興國縣北部地下水補給量估算

何麗珊, 劉金輝, 李林波, 徐衛東

(東華理工大學,江西 南昌 330013)

地下水資源在保障人民生活、促進社會經濟發展、維持生態平衡等方面均具有十分重要的作用,一個地區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。通過調查發現,興國縣北部地區居民把地下水作為生活飲用水源,將地表水(河流、水庫)作為農田與養殖用水水源,地下水資源的開發利用對當地人民生活具有不可替代的作用。本文結合興國縣北部高興幅、均村幅1∶5萬水文地質調查成果，運用地下徑流模數法及降雨入滲系數法，對研究區地下水徑流、補給、排泄條件進行研究,估算地下水補給量,為該地區地下水資源規劃與開發提供依據。

1 自然地理

1.1 氣象

研究區位于江西興國縣北部(東經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

研究區地表水系發育,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,還擁有集防洪發電于一體的大Ⅰ型年調節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。研究區西部為中低山丘陵地形,主要為變質巖、花崗巖中低山區,花崗巖丘陵區,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

研究區地層較發育,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,占研究區總面積的83.8%。從地質構造上看,研究區位處贛中南褶隆,大湖山芙蓉山隆斷束中部。根據沉積建造,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,風化裂隙發育,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西部,地表風化裂隙發育,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東部的丘陵山地,發育風化裂隙,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北部,裂隙不發育,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,為當地村民生活用水水源。

2.2.2 地下水系統

地下水系統是具有水量,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的一個獨立單元,它可以包括若干次一級的亞系統或更低的單位,是一個錯綜復雜,受各種自然因素、人為因素所控制的統一體。

研究區地下水系統確定的依據是:①根據地表水系流域,結合地形地貌特征確定地下水系統分布范圍;②地下水系統邊界由隔水巖層或分水嶺確定。據此,將研究區地下水系統劃分為5個五級地下水系統(如圖2所示)。

圖2 研究區含水巖組及地下水系統分布圖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.地下水系統邊界;8.斷層構造;9.河流、水庫;10.瀲江地下水系統;11.歲水地下水系統;12.澗水地下水系統;13.水槎鄉地下水系統;14.武術河地下水系統。

3 地下水補給量估算

興國北部地處基巖山區,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 降水入滲系數法

降水入滲系數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。在確定降水入滲補給量時,一般是估算一年之內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;X為年降水量(mm);A為補給區面積(km2)。

3.1.2 地下徑流模數法

地下徑流模數是指單位含水層分布面積上地下水徑流量,表示一個地區以地下水徑流形式存在地下水量的多少。地下徑流模數是一個動態值,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,枯水季節流域內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,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,經過一定時間后,山區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。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,地下水徑流具有以上特征。

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

M=Qi/Fi

(2)

如果要計算整個地下水系統流域面積(F)內的地下水徑流量(Q),則以此徑流模數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

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

表2 研究區不同含水巖組降水入滲系數計算結果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計算值及興國幅1∶20萬區域水文地質普查報告中的數據。

3.2.3 地下徑流模數

為計算地下徑流模數,在枯水期對代表性河流流量進行了統測(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的地下徑流模數(表4)。

表3 研究區河流流量統測結果Table 3 The results of river flow measurement in the study area

表4 研究區不同地下水系統地下徑流模數計算結果Table 4 Calculation results of underground runoff modulus of different groundwater systems in the study area

根據計算結果,可以看出不同地下水系統的地下水徑流模數值相差較大,這主要與地形地貌條件有關(表4)。例如研究區西部的澗水、水槎水、武術河流域均處于地形陡峭的中低山區,地下徑流模數較大(47.92～189.76 m3/km2·d),東部的瀲江、歲水流域為低山丘陵區,其地下水徑流模數相對較小(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呈正相關。第四系松散巖類孔隙含水巖組因其入滲系數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°線下方的較貧水區域,表明在一定分布面積下,地下水補給量相對較小。產生這一特征的主要原因是不同含水巖組的滲透系數不同,松散巖孔隙含水巖組滲透系數為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：表中降水入滲系數引自興國縣幅1∶20萬區域水文地質普查報告。

3.3.2 不同地下水系統天然補給量

由于興國北部基巖山區地下水交替強烈,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測數據,運用地下徑流模數法進行計算。計算得到研究區各地下水系統地下水補給量為1 593.87萬m3/a,與用降水入滲系數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法計算,也就是說,研究區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

地下水系統名稱及代碼地下水系統面積/km2地下徑流模數/(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

在計算基巖山區地下水天然資源時,地下徑流模數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的地下水補給量。計算降水入滲系數所用數據,是水文站多年長期觀測資料,所求得的降水入滲系數較為準確,同樣可以代表地下水補給水文地質參數,地下水天然補給量計算結果可信。

4 結論

根據對江西興國縣北部地區地質、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,運用地下徑流模數法計算得到不同地下水系統天然補給量為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據及水文站多年長觀數據計算得到的地下水補給量可信可靠。