榆林市榆陽泉域地下水量均衡分析

田國林，王俊杰

(1.陜西地礦九〇八環境地質有限公司，陜西 西安 710600；2.陜西地礦地質工程勘查院有限公司，陜西 西安 710600)

泉是地下水的天然露頭，在地形面與含水層或含水通道相交點地下水出露成泉[1]。泉域地下水環境易受人工開發利用的影響，徐軍祥[2]等分析了濟南泉域地下水環境演化與保護，劉萍[3]等分析了洪山泉巖溶地下水水量均衡特征，黃奇波[4]等分析了柳林泉域巖溶地下水區域演化規律及控制因素，梁永平[5]等對引起娘子關泉流量的衰減原因進行了初步量化計算。

榆陽泉位于陜西省榆林市東郊，泉水出露于榆溪河支流榆陽河源，常年流量約5 000 m3/d，水化學類型呈HCO3-Ca·Mg型，為天然弱堿性富鍶礦泉水。由于泉流量穩定且水質優良，榆陽泉負責向榆林城區東沙片區集中供水。受人工開采影響，榆陽泉域水量均衡發生了一定變化，為分析人工開采對泉域的影響，則需要對泉域的水量均衡進行詳細分析。

1 研究區概況

1.1 地理概況

榆陽泉域地勢總體東北高而西南低，海拔1 090～1 220 m。泉域地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣的過渡地帶，屬低山丘陵區，以黃土梁峁、沙漠灘地和沙蓋黃土梁峁地形為主，地形起伏總體上起伏較大，在灘地較平坦，黃土沖溝發育的區域地形起伏較大，溝谷切割較深，部分超過70 m，地形破碎。泉域范圍為：北至頭道河則的分水嶺，東至青云溝的分水嶺，南至榆陽河中游支溝的分水嶺，西至普惠泉泉域的分水嶺，總面積為11.876 3 km2(圖1)。

圖1 榆陽泉域地理位置圖

1.2 氣象水文

榆林市屬溫帶干旱、半干旱大陸性季風氣候。四季分明，日較差大，春季干旱多風沙，夏季干旱，降雨集中歷時短，秋季較為濕潤，冬季干寒，西北風盛行。年均氣溫7.89℃～9.6℃，最高氣溫39.6℃，最低零下32.7℃，年降水量400 mm左右，榆陽區多年平均降雨量為444 mm，其中65%的降雨集中在7-9月份，暴雨較多，時間短，強度大。年蒸發量較大，在1 700～2 000 mm，屬蒸發量遠大于降雨量地區，年日照2 600～2 900 h，無霜期116～215 d。

榆林市屬黃河流域，榆溪河穿過榆林市市區，屬黃河一級支流無定河的支流，其發源于榆林市榆陽區小壕兔鄉刀兔海子西的水掌泉，為榆陽區內最大的河流。榆溪河支流較多，有頭道河、二道河、芹河、榆陽河、沙河等十余條支流，榆陽泉泉域范圍及周邊河流主要為上游的頭道河和下游的青云溝河，以及榆陽泉下游的榆陽河。榆陽泉泉域所在的溝域為榆陽河溝域，榆陽河起源于榆陽泉，榆陽泉歷史流量約為5 000 m3/d，自榆陽區修建自來水廠進行城市供水后，現僅留兩條小支溝的泉水及溝谷泉水的排泄，流量約為300 m3/d。

2 泉域地下水量均衡分析

2.1 泉域水文地質概念模型

研究區為榆林市榆陽區所轄水掌溝上游的榆陽泉泉域，北至頭道河則的分水嶺，東至青云溝的分水嶺，南至水掌溝中游支溝的分水嶺，西至普惠泉泉域的分水嶺，由此構成一個三面封閉向南敞開的相對獨立的水流體系，大地坐標X=393 554～397 346 m，Y=4 241 388～4 246 136 m，泉域總面積為11.876 3 km2。地貌類型包括河谷漫灘、沙蓋黃土梁崗、黃土梁崗及灘地地貌(圖2)。

圖2 榆陽泉泉域水文地質概念模型圖

2.2 泉域水文地質參數確定

本次評價工作所需的水文地質參數主要包括：給水度(μ)、大氣降水入滲補給系數(α)、農灌回歸補給系數(βi)、凝結水補給模數(M凝)等，各參數根據本次調查及前人成果綜合確定。

2.2.1 給水度(μ)

根據前人成果，風積黃土層給水度取0.05，沖洪積砂層給水度取0.17。

2.2.2 大氣降水入滲補給系數(α)

大氣降水入滲補給系數可利用流量長觀資料計算，泉域為全排型，則可利用泉水排泄量反求降水入滲系數α，即：

α=Q/P·F

(1)

式中：α為大氣降水入滲系數；P為計算期內降水量(m)；F為計算域面積(m2)；Q為計算期內地下水總溢出量(m3)。

據此，分析泉域流量長觀資料，分割出基流量，再結合泉域面積及相應時期的降水量，即可進行入滲系數的計算。

根據我公司以往在該泉域完成的流量長觀工作并結合條件類似地區所取得的成果，確定區內不同地貌單元降水入滲系數為：沙蓋黃土梁崗區0.40，黃土梁崗區0.08，河谷漫灘區0.30，灘地區0.35；

2.2.3 農灌回歸補給系數(βi)

根據前人成果，農灌回歸補給系數為：川水地0.30，水澆地0.35。

2.2.4 凝結水補給模數(M凝)

根據前人成果，凝結水補給模數取1.117 0×104m3/a·km2。

2.3 泉域地下水補給量、排泄量及均衡分析

2.3.1 補給量

榆陽泉泉域地下水主要接受大氣降水入滲補給、凝結水補給和農灌回歸水補給。由于區內農灌回歸水補給量屬人類活動條件下增加的補給量，故在補給量計算中予以扣除。

(1)大氣降水入滲補給量

大氣降水入滲補給量采用降水入滲系數進行計算，計算公式為：

(2)

式中：Q降補為大氣降水入滲補給量(m3/d)；P為年降水量(m/a)；Fi為不同地貌單元的面積(m2)；αi為不同地貌單元的降水入滲系數；n為地貌單元的個數。

根據榆林氣象站1961-2018年歷時58年的降水資料頻率分析結果，并結合大氣降水入滲補給系數分區，對榆陽泉泉域按不同保證率計算大氣降水入滲補給量(表1)。泉域內多年平均大氣降水入滲補給量為4 789.18 m3/d，當降水量為理論頻率25%、50%、75%、90%、95%時，大氣降水入滲補給量分別為5912.40 m3/d、4 916.51 m3/d、4 121.54 m3/d、3 562.44 m3/d、3 291.76 m3/d。

表1 大氣降水入滲補給量計算成果表

(2)凝結水入滲補給量

凝結水補給量計算公式為：

Q凝補=M凝F凝t凝/365

(3)

式中：F凝補為全年日平均凝結水補給量(m3/d)；M凝為凝結水補給模數；F凝為凝結水補給發生的面積(m2)；T凝為凝結水補給發生的時間(d)；

凝結水補給只發生在沙蓋黃土梁崗區，泉域內沙蓋黃土梁崗區面積為10.553 0 km2；凝結水補給發生的時期為每年的7、8、9三個月，共92天；凝結水補給模數可采用前人的成果，為1.117×104m3/a·km2，據此可計算出區內凝結水全年平均補給量為322.95 m3/d(凝結水補給期平均補給量為1 281.27 m3/d)。

(3)農灌回歸水補給量

農灌回歸水補給量采用農灌回歸補給系數進行計算，計算公式為：

(4)

式中Q灌補為農灌回歸補給量(m3/d)；Q灌i為農灌用水量(m3/d)；βi為農灌回歸補給系數；t灌為灌溉時間(d)。

根據本次調查期間調查的區內農田分布狀況、灌溉定額、灌溉時間等資料，泉域內共有水澆地115.20畝，灌溉定額為250 m3/(畝.a)，年灌溉時間為183 d，農灌回歸補給系數為0.35；川水地13.20畝，灌溉定額為480 m3/(畝·a)，年灌溉時間為183 d，農灌回歸補給系數為0.30。經計算泉域內農灌期平均農灌回歸補給量為65.47 m3/d，多年平均農灌回歸補給量為32.82 m3/d。

表2 榆陽泉泉域農灌回歸水補給量計算成果表

綜上，泉域多年平均地下水補給量為5 144.00 m3/d，其中大氣降水入滲補給量4 789.18 m3/d，凝結水補給量322.00 m3/d，農灌回歸水補給量32.82 m3/d。扣除農灌回歸水補給量后，泉域多年平均地下水天然補給量為5 111.18 m3/d。

2.3.2 排泄量

(1)地表水體排泄量

根據本次實際調查，榆陽泉泉域地表水體主要為小支溝泉水溢出，地表水體排泄量Q地表=19.20 m3/d。

(2)人工開發利用量

榆陽泉泉域地下水人工開發利用主要包括生活飲用和農田灌溉，其中生活飲用包含榆陽泉集中供水、機民井分散供水，農田灌溉包括引流灌溉、機民井灌溉。

根據本次實際調查，榆陽泉現狀供水量為7 300 m3/d；機民井分散供水人數共450人，按95L/人·d計算機民井分散供水量為42.75 m3/d；農田灌溉水量為96.26 m3/d，則人工開發利用量Q人工=7 439.01 m3/d。

(3)側向徑流排泄量

榆陽泉泉域地下水側向徑流排泄發生在水掌溝上游河谷區，根據實際調查并參考前人成果，含水層厚度15.00 m，排泄寬度100.27 m，水力梯度5‰，滲透系數0.570 9 m/d，則側向徑流排泄量Q側排=4.29 m3/d。

(4)潛水蒸發排泄量

榆陽泉泉域潛水蒸發排泄主要發生在河谷漫灘區，根據實際調查并參考前人成果，河谷漫灘區地下水位一般為0.50～1.50 m，平均1.00 m。根據泉域地貌分區，河谷漫灘區面積為0.112 4 km2；蒸發度E0依據氣象部門蒸發資料，取1 195.50 mm；潛水蒸發極限深度△0及指數n依據均衡試驗場資料取值。潛水蒸發量按阿維楊諾夫經驗公式計算，公式為：

E蒸發=∑(0.001×Ei×Ei/365)

Ei=0.62×E0×(1-Δi/Δ0)n

式中：E蒸發為潛水蒸發量(m3/d)；Ei為第i區潛水蒸發強度(mm)；Fi為第i區潛水蒸發面積(m2)；E0為氣象站蒸發皿蒸發度(mm)；△i為第i區潛水水位埋深(m)；△0為潛水蒸發極限深度(m)；n為指數(一般1～3，本次取2)。

泉域蒸發極限深度(△0)，依據內蒙古伊金霍洛旗的均衡試驗場成果，并參考甘肅省張掖市均衡試驗場成果資料，綜合確定粉細砂土的蒸發極限深度(△0)為3 m；潛水位埋深小于3m的區域面積為0.112 4 km2，依據潛水蒸發量阿維楊諾夫經驗公式計算的泉域地下水總蒸發量為100.43 m3/d。

綜上，泉域排泄量合計7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量19.20 m3/d，人工開發利用量7 439.01 m3/d，側向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發排泄量100.43 m3/d。

2.3.3 均衡分析

(1)均衡期

根據實際調查，榆陽泉近三年(2016-2018年)的供水量穩定在7 300 m3/d，確定均衡期為2016-2018年。

(2)均衡計算

根據榆陽泉泉域水文地質概念模型，泉域補給量包含大氣降水入滲補給量、凝結水補給量、農灌回歸補給量，排泄量包含地表水體排泄量、人工開發利用量、側向徑流排泄量、潛水蒸發排泄量。均衡計算公式如下：

Q均衡=Q降補+Q凝補+Q灌補-Q地表-Q人工-Q側排-E蒸發

式中：E蒸發為潛水蒸發量(m3/d)；Q降補為大氣降水入滲補給量(m3/d)；Q凝補為凝結水補給量(m3/d)；Q灌補為農灌回歸補給量(m3/d)；Q地表為地表水體排泄量(m3/d)；Q人工為人工開發利用量(m3/d)；Q側排為側向徑流排泄量(m3/d)；Q均衡為均衡差(m3/d)。

根據補給量及排泄量計算結果，榆陽泉泉域多年平均大氣降水入滲補給量為4 789.18 m3/d。均衡期內補給量合計7 446.70 m3/d，其中大氣降水入滲補給量為7 091.88 m3/d，凝結水補給量322 m3/d，農灌回歸補給量32.82 m3/d；排泄量合計7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量為19.20 m3/d，人工開發利用量7 439.01 m3/d，側向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發排泄量100.43 m3/d。因此，泉域現狀水均衡整體為負均衡，均衡差為-15.80 m3/d(表3)。

表3 榆陽泉泉域現狀水均衡計算成果表 m3/d

根據榆林氣象站降水資料，榆林市2016-2018年降水量較大，為相對豐水年，榆陽泉泉域現狀水均衡處于相對均衡狀態。但須說明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡則為負均衡，主要由于現狀開采量超過了允許開采量。

3 結語

(1)榆陽泉域多年平均地下水補給量為5 144.00 m3/d，其中大氣降水入滲補給量4 789.18 m3/d，凝結水補給量322.00 m3/d，農灌回歸水補給量32.82 m3/d。扣除農灌回歸水補給量后，泉域多年平均地下水天然補給量為5 111.18 m3/d。

(2)榆陽泉域排泄量合計7 462.50 m3/d，其中地表水體排泄量為19.20 m3/d，人工開發利用量7 439.01 m3/d，側向徑流排泄量4.29 m3/d，潛水蒸發排泄量100.43 m3/d。

(3)榆陽泉域現狀年水均衡整體為負均衡，均衡差為-15.80 m3/d，根據榆林氣象站降水資料，榆林市2016-2018年降水量較大，為相對豐水年，榆陽泉泉域現狀水均衡處于相對均衡狀態。但須說明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡則為負均衡，主要由于現狀開采量超過了允許開采量。