補給帶法在基巖裂隙水可開采量計算中的應用

洪昌紅，邱 靜，黃本勝，吉紅香，黃薇穎，劉 達，黃鋒華

(1.廣東省水利水電科學研究院，2.廣東省水動力學應用研究重點實驗室，3.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室，廣東廣州 510630)

基巖裂隙水是我國分布最為廣泛的地下水類型之一，自20 世紀60 年代以來，我國對基巖裂隙水進行了大規模的勘探和開發等工作。由于基巖裂隙水埋藏分布情況較為復雜，往往呈帶狀分布，形成不規則的含水帶，并受各種裂隙發育帶產狀的控制，含水介質不均勻，同一含水帶埋深不同，地下水運動狀態復雜［1］。基巖裂隙水的賦存特點導致其有效合理的開采利用難度較高，尤其是在可開采量的計算方面存在較大的困難。基巖裂隙水可開采量的準確計算已成為其合理開發和有效保護的關鍵問題之一。

目前常用的地下水可開采量的計算方法主要有水均衡法、數值法以及數理統計法等。由于基巖裂隙水賦存介質的非均質性，導致區域水文地質參數存在較多的不確定性，往往造成數值模擬結果與實際情況存在一定的偏差，嚴重影響了地下水模擬結果的可靠性和準確性［2-5］，影響了基巖裂隙水的合理開發利用與有效保護。

補給帶法作為一種地下水可開采量的計算方法，可以從宏觀上將開采補給區簡化為補給帶，從而在一定程度上規避了由于基巖含水層巖性不均勻所導致的含水層滲透系數與厚度的不確定性，適用于基巖裂隙水群井開采地下水動態儲存量的計算。

筆者以某水廠(以下簡稱“A 廠”)所在區域作為地下水水資源量調查評價研究區，采用補給帶法對其基巖裂隙水可開采量進行計算，并將可開采系數法與補給帶法的計算結果進行對比，以便為基巖裂隙水可開采量的計算提供借鑒。

1 研究區概況

調查評價區域屬于南亞熱帶季風氣候，多年平均降雨量1 830 mm，雨量主要集中在4—9 月，約占全年雨量的85%，多年平均蒸發量為1330 mm，干旱指數為0.73。

該區域在地質構造上屬羊臺山地穹的南部邊緣。東部近平湖低洼，南側緊靠深圳灣地洼，羊臺山地穹及四周環繞的地洼構成了獨特的以羊臺山為中心的環狀山地貌，整個地穹為一系列弧形斷裂所切割。中部由于旋扭應力的影響，發育了北東及北西兩組扭斷裂，斷裂帶部分已被花崗巖脈或斑巖、輝綠巖巖脈充填。地穹南部礦井田地段則被一系列走向近東西的弧形斷裂所切斷，從地面大采石場及鉆孔揭露資料表明，這些弧形斷裂破碎帶發育，寬度一般在10 ～25 m，具有較明顯的地下水活動痕跡。筆者所調查評價的區域其地下水主要是埋藏于燕山期粗粒斑狀黑云母(強風化至中風化)花崗巖裂隙及塊狀巖斷裂破碎帶中的裂隙水，其上部覆蓋一層厚4～15 m 隔水性能較好的第四系黏土及亞黏土層。

2 可開采量計算

區域水文地質調查表明，該水源地存在斷層，且斷層兩側水文地質條件差異較大;同時，水源地在水位降落漏斗區內分布一定范圍的硅質巖脈，屬于隔水地質體。因此，區域內地下水補給條件相差較大，含水帶富水性不均勻，含水層厚度及滲透系數等參數難以確定，宜采用水動力學法中的補給帶法進行計算，并將可開采系數法與補給帶法的計算結果進行對比及相互驗證。

2.1 補給帶法

1989 年11 月1 日至1990 年7 月8 日對研究區域4 口井(ZK1 ～ZK4)開展單孔抽水試驗，其中單孔流量最大的為ZK4，達到321.05 m3/d;其次是ZK3，達到117.23 m3/d;流量最小的ZK2 水位降深近20 m，流量卻不足20 m3/d，屬于極弱含水段。抽水試驗穩定時間為22.0 ～61.5 h。抽水試驗數據見表1，ZK4 抽水試驗降落漏斗示意圖見圖1。

圖1 ZK4 孔抽水試驗降落漏斗示意圖

補給帶法適宜于群井開采地下水動態儲存量計算，尤其是對含水層巖性不均勻、難以確定含水層滲透系數與厚度的群井開采，而且補給帶法確定的地下水資源動態儲存量與地下水可開采量十分接近，計算成果可以直接作為地下水資源可開采量［5］。補給帶法可采用普洛特尼科夫公式(式(1))來計算。

其中

式中:Q 為可開采量，m3/d;Qi為i 抽水孔或者孔群的出水量，m3/d;Bi為i 計算區抽水孔水流寬度，m;n 為計算區段數;Li為i 計算區地下水補給帶寬度，m;Ri為i 計算區影響半徑，m;e 為校正系數，一般為3.0 ～5.0。

由于研究區井田以斷層為界，在斷層下20 ～30 m范圍內實際存在一條順斷層走向延伸的極弱含水帶，ZK2 分布在該極弱含水帶中，因此在評價可開采量時分別加以考慮。為了計算方便，將井田區分別劃分為Ⅰ段和Ⅱ段，其中Ⅰ段井田抽水井為ZK3，Ⅱ段井田抽水井為ZK4，ZK1 和ZK2 分別為觀察井，如圖2 所示。

表1 抽水試驗數據統計

圖2 A 廠取水水源地可開采量計算條件示意圖

Ⅰ段井田內的抽水井出水量選用ZK3 的穩定流量229.98 m3/d，影響半徑為111.50 m，校正系數取下限值3.0，根據式(2)可計算出補給帶寬度為74.33 m;以5 m 等降深線作為近似橢圓，水流寬度計為247.43 m。由此可計算出Ⅰ段井田可開采量為765.56 m3/d。Ⅱ段井田內的抽水井出水量選用ZK4 的穩定流量321.05 m3/d，其影響半徑為480.00 m，校正系數取下限值3.0;根據式(2)可計算出補給帶寬度為320.00 m;根據水位降落漏斗分布的特點，以5 m 等降深線作為近似橢圓，水流寬度計為496.73 m。由此可計算出Ⅱ段井田可開采量為498.34 m3/d。由此，可計算出A 廠基巖裂隙水的可開采量約為1 264 m3/d，計算結果見表2。

表2 A 廠補給帶法計算可開采量結果

2.2 可開采系數法

可開采系數法是一種簡單、方便的計算地下水可開采量的方法，其計算公式如下:

其中

式中:ρ 為可開采系數;M 為基巖地下水徑流模數，L/(s·km2);F 為基巖計算面積，km2。

該研究區域的地下水類型主要為基巖裂隙水中的塊狀巖類裂隙水，可開采系數取0.7［7］。研究區所在區域屬于計算Ⅲ區，對照枯季地下徑流模數計算表，該區域實測枯季基巖裂隙水平均補給模數為5.665 L/(s·km2)［8］。基于研究區域水文地質條件，確定A 廠地下水補給范圍為:北部以塘郎山分水嶺為界，西部以西瀝水庫流至深圳灣的大沙河為界，其南部與東部以沙頭坑河為界，補給范圍面積為3.89 km2(圖3)。由此可計算得A 廠開采區基巖裂隙水的可開采量為1 333 m3/d。

圖3 A 廠地下水補給范圍示意圖

3 結 語

利用地下水補給帶法對A 廠開采區域基巖裂隙水的可開采量進行計算，計算結果表明本開采區域基巖裂隙水的可開采量約為1 264 m3/d。在區域水文地質普查的基礎上，利用常規的可開采系數法計算了該區域基巖裂隙水的可開采量，計算結果表明本開采區域基巖裂隙水的可開采量達到1 333 m3/d，兩種方法的計算結果接近。補給帶法在一定程度上規避了含水層滲透系數與厚度的不確定性，簡化了基巖裂隙水動態儲存量的計算難度，而且計算結果與可開采系數法接近，說明補給帶法可以作為基巖裂隙水可開采量計算的方法之一。

［1］陳宇，溫忠輝，束龍倉.基巖裂隙水研究現狀與展望［J］.水電能源科學，2010，28(4):62-65. (CHEN Yu，WEN Zhonghui，SU Longcang.Status and prospect of research on bedrock fissure water［J］. Water Resources and Power，2010，28(4):62-65.(in Chinese))

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［3］劉佩貴，束龍倉，尚熳廷，等.地下水可開采量可靠性分析的模糊-隨機方法［J］. 水利學報，2008，39(9):1141-1145.(LIU Peigui，SHU Longcang，SHANG Manting，et al.Fuzzy-stochastic method for reliability analysis of groundwater allowable withdrawal［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2008，39(9):1141-1145.(in Chinese))

［4］梁婕，曾光明，郭生練，等.滲透系數的非均質性對地下水溶質運移的影響［J］. 水利學報，2008，39(8):900-906.(LIANG Jie，ZENG Guangming，GUO Shenglian，et al.Effect of hydraulic conductivity heterogeneity on solute transport in groundwater ［J］. Journal of Hydraulic Engineering，2008，39(8):900-906.(in Chinese))

［5］季葉飛，束龍倉，王振龍.地下水可開采系數計算結果的可靠度與敏感性［J］.河海大學學報:自然科學版，2010，38 (6):687-692. (JI Yefei，SHU Longcang，WANG Zhenlong. Reliability and sensitivity analysis of calculated results of allowable withdrawal coefficient of groundwater［J］. Journal of Hohai University:Natural Sciences，2010，38(6):687-692.(in Chinese))

［6］《水文地質手冊》編寫組. 水文地質手冊［M］. 北京:地質出版社，1983.

［7］水利部水資源司.21 世紀初期中國地下水資源開發利用［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［8］廣東省地質局.區域水文地質普查報告［R］.廣州:廣東省地質局，1981.