灌區(qū)淺層地下水資源分析評(píng)價(jià)

王偉，張利濱，王先忠

(1.河南省山水水利工程有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

水資源是保障農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的最重要資源，為了改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，增加糧食產(chǎn)量，就需要通過(guò)修建灌區(qū)工程，把有限的水資源配置到農(nóng)作物生長(zhǎng)所需要的區(qū)域。灌區(qū)興建之前，需要對(duì)灌區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)的地下水資源進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制定其開發(fā)利用和保護(hù)管理規(guī)劃。趙口引黃灌區(qū)二期工程規(guī)劃范圍是河南省重要的糧食生產(chǎn)核心區(qū)之一，但是由于長(zhǎng)期以來(lái)一直依賴于開采利用地下水，造成當(dāng)?shù)氐叵滤蓢?yán)重，所以對(duì)灌區(qū)進(jìn)行地下水資源分析評(píng)價(jià)，為灌區(qū)制定其開發(fā)利用和保護(hù)管理規(guī)劃是十分必要的。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

趙口引黃灌區(qū)二期工程范圍北以三劉寨、狼城崗和黑崗口灌區(qū)為界；南臨渦河干流，包括渦河西南的柘城及淮陽(yáng)部分區(qū)域；西起趙口總干渠、運(yùn)糧河及渦河；東至惠濟(jì)河干流、杞縣東縣界、太康縣界及柘城部分區(qū)域。引黃工程供水對(duì)象為農(nóng)業(yè)灌溉，控制土地總面積2 265 km2，灌溉面積14.91 hm2。

1.2 地形地貌

灌區(qū)絕大部分地區(qū)屬黃河沖積平原，少部分屬黃河河漫灘。黃河沖積平原區(qū)，大部分地形較平坦，局部受河流、沖溝切割形成溝谷微地貌；黃河河漫灘區(qū)，分布在灌區(qū)北部黃河大堤以內(nèi)，為黃河近代沖積物。

1.3 地層巖性

淺層地下水水文地質(zhì)條件主要涉及第四紀(jì)地層，灌區(qū)位于開封坳陷及通許-太康隆起，第四系厚度在各區(qū)差異較大，總體厚度范圍150～500 m，各統(tǒng)地層發(fā)育齊全。地層由新至老主要為全新統(tǒng)粉細(xì)砂、輕壤土、砂壤土、中細(xì)砂、輕粉質(zhì)壤土、粗砂等，上更新統(tǒng)砂壤土、中粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土等，中更新統(tǒng)粉土、粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂、細(xì)砂及粉砂層等。

2 水文地質(zhì)條件

因歷史上黃河多次潰決、改道，直接影響和控制該區(qū)全新統(tǒng)地層的水文地質(zhì)條件。按照本區(qū)松散堆積層不同的地質(zhì)時(shí)代，含水層的埋藏深度、補(bǔ)給條件、水力性質(zhì)、水文地質(zhì)特征，松散巖類孔隙含水層組可分為淺層水和中深層水(承壓水)。根據(jù)目前農(nóng)田灌溉用水要求，機(jī)井深度和提水設(shè)施及開采情況，現(xiàn)僅敘述40～60 m深度以內(nèi)的松散巖類孔隙含水層組所賦存的淺層地下水。灌區(qū)多年平均降雨量量為658.70 mm。

第四系全新統(tǒng)的中、細(xì)砂層是本區(qū)淺層地下水的主要含水層，含水層分布厚度不均。淺層地下水受巖性、構(gòu)造、地貌及氣象水文等因素的控制，在這些因素中巖性起著主導(dǎo)作用。在諸因素綜合作用的情況下，本區(qū)地下水賦存條件存在差異性，淺層較好，深層較差；拗陷區(qū)較好，隆起區(qū)較差；黃河故道上游較好，下游較差。

3 淺層地下水資源計(jì)算

灌區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)淺層地下水直接接受降雨和地表徑流補(bǔ)給，補(bǔ)給量較豐富，且周轉(zhuǎn)速度快，因此在灌區(qū)地下水資源計(jì)算與評(píng)價(jià)中，以淺層地下水為研究對(duì)象進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。地下水資源的評(píng)價(jià)方法主要有水量均衡法、數(shù)值法、開采實(shí)驗(yàn)法等，其中水量均衡法是最基本的一種評(píng)價(jià)方法，文中采用均衡法對(duì)灌區(qū)工程范圍內(nèi)的淺層地下水系統(tǒng)進(jìn)行分析。

灌區(qū)淺層地下水多為潛水，局部具有微承壓特征。灌區(qū)底板是一個(gè)相對(duì)不透水的隔水層處理為二類邊界；東北部黃河水水位是一個(gè)定水頭補(bǔ)給邊界，西側(cè)以趙口總干渠、運(yùn)糧河及渦河為界，勘測(cè)期大部分地段未見水流，處理為二類邊界；東側(cè)大部分遠(yuǎn)離惠濟(jì)河，以觀測(cè)的地下水位作為一類邊界。由于淺層水補(bǔ)給條件的決定，補(bǔ)給量的大小明顯受氣象條件的控制，同樣農(nóng)田灌溉需水量也受氣象條件的影響。干旱年和豐水年地下水補(bǔ)給量和灌溉需水量相差較大，干旱年開采量往往超過(guò)補(bǔ)給量，豐水年開采量小于補(bǔ)給量，因此，趙口引黃灌區(qū)二期工程規(guī)劃范圍內(nèi)的淺層水資源計(jì)算采用多年平均及2014年來(lái)進(jìn)行均衡計(jì)算評(píng)價(jià)。

3.1 淺層地下水水均衡分析

根據(jù)水均衡原理，區(qū)域內(nèi)的地下水資源開采前后任一時(shí)段的補(bǔ)給量與開采量之差總等于該區(qū)域水體積的變化量。趙口引黃灌區(qū)二期工程屬黃河沖積平原，作為一個(gè)大的水文地質(zhì)單元進(jìn)行均衡計(jì)算。

(1)

其中Q補(bǔ)=Pr+Sr+Cr+Wr+Lr+Qj，Q排=E+W+Rg+Qp

式(1)中：Q補(bǔ)—總補(bǔ)給量;Pr—降雨入滲補(bǔ)給量;Sr—河道入滲補(bǔ)給量;Cr—引黃灌溉渠道滲漏、灌溉水回歸補(bǔ)給量;Wr—井灌回歸補(bǔ)給量；Lr—提灌回歸補(bǔ)給量；Qj—地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量；F—均衡區(qū)面積；Δh—Δt時(shí)段內(nèi)地下水位變化值；Δt—計(jì)算時(shí)段(均衡期)；μ—水位變動(dòng)帶巖層的疏干給水度；Q排—總排泄量；E—地下水蒸發(fā)量；W—地下水開采量；Rg—河道基流排泄量；Qp—地下水側(cè)向徑流排泄量。

3.2 淺層地下水資源計(jì)算

灌區(qū)計(jì)算范圍內(nèi)總土地面積2 265 km2，其中開封(中牟、市郊部分鄉(xiāng))808.90 km2，通許599.10 km2，杞縣616.30 km2，太康672.00 km2，柘城及淮陽(yáng)136.00 km2。設(shè)計(jì)灌溉面積14.91 hm2。

3.2.1 補(bǔ)給量(Q補(bǔ))的計(jì)算

降雨入滲補(bǔ)給量(Pr)

計(jì)算公式：Pr=F·α·Χ

(2)

式(2)中：α—降雨入滲系數(shù)；Χ—年降雨量(mm)；F—計(jì)算區(qū)面積(km2)。

河道入滲補(bǔ)給量(Sr)

渦河和惠濟(jì)河是灌區(qū)的主要河流，由于這些河流長(zhǎng)期接受引黃退水和城市排放的污泥濁水，挾帶來(lái)的泥沙及污泥沉積于河床，既抬高了河床的高程又降低了滲透能力，滲漏量很小。

惠濟(jì)河從灌區(qū)東北部邊界流出，經(jīng)引黃退水和開封市排放污水，河床滲透性差，因地下水補(bǔ)給量較小，不予考慮。

黃河側(cè)滲補(bǔ)給量：黃河與灌區(qū)接壤長(zhǎng)度34 km，根據(jù)河南省地理研究所計(jì)算資料及地質(zhì)局水文隊(duì)封丘均衡試驗(yàn)場(chǎng)資料，黃河側(cè)滲補(bǔ)給量單位長(zhǎng)度為68.97萬(wàn)m3/(a·km)，乘以接壤長(zhǎng)度即得黃河側(cè)滲補(bǔ)給量。

引黃渠灌回歸水補(bǔ)給量(Cr)

渠灌補(bǔ)給量包括渠道滲漏補(bǔ)給量和田面回歸補(bǔ)給量?jī)刹糠郑覀儼讯吆喜⑵饋?lái)，按渠首引水量的50%計(jì)算。

井灌、提灌補(bǔ)給量(Wr)及(Lr)

井灌、提灌一般直接流入田面，因此不考慮渠道滲漏補(bǔ)給量，只計(jì)算田面補(bǔ)給量，Wr(Lr)=灌溉畝數(shù)×灌溉定額×年灌溉次數(shù)×補(bǔ)給系數(shù)β。補(bǔ)給系數(shù)采用井灌、提灌補(bǔ)給量10%。

地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量(Qj)

灌區(qū)西部、西北部邊界接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，其補(bǔ)給量用達(dá)西公式計(jì)算：

Qj=Kcp·H·B·I

(3)

式(3)中：Kcp—平均滲透系數(shù)，m/d；H—含水層厚度，m；B—計(jì)算斷面寬度，m；i—地下水水力坡度。

上述各項(xiàng)補(bǔ)給量及地下水總補(bǔ)給量列于表1。

3.2.2 排泄量(Q排)的計(jì)算

潛水蒸發(fā)量(E)

計(jì)算公式：E=C·E0

(4)

式(4)中C—潛水蒸發(fā)系數(shù)；E0—水面蒸發(fā)量。

根據(jù)潛水蒸發(fā)系數(shù)乘以不同典型年的水面蒸發(fā)量，再乘以各計(jì)算區(qū)<4 m、4～6 m、6～8 m不同平均埋深的面積，即得潛水蒸發(fā)量。

地下水開采量(W)

地下水開采量包括農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和城鄉(xiāng)人畜用水量。

根據(jù)2014年灌區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、人畜生活用水量實(shí)際調(diào)查資料即為2014年地下水開采量。

河道排泄量(Rg)

渦河發(fā)源于灌區(qū)內(nèi)，屬排水河道，以排泄地表和地下水為主，根據(jù)最近9 a水文資料分析，該河道對(duì)地下水半年補(bǔ)給，半年排泄。補(bǔ)給量較小，排泄量由于邸閣站實(shí)測(cè)資料難以還原推算基流量而采用多年月平均最小流量視為基流量。

地下水側(cè)向徑流排泄量(QP)用達(dá)西公式計(jì)算。

各項(xiàng)排泄量列于表1。

4 淺層地下水資源量評(píng)價(jià)

根據(jù)計(jì)算成果，全區(qū)總補(bǔ)給量為4.75億m3，總排泄量為5.37億m3，均衡差-0.62億m3。計(jì)算成果與現(xiàn)狀灌區(qū)的地下水位逐年下降是一致的。

從發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方面看，單靠地下水是不夠的，隨著灌溉水平的提高，地下水位必然逐年下降。因此發(fā)展引黃補(bǔ)源，建設(shè)趙口引黃灌區(qū)二期工程勢(shì)在必行。計(jì)算成果也為灌區(qū)合理開發(fā)利用水資源，確定引黃水量提供了科學(xué)依據(jù)。

表1 趙口引黃灌區(qū)淺層地下水補(bǔ)排平衡計(jì)算表