截潛工程在計算山前側向補給量中的應用

韓明超，李鴻娟

(長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

截潛工程在計算山前側向補給量中的應用

韓明超，李鴻娟

(長安大學 環境科學與工程學院，陜西 西安 710054)

在計算山前側向補給量的方法中，最常用的就是達西斷面法，但達西斷面法需要獲取較多的參數，對于山前無鉆孔或只有少量鉆孔且水文地質研究程度較低的區域，很難采用達西斷面法來計算得到山前側向補給量。對于無法運用達西斷面法但存在完整式截潛工程的山丘區，可以結合完整式截潛工程的截潛量利用水量均衡法計算山前側向補給量。

山前側向補給量;截潛工程;降水入滲系數;水量均衡

山前側向補給量是指發生在山丘區與平原區交界面上，山丘區地下水以地下潛流形式補給平原區淺層地下水的水量［1］。對于平原區來說，山前側向補給量是平原區地下水的側向補給量，相對而言，它也是山丘區地下水的側向排泄量，山前側向補給量是平原區地下水補給的重要來源，也是地下水資源評價中重要內容之一。金滿娥［1］等以三江平原西北部區域為例利用水均衡法計算出了山前側向補給量，束龍倉［2］等分析了水文地質參數不確定性對地下水補給量計算結果的影響。

1 研究背景

山前側向補給量的計算方法有好幾種，其中，達西斷面法是計算山前側向補給量中最常用的方法，我們采用達西斷面法計算山前側向補給量的公式如下:

式中:Q山前為山前側向徑流補給量;K為斷面處含水層滲透系數;J為垂直于斷面的水力梯度;A為側向徑流過水斷面面積;H為斷面處含水層厚度;L為斷面的長度;T為徑流補給時間。

采用達西斷面法計算山前側向補給量時要求計算斷面盡可能靠近山丘與平原區交界線。但大多數地區計算斷面附近只有少數鉆孔或無鉆孔，地下水位觀測井點(即控制點)不足，無法控制整個斷面，而且近山前地帶的水文地質研究程度相對較低，水文地質條件模糊不清，地下水位動態資料不足，達西公式中水力坡度J、含水層厚度H等計算參數難以獲取。利用不完整的數據資料進行參數計算，必然會產生較大的誤差，從而使得整個山前側向補給量計算失真，因此，在資料缺乏地區應用達西斷面法計算山前側向補給量是難以實現的。

但在擁有完整式截潛工程的山丘區，如果無法控制山前側向徑流斷面，我們可以利用完整式截潛工程的截潛量，把山前側向補給量的來源作為出發點，以山丘區作為研究區域，利用水量均衡法計算出山前側向補給量。水量平衡法是地下水資源評價中常用的一種方法，可以清楚的反映水量的補給、排泄和蓄水之間的數量平衡關系。

2 完整式截潛工程的應用方法

在總結前人研究的基礎上，針對難以獲取達西公式中參數，但存在完整式截潛工程的山丘區，通過山丘區水量均衡法計算山前側向補給量:

我們知道，山丘區的大氣降水是山前側向補給量的主要來源。在大氣降水后，一部分滲入地下形成地下水徑流，側向補給山前地下水系統，而在有截潛工程時，地下水徑流還將有一部分被截潛工程攔截并加以利用;大氣降水的另一部分滲入量則轉化為泉水從山丘區溝谷排出。在截潛工程比較完整的山丘區，地下水徑流會被截潛工程引入集水井等取水工程為人所用。因此，存在完整式截潛工程的山丘區山前側向補給量的計算問題可以利用水量均衡法，通過計算山丘區水文系統的補給與排泄最終求得山前側向補給量，水量均衡法的計算公式:

式中:Q補給為水量均衡區地下水補給量(1×104m3/a);Q排泄為水量均衡區地下水排泄量(1×104m3/a)。

在山丘區，補給來源主要是大氣降水入滲補給，排泄方式則以截潛工程截流和泉水排泄為主，因此，通過山前側向徑流斷面的山前側向補給量可以采用水量均衡法計算獲得，即山前側向補給量為山丘區的大氣降水入滲補給量減去在側向徑流斷面以外的山丘區截潛工程截流量及泉水排泄量，山前側向補給量計算公式如下:

式中:Q側補為山前側向徑流補給量(1×104m3/a);Q降補為山丘區降水入滲補給量(1×104m3/a);Q截為山丘區截潛工程截流量(1×104m3/a);Q泉為山丘區泉水排泄量(1×104m3/a);S為山丘區計算面積(km2);a為山丘區降水入滲補給系數(無量綱);P為山丘區降水量(mm)。

均衡域內的側向補給量大小取決于山丘區降水入滲補給量的大小，而后者又取決于降水入滲補給系數，山丘區降水量及計算面積［3］。其中，山丘區的計算面積比較容易獲取，只需要計算出降水入滲系數a降即可。

影響大氣降水補給地下水的因素比較復雜，主要有年降水總量、降水特征、包氣帶的巖性和厚度、地形、植被等［4］。因此，山丘區基巖巖性、降水特征等都會對大氣降水入滲補給地下水的總量產生影響，降水入滲系數計算公式:

式中:a降為大氣降水入滲系數(無量綱);Q降補為大氣降水入滲補給量(1×104m3/a);Q降為大氣降水總量(1×104m3/a)。

由上式可知，大氣降水入滲系數的大小由降水入滲補給量與降水總量的比值大小決定，而降水入滲補給量又受到眾多因素的影響，因此，降水入滲系數需要根據山丘區基巖巖性、降水特征等不同進行水文地質分區計算。

由于山丘區水文地質研究程度一般較低，且降水入滲系數受基巖巖性等因素的影響比較大，所以不能直接依照大氣降水入滲系數計算公式求得降水入滲補給系數。在缺少長期觀測資料的情況下，選用截潛工程比較徹底的典型流域，用下式計算不同巖性的地層降水入滲系數［3］:

式中:a降為山丘區降水入滲補給系數(無量綱);Q截為完整式截潛工程的截流量(1×104m3/a);Q泉為山丘區泉水排泄量(1×104m3/a);t為計算時間為一水文年;P為典型流域的平均降水量(mm);S為典型流域的匯水面積(km2)。

山丘區的降水量可以根據不同水文地質分區的平均降水量P平均是根據降水量等值線圖，利用面積加權求得，公式如下:

式中:P平均為平均降水量(mm);Pi為第 i分區的降水量(mm);Si為第 i分區的面積(km2)。

在得到降水入滲補給系數a降和山丘區平均降水量P平均后，便可求得山丘區降水入滲補給量，再利用水量均衡法:Q補給=Q排泄，即通過徑流斷面向山前地下水系統的側向補給量應等于山區的降水入滲補給量減去在計算斷面以外被消耗的地下水量(主要為山丘區截潛工程截流量及泉水排泄量)，即:

最后，由上式計算得到山前側向徑流斷面上的山前側向補給量。

3 結語

本文在總結前人研究的基礎上，通過水量均衡法在存在完整式截潛工程的山丘區的應用，解決了截潛工程比較完整但水文地質條件未知，研究程度較低的山丘區無法應用達西斷面法計算山前側向補給量的問題。此方法適用于水文地質資料短缺，水文地質研究程度較低區域的山前側向補給量計算，為研究山前側向補給量提供研究思路。同時，該方法也存在缺陷，比如，降水入滲系數的獲取存在一定難度，因為在基巖山區，由于巖性的不同，降水入滲系數也不同，所以，考慮到計算結果的精確性，就需要根據基巖巖性不同而進行水文地質分區并計算;再者，這種方法只適合應用于存在完整式截潛工程的山丘區，具有一定的地域局限性。

［1］金滿娥，李龍輝，趙孟芹.利用水均衡法計算山前側向補給量［J］.黑龍江水利科技.2005，33(3):033 －034.

［2］束龍倉，陶玉飛，劉佩貴.考慮水文地質參數不確定性的地下水補給量可靠度計算［J］.水利學報.2008，39(3):346 －350.

［3］苑蓮菊，武勝忠.干旱區地下水系統［M］.地質出版社.北京:1996.

［4］王大純，張人權等.水文地質學基礎［M］.地質出版社.北京:1995.

Application of the Undertow－interception Works in the Calculation of the Lateral Recharge in the Piedmont Region

HAN Ming－chao，LI Hong－juan
(Environment Science and Engineering Colleage，Chang’an University，Xi’an 710054，Shaanxi)

In the calculation methods of the lateral recharge in the piedmont region，the method of Darcy Section is the most commonly used，but the method of Darcy Section need more parameters. The region where without drilling or with a small amount of piedmont drilling and have a low level of hydrological and geological research，is unable to adopt the method of Darcy Section to calculate the lateral recharge in the piedmont region.In this condition，if there are some complete undertow－interception works in the area，we can use the yield of water of undertow－interception works to calculate the lateral recharge in the piedmont region.

The lateral recharge in the piedmont region;undertow－interception works;coefficient of precipitation infiltration and water balance

TV131.4

A

1004－1184(2012)05－0012－02

2012－04－27

韓明超(1986－)，男，河北石家莊人，在讀碩士研究生，研究方向:地下水科學與工程。