含水巖組的滲透系數(shù)不同,松散巖孔隙含水巖組滲透系數(shù)為25.8 m/d,花崗巖、變質巖裂隙含水巖組為0.44～4.15 m/d。

表5 研究區(qū)不同含水巖組天然補給量計算結果Table 5 Calculation results of natural recharge for different water bearing rock formations in the study area

注：表中降水入滲系數(shù)引自興國縣幅1∶20萬區(qū)域水文地質普查報告。

3.3.2 不同地下水系統(tǒng)天然補給量

由于興國北部基巖山區(qū)地下水交替強烈,枯水期地下水得不到大氣降水補給,其河流流量主要由地下水轉化而來。因而可將枯水期地下水補給河流的水量作為地下水排泄量。并將此排泄量近似作為地下水補給量[5]。地下水排泄量采用枯水期河流流量統(tǒng)測數(shù)據(jù),運用地下徑流模數(shù)法進行計算。計算得到研究區(qū)各地下水系統(tǒng)地下水補給量為1 593.87萬m3/a,與用降水入滲系數(shù)法計算的含水巖組地下水補給量1 528.39萬m3/a極為接近。由于各基巖含水巖組均為風化裂隙含水巖組,而風化裂隙含水層具有層狀含水層特征,并可近似將其作為均質基巖裂隙水看待。因而認為這種水文地質條件的地下水補給量適合采用地下徑流模數(shù)法計算,也就是說,研究區(qū)地下水資源量估算為1 593.87萬m3/a,其中瀲江50.14萬m3/a,歲水764.78萬m3/a,澗水265.86萬m3/a,水槎水83.66萬m3/a,武術河429.43萬m3/a。各地下水系統(tǒng)地下水資源量為兩種方法計算的平均值1 565萬m3/a。

圖3 不同含水巖組出露面積與天然補給量關系圖Fig.3 Relationship between distribution area of different water bearing rock groups and natural recharge

地下水系統(tǒng)名稱及代碼地下水系統(tǒng)面積/km2地下徑流模數(shù)/(m3·km-2·d-1)地下水補給量/(萬m3·a-1)瀲江(Ⅲ2-1-1)11412.0550.14歲水(Ⅲ2-1-2)559192.36764.78澗水(Ⅲ3-1-1)15247.92265.86水槎水(Ⅲ4-1-1)3369.4683.66武術河(Ⅲ5-1-1)62189.76429.43總計9201 593.87

在計算基巖山區(qū)地下水天然資源時,地下徑流模數(shù)是由典型河段枯季實測流量得到的,可靠性大,基本可以代表研究河段流域內(nèi)的地下水補給量。計算降水入滲系數(shù)所用數(shù)據(jù),是水文站多年長期觀測資料,所求得的降水入滲系數(shù)較為準確,同樣可以代表地下水補給水文地質參數(shù),地下水天然補給量計算結果可信。

4 結論

根據(jù)對江西興國縣北部地區(qū)地質、水文地質條件的分析以及對地下水補給量的計算得到以下結論:

(1) 運用降水入滲系數(shù)法計算得到不同含水巖組地下水天然補給量共計1 528.39萬m3/a,運用地下徑流模數(shù)法計算得到不同地下水系統(tǒng)天然補給量為1 593.87萬m3/a,二者極為接近,均可代表所研究區(qū)域地下水天然補給量,建議值為兩種方法計算得到的補給量平均值,即1 565萬m3/a。

(2) 地下水天然補給量與含水層出露面積呈正相關,利用枯水期河流流量實測數(shù)據(jù)及水文站多年長觀數(shù)據(jù)計算得到的地下水補給量可信可靠。