青海省化隆縣小流域地下水資源量評價

唐洪波，陳 強，何灼倫，李德靖

（青海省水文水資源勘測局，青海 西寧810000）

山丘區地下水資源以總排泄量作為地下水評價資源,河川基流量是山丘區地下水的主要排泄量。目前國內外河川基流量分割方法很多,不同方法分割結果不盡相同。根據伍立群等［1］的研究,在我國南方雨量比較豐沛的地區,洪水頻繁發生,河川徑流過程線普遍呈連續峰型,可采用加里寧試算法分割河川基流量；在我國北方缺水地區,水文站較少,河川徑流過程大部分屬于單洪峰型或雙洪峰型,研究區內有水文測站的一般采用直線斜割法,對于沒有水文測站的地區通常借用附近地形地貌相似地區的水文資料來計算地下水資源量。

本文以查甫溝、黑城溝、昂思多溝為例,對研究區域地下水資源量進行評價分析,并通過集水廊道計算山前側向排泄量來確定地下水可開采量,以期為化隆縣群科、牙什尕兩鎮人畜飲水工程建設提供參考。

1 區域概況

研究區域化隆縣位于青海省東部黃土高原與青藏高原的交接地帶,地處拉脊山東段南側。境內崇山峻嶺,峽谷密布,溝壑縱橫,地勢北高南低,自西北向東南傾斜,最高點馬場山海拔4 480 m,最低處化隆縣與循化縣相鄰的黃河大橋處海拔1 880 m,相對高差2 600 m。

查甫溝、黑城溝、昂思多溝系黃河干流左岸的一級支流,位于化隆縣西部,自西北向東南匯入黃河,流域呈帶狀,河床比降大、水流流速大、含沙量大。該區域地處中緯度內陸高原,屬典型的半干旱大陸性氣候區,徑流補給以降水為主,消冰、融雪水、地下水補給為輔。徑流年內分配不均,枯水期為11月—次年3月,汛期為6—9月。受氣候和地形地貌的影響,徑流空間分布不均,徑流深分布自上游向下游遞減。

研究區域內查甫溝、黑城溝、昂思多溝未設過水文站及雨量站。附近黃河支流巴燕溝、清水河分別設有化隆水文站、清水水文站。化隆水文站設于1979年12月,位于化隆縣謝家灘鄉陰坡村,至河源20.5 km,距河口28.9 km,控制流域面積217 km2,截至2015年有36 a的水文資料。多年平均徑流量計算分別以查甫溝中游的來洞村處、黑城溝黑城鄉下游提灌站處、昂思多溝中游關沙水庫引水渠處作為水文分析設計斷面。

2 研究方法

根據鄰近站降水與徑流數據、區域水文地質及水資源評價成果,在研究區域河川徑流、河川基流、地下水可開采量計算的基礎上,對該地區地下水資源量進行評價分析。

2.1 年徑流量計算

利用《青海省水文手冊》［2］中多年平均徑流深等值線圖、多年平均徑流系數等值線圖、柴達木盆地南緣東部地區流域面積的經驗關系公式以及化隆水文站作參證站,分別采用徑流深等值線圖法、徑流系數法、經驗公式法、水文比擬法4種方法計算多年平均徑流量,并對計算成果的合理性進行分析。

徑流深等值線圖法、徑流系數法公式為

式中：W為多年平均徑流量,m3；R為多年平均徑流深,mm；a為徑流系數；P為多年平均降雨量,mm；F為流域面積,km2；

經驗公式法計算公式為

式中：k、n為地區性參數,《青海省水文手冊》中柴達木盆地南緣東部地區k為0.141、n為0.73。

水文比擬法計算公式為

式中：W研為研究斷面多年平均徑流量,m3；W參為參證站斷面多年平均徑流量,m3；F研為研究斷面控制的流域面積,km2；F參為參證斷面控制的流域面積,km2；n為面積指數,一般取0.67～0.70。

2.2 河川基流量

研究區查甫溝、黑城溝、昂思多溝地下水屬河谷淺層地下水,3條溝道主要接收上游河水及左右岸山體基巖裂隙地下水的補給。在枯水季節,河水依賴左右岸山體基巖裂隙地下水、泉水的補給；在豐水季節,降水增多,產生地表徑流滲漏補給地下水,同時溝道高山區積雪消融水補給地下水。在河谷發育較寬、縱坡降相對較小、含水層厚度較大的地段,地下水將接收更多的地表水滲漏補給；在河谷發育較窄、縱坡降相對較大、含水層厚度較小的基巖抬升地段,部分地下水出露于地表,回歸地表水。3條溝道分別形成了各自相對獨立的地下水補給、徑流、排泄系統,為3個獨立、封閉的地下水評價單元。河川基流量一般占山丘區地下水資源總量的比重最大,是山丘區地下水的主要排泄量。

目前基流切割一般采用近似方法,如經驗斜割法。根據集水亭等［3］的研究,首先根據實測河川流量繪出流量過程線,分析多次的洪水退水曲線,求出一條流域的標準退水曲線,然后將此退水曲線繪于透明紙上,并蓋在某一欲分割的流量過程線上,使透明紙平行移動,直到標準退水曲線同欲分割的退水線尾部重合,得重合的起始點（拐點),此點以后的流量全部是地下徑流（即基流),此點以前的流量是地下徑流和地表徑流的疊加。自該次河水起漲點至拐點以直線相連,該線以下部分即為分割出的河川基流量。根據唐洪波等［4］的研究,斜割法對于年河川徑流過程為單洪峰或雙洪峰型時比較適用,在青海省地下水資源評價中結果較為可靠,精度較高,可滿足工作要求。

由于研究區內無實測水文資料,因此利用鄰近地區巴燕溝化隆水文站的年徑流過程,采用直線斜割法分別計算查甫溝、黑城溝、昂思多溝3個評價區多年平均基流量。地下水可開采量則采用達西斷面法計算山前側向排泄量,確定查甫溝、黑城溝、昂思多溝區取水斷面地下水取水量。

3 結果與分析

3.1 多年平均徑流量

在《青海省水文手冊》等值線圖中分別查得查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面以上流域重心處多年平均徑流深為200 mm、徑流系數為0.50。化隆站多年平均降水量為429.6 mm,用4種方法計算出的設計斷面年徑流量見表1。

表1 設計斷面年徑流量計算結果

等值線圖法對于小流域計算誤差較大,與實際情況不符。徑流系數法采用化隆站降水資料,而化隆站距查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面均約25.0 km,受海拔影響,降水有地區差異,產匯流過程相差較大,成果僅可作為參考；經驗公式法采用柴達木盆地南緣東部地區年平均流量—面積經驗公式,該地區尤其是哈圖河流域為徑流深高值區,且千瓦鄂博、察汗烏蘇、哈圖3站集水面積與設計斷面集水面積相差懸殊,采用非線性經驗公式,集水面積越小,徑流深則越大,查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面處年徑流深110.2～133.0 mm,與實際情況明顯不符。

相比以上方法,水文比擬法比較適合流域自然地理條件相似或接近的地區,查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面地質條件、降水條件相似,化隆站、清水站距離設計斷面分別為25.0、60.0 km,是該地區距離最近的有水文資料的測站,年徑流深分別為45.8、77.9 mm。化隆站有36 a的水文資料,控制流域面積與查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面以上流域面積相差不大。經對鄰近站化隆站、清水站多年平均徑流深進行分析,最后確定以距離設計斷面最近、同處黃河北岸、下墊面條件最為相似的化隆水文站作為參證站,采用水文比擬法的計算結果。

3.2 地下水資源量評價

3.2.1 河川基流量

采用直線斜割法、改進加里寧試算法和枯水期徑流切割法3種方法對化隆水文站1981—2015年徑流過程進行逐年基流切割。最終采用直線斜割法計算成果,以改進加里寧試算法和枯水期徑流切割法進行校核和合理性檢驗。化隆水文站R—Rg相關關系見圖1,基流切割結果見表2。

圖1 化隆水文站R—Rg相關關系

表2 化隆水文站基流切割結果

分別計算查甫溝、黑城溝、昂思多溝3個評價區多年平均基流量,結果見表3。

表3 評價區河川基流量

3.2.2 地下水資源量

查甫溝、黑城溝、昂思多溝3條溝道均為山丘區,按照山丘區水資源總量計算方法,地下水的潛水蒸發量、河床潛流量等較小,可忽略不計；地下水基本未開采,其凈消耗量為零；降水入滲補給量等于山丘區河川基流量。查甫溝、黑城溝、昂思多溝取水斷面地下水資源量分別為186.8萬、256.6萬、376.5萬m3。

3.3 地下水可開采量

依據《化隆縣群科、牙什尕兩鎮人畜飲水工程地質勘察報告》［5］,查甫溝、黑城溝、昂思多溝取水斷面今后將修建集水廊道,設置反濾料,水力比降將增大。目前計算山前側向補給量的方法中,達西斷面法是使用最多的,即在山前選定一斷面,結合水文地質研究,確定斷面含水層厚度、垂直于斷面的水力坡度、斷面滲透系數等水文地質參數,然后利用達西斷面法公式計算得出山前側向補給量：

式中：Q側補為山前側向補給量,m3/d；K為斷面含水層滲透系數,m/d；I為垂直于斷面的水力坡度；B為側向徑流過水斷面面積,m2；t為徑流補給時間,d。

按上式算出查甫溝、黑城溝河床潛流分別為1 623、1 048 m3/d。考慮有部分地下潛水由集水廊道底部及兩側產生滲漏,進入集水廊道的潛流量按70%計,則查甫溝、黑城溝集水廊道可引流量分別為1 136、733 m3/d。當采用截水墻的形式開采昂思多溝地下水時,河谷中卵石層開挖深度為1.5～4.1 m,開挖長度為65 m左右,取水斷面可引流量為2 858 m3/d。

根據《化隆縣群科、牙什尕兩鎮人畜飲水工程可行性研究報告》［6］,2020年擬從查甫溝、昂思多溝引水3 875.87 m3/d,而經計算查甫溝、昂思多溝實際可開采地下水量為3 994 m3/d,故滿足引水要求。

4 結 語

（1)查甫溝、黑城溝、昂思多溝設計斷面多年平均地表徑流量分別為387.5萬、532.4萬、781.2萬m3,多年平均地下水資源量分別為186.8萬、256.6萬、376.5萬m3,地下水可開采量分別為1 136、733、2 858 m3/d。

（2)不論以地表水方式、地下水方式,或是地表、地下水相互補充方式取水,應考慮由查甫溝、昂思多溝兩水源聯合供水,即以昂思多溝為主要水源、以查甫溝水源為輔聯合供水,才能保證豐、平、枯各典型年引水要求。

中小流域無實測徑流資料的地區,徑流分析計算一般通過水文比擬法、參數等值線法等間接途徑來推求,這些方法都存在一定的不確定性,因而徑流計算成果的合理性分析顯得十分重要。總結化隆縣小流域河川徑流、河川基流、地下水可開采量計算的相關經驗及處理方法,可為相似區域地下水評價提供參考。