巖溶地下水源地的可開采資源量計算
——以淄博市謝家店水源地為例

袁冬梅, 齊躍明, 王俊萍, 馬于曦

(中國礦業大學資源與地球科學學院，徐州 221116)

水資源不僅是一種重要的戰略資源，同時也是綜合國力的重要組成部分，支撐國民經濟的發展[1]。而地下水具有水質良好、分布廣泛、變化穩定以及便于利用的特點，是理想的供水水源。在中國北方大部分地區，地下水是主要的供水水源，有時甚至是唯一的生活以及工農業生產供水水源[2]。而地下水庫是優化水資源配置的一種重要手段，可以加大對降水資源的截流，提高區域水資源的利用率，還可以豐蓄枯采，調節水資源時空分配不均等[3]。

以往計算地下水可開采資源量的常用方法有水均衡法[4]、解析法[5]、數值法[6]、補償疏干法[7]等，各種方法均有其適用范圍和應用條件，均有其對應的缺陷。如水均衡法對于地下水資源、可開采資源量的時間、空間等方面的變化以及對未來的預測等“動態”信息不能夠及時且有效地體現出來。解析法假設條件過多，不適用于復雜水文地質條件下的水量計算。數值法方法對水位、水質、水量等觀測數據的精度要求較高，源匯項及邊界條件要求刻畫清楚。補償疏干法旱季允許借用的儲存量必須滿足旱季連續開采而不能中斷開采，且雨季得到的補給量必須把旱季借用的儲存量全部補償回來，而不能部分補償。相比于以上幾種方法，地下水庫調蓄法是近幾年來逐漸興起的一種方法，分為多年調節和年調節兩種類型。它能根據多年補給、排泄等序列數據，依據“以豐補歉”的思想，通過地下庫容對豐水年份或豐水季節多余的水進行存儲，在枯水年份或枯水季節來加以開采利用。

地下水庫的調蓄能力取決于三個因素：一是能在降水期間獲得整個水文周期內所需水量，即系統接受補給的能力；二是系統的蓄水能力，蓄水能力是評價系統調蓄能力最重要的標準，只有空間足夠大才能接納和釋放足夠的水量；三是系統的給水能力，這里所說的給水能力不是一次給水能力，而是在天然流動條件下，在整個水文年內能不能滿足當地用水需求，是持續給水能力。相較于地表水庫調蓄法，地下水庫調蓄法具有庫容較難于確定，受降水量影響響應慢的缺點，但同時又具有不占用地面空間、水質好、能凈化區域水環境及多年調節性強等優點。

地下水庫在國外常用提法是“人工補給含水層(artificial rechanrge of groundwater)”[8]或“含水層儲存與回采(aquifer storage and recovery)”。20世紀初期，美國就已經進行大規模人工補給地下水實踐工作，從1973年開始就已經形成了較為成熟的含水層儲存、回采技術[9-10]。20世紀后半期，沙特開始實施“人工蓄水池補給管理計劃”，修建了200多個大大小小的壩，將洪水攔蓄在間歇性干涸的河谷下覆的沖積含水層中。除了美國、沙特，以色列、利比亞、荷蘭、日本、巴西等不少國家也采取了各種措施將地表水資源暫時存儲在地下含水層中，即地下水庫。相比于國外，對于地下水庫的研究及建設、實踐，中國要稍晚一些，但是，中國在地下水庫功能的開發上取得的成就并不小。巖溶地下水庫是近20年來逐漸為人們所了解并加以研究的熱點方向。2001年，第一次喀斯特地區可持續發展國際會議[11]就提出來在平原喀斯特地區建設地下水庫，更好地開發利用地下水，以促進經濟的發展。此后，陳洪元等[12]設計將羊皮寨地下河集雨區雨水資源通過引洪入庫工程引入馬官地下水庫，實現了運用馬官地下水庫對于巖溶山區雨水資源的有效開發利用。李世君等[13]遵循“豐補旱采、以豐補歉”的原則，充分利用地下水庫強調蓄功能，在北京懷柔建設應急水源地，以保證在連續枯水年有足夠的出水量。付曉忠等[14]利用洮兒河沖洪積扇地區巨大的地下水蓄水空間，引江河水補充地下水，緩解該區水資源供給矛盾。齊躍明等[15]提出可運用補償疏干法來評價淄河源區地下水可開采資源量。

文獻分析表明，前人運用地表水庫能實現區域水資源的多年調節或年調節，利用地下水庫能有效儲存利用雨水資源，實現以豐補歉的目標。然而，某些文獻對于形成地下水庫的水文地質條件要求交代不足，對于地下水庫的調蓄作用更多地是停留在定性分析，而缺乏定量的可開采資源量計算。此外，以往文獻多研究孔隙型含水層地下水庫，而對于巖溶裂隙型地下水庫調蓄作用研究相對不足。基于此，本文在現場水文地質勘察的基礎上，詳細地交代淄河源區謝家店水源地周邊的水文地質條件——北博山鎮謝家村以上的淄河源區具有一個相對封閉的邊界條件，無側向補給來源，大氣降水是地下水庫的唯一補給來源[16]。各含水層段基巖均為奧陶—寒武系灰巖、白云巖、白云質灰巖等碳酸鹽巖類，巖溶發育程度強烈[17-18]，不需要建設地下擋水壩便能形成有效蓄水庫容的地下水庫[19]。因而可利用巖溶地下水庫年調節的方法，來計算謝家店水源地巖溶地下水源地可開采資源量，實現當地水資源可持續開采利用，解決特殊干旱年份的用水需求，同時，亦可為地下水庫調蓄水資源的相關理論或實踐研究提供一個較為成功的應用案例。研究亦將為當地政府和科研部門更好地制定科學合理的水資源開發方案及相關保護對策提供決策依據。

1 研究區概況

謝家店水源地位于淄博市博山區南部(圖1)，屬溫帶半濕潤大陸性季風氣候，冬季寒冷，夏季炎熱，多年平均氣溫12 ℃，多年平均降水量720.6 mm(表1)。地貌類型為周邊中低山，中部為淄河河谷地形。出露地層主要有太古界泰山群、寒武系、奧陶系及第四系地層，地層整體產狀傾向北西，傾角5°～20°(圖2為沿A-B切面的剖面圖)。區內地表水主要有石馬水庫及季節性河流淄河。區域內主要有石馬斷裂、盆泉-北博山斷裂。

表1 博山區多年平均月降水量表

圖1 研究區交通位置圖Fig.1 Traffic location map of the study area

垂直高度：水平距離=1∶1.5圖2 研究區A-B地質剖面圖Fig.2 Regional A-B geological section

據文獻[15]修改圖3 研究區水文地質圖Fig.3 Hydrogeological map of the study area

三山子組-炒米店組裂隙巖溶水含水層，是該地區主要含水層之一。主要分布于淄河以東的中低山區及南博山、謝家店一帶，出露位置較高，節理裂隙發育，接受大氣降水入滲及地表水滲漏補給。富水性較強，單井涌水量大于1 000 m3/d。

北庵莊組灰巖含水層在淄河以西及地塹帶大部分埋藏地面以下。源泉-泉河頭一帶，頂板埋深25～130.09 m，巖溶裂隙發育，溶蝕裂隙及溶洞含水豐富，也為研究區主要含水層之一。北博山-謝家店一帶，北庵莊組灰巖埋藏較淺，富水性一般大于1 000 m3/d，三山子組及炒米店組白云巖、灰巖含水層時，水量較大，單井涌水量一般大于3 000 m3/d。

塊狀巖類風化裂隙水含水巖組主要分布于研究區的東南端、南端及西南端，水質良好，為人畜可利用含水層。含水層下部完整，基巖多為花崗片麻巖，其風化層厚度為10～30 m，含水層厚度8～25 m。地下水主要賦存于花崗片麻巖裂隙與風化層中，屬裂隙潛水類型。地下水主要補給源為大氣降水，水位埋深2～3 m。巖層富水性較為均勻，但單井出水量較小，小于100 m3/d，水位、水量年動態變化顯著。

研究區地下水的補給幾乎全部來自于大氣降水，地下水流場形態由地表地勢和斷裂構造控制，地下水徑流方向是由研究區的西南部、南部向淄河河谷方向徑流，淄河斷裂帶為該區地下水的強徑流帶，地下水向淄河河谷方向匯流之后繼續沿淄河地塹向北東方向徑流。

2 地下水庫調蓄法

2.1 邊界條件

淄河源區西部邊界為祿由頂—橫頂村—苗山一線的地表分水嶺；南部邊界為魯山山脈一線的地表分水嶺；東部邊界為邀兔村水力隔水邊界；北部邊界為石馬斷裂，具有一個相對封閉的邊界條件，無側向補給來源，圈定范圍面積約為300 km2。

2.2 儲水空間

考慮到巖溶地區有效儲水空間只有巖溶裂隙發育的層段即含水層段，則儲水空間為

(1)

式(1)中：V為地下水庫儲水空間，m3；F為地下水庫面積，km2；μi為第i層段含水層的給水度；Mi為第i層段含水層的厚度m。

表2 謝家店含水層段巖溶率及給水度統計表

將表2數據代入式(1)中得到，淄河上游地下水庫的有效儲水空間約為2.19×109m3。

2.3 地下水庫補給量

考慮到庫區邊界相對封閉隔水，因而可認為基本無側向補給來源。石馬水庫作為灌溉和景觀用小型水庫，可視作內部地表儲存水，其降水補給和綜合排泄視作內部水量平衡過程，趨于穩定而不單獨考慮參與計算。根據淄河源區水循環示意圖(圖4)可知，庫區內大氣降水是庫水的唯一補給來源，降水后形成地表徑流和地下徑流。地表徑流在流動過程中，很大一部分沿淄河河床發生滲漏，逐漸被第四系和碳酸鹽巖含水層所吸收，另一很小部分則為蒸發損耗(與晚間凝結水對應，兩相對比，此項基本可忽略)，等到謝家店村，河流基本呈干涸狀態。

圖4 庫區水循環示意圖Fig.4 Sketch map of the water cycle in the reservoir area

淺層地下徑流主要有第四系水、碳酸鹽巖含水層水及塊狀巖類風化裂隙水。其中碳酸鹽巖含水層水在由地勢較高處沿斷裂構造或層理、節理裂隙流向淄河河谷的過程中，一部分受到隔水斷層或阻水體而溢流成泉(如謝家店泉群，泉流出后在流動過程中又逐漸滲入地下，因此，屬于內部水量交換)。另一部分則受地形和人工開采的影響，使地下水流動速度加快。

根據實地考察、現場簡易試驗并結合此次勘察成果，庫區巖漿巖分布區、碳酸鹽巖裸露區和第四系松散層覆蓋的各分區降雨入滲系數值如表3所示。

表3 庫區大氣降水入滲系數分區表

逐月入庫流量值可依式(2)求得：

(2)

式(2)中：Qi為各月多年平均月入庫流量，m3/d；Pi為各月多年平均月降水，mm；α為分區降水入滲系數；F為分區面積，km2；θ為有效系數；ΔT為月份天數，取平均值30.4 d。

把表1中各月多年平均月降雨深代入式(2)可得庫區逐月入庫流量，如表4所示。

表4 庫區逐月入庫流量

2.4 用水量統計

淄河源區謝家店地下水庫的用水量主要包括工業需水量300 m3/d，農業需水量8.82×104m3/d以及供水需水量1.5×104m3/d，共計10.65×104m3/d。

2.5 時歷列表法計算地下水庫調蓄

本次計算采用早蓄方案，就是在余水期，有余水就蓄，可以滿足用水需求后還有多余水量再棄水。由于該地下水庫基本屬于裸露型或局部覆蓋型巖溶地區，地下水補給滯后時間較短，6—9月為雨季，符合年調節水庫特點，因此，采用6月—次年5月作為水利年進行調節計算，取計算時段ΔT(取平均值30.4 d)為一個月，水庫在調節周期內只有一次連續蓄水、供水的情況(表5)。

表5 列表法年調節計算

由表4可知，10月—次年5月為虧水期，8個月總虧水量為470 273.77 (m3/d)·月[說明：當ΔT為常數時，常用“流量·時間”為單位表示水量，例如(m3/d)·月，適應于地下水庫或(m3/s)·月，適應于地表水庫]。1(m3/d)·月=30 m3。同理1(m3/s)·月=2 626 560 m3，6—9月為余水期，4個月總余水量為629 830.06 (m3/d)·月。余水期多余的水量遠超過虧水期所缺少的水量。所以余水期只需要蓄470 273.77 (m3/d)·月的水量，即可滿足本年用水需要。根據水庫的運行方式可得出水庫各月的蓄水量變化情況及水庫棄水。

計算結果可根據水量平衡關系進行驗算，年來水流量應該等于年用水量與棄水量之和，即：1 278 000+159 556.29=1 437 556.29 [(m3/d)·月]；年余水量應該等于虧水量與棄水量之和，即：470 273.77+159 556.29=629 830.06 [(m3/d)·月]。經檢驗，計算結果無誤。

2.6 可開采資源量計算結果

由上述計算結果可知，余水量大于虧水量，即余水期的補給可以滿足虧水期的需水量，甚至還有足夠盈余，也就是說二者之差棄水量，成為一部分可以加以利用的水量。可開采資源量除設計供水需水量1.5×104m3/d，還可將棄水量平均至全年的部份也包括進去，從而擴大了可開采資源量。按照此思路，由式(3)可求得淄河源區謝家店地下水水源地的可開采資源量為2.74×104m3/d。顯然，這個是理想情況下最大的可開采資源量。

Q最大可開=供水需水量+月平均棄水量=

2.74×104m3/d

(3)

然而，考慮到地下水庫調節時間較長，同時也要考慮到區域水環境水資源更新需要及氣候波動的情況，因此，為保險起見，需在上述計算的基礎上，乘以一個安全系數，一般取0.8，來作為源區能可持續開采的水資源量，即有：

Q可開=0.8Q最大可開≈2.19×104m3/d

(4)

3 結果與討論

由于淄河源區降雨徑流具有年周期的特點，為簡單起見，采用地下水庫年調節的方法來進行可開采資源量的計算。地下庫容通過匯水面積、含水層分布和有效空隙率等來綜合確定。

依據鉆孔巖心含水層分層統計資料結合飽水試驗、給水試驗等，得出研究區巖溶地下空間容納體積約為2.19×109m3。根據資料統計謝家店地下水庫用水量為10.65×104m3/d。依據“以豐補歉”的思想，將雨季開采外的余水量充分利用，供虧水期維持正常開采，運用地下水庫年調節方法，計算得出可開采資源量為2.19×104m3/d。考慮到地下水庫調節時間較長和區域水環境水資源更新需要及氣候波動的情況，取0.8的安全系數，以保證能滿足源區可持續開采水資源量，實現采補平衡。

綜合表明，地下水庫調蓄法充分利用了巖溶地下儲水空間的調蓄功能，能夠克服其他水資源量評價方法的弊端，且具有很好的地域適應特點，不僅適用于巖溶發育良好地段，且同樣可用于松散介質和裂隙介質的地下水庫。

4 結論

(1)依據“以豐補歉、采補平衡”的思想，來合理規劃利用巖溶地下水庫是解決區域水資源不足的一種非常好的途徑。能有效緩解水資源供需矛盾，提高城市供水保障程度，對維持社會經濟的可持續發展具有十分重要的現實和戰略意義。

(2)運用地下水庫調蓄法時，要使之能攔截地下徑流，增加地下水的儲蓄量，提高水資源利用率，且受降雨量影響變化慢，多年調節性強。因此巖溶山區可充分利用地下空間，修建以含水層為調蓄空間的蓄水實體。

(3)根據淄河源區降水情況，可適當修建人工回灌補給工程，以便將豐水年份、豐水期來不及利用的雨洪水資源儲存于該地下水庫中，補償巖溶地下含水層旱季水分虧缺，從而實現水資源可持續優化利用的目的。