基于最小枯季法的青海省興海縣地下水資源量評估

李媛媛

(青海省水文水資源測報中心，西寧 810000)

0 引 言

水資源是我國不可或缺的重要戰略資源，地下水作為水資源的重要組成部分，由于其具有埋藏地下不易污染、分布廣、水質優且產量較為穩定等優勢[1]，早已成為國內干旱和半干旱地區人民主要生產生活水源[2]。但自20世紀80年代以來，國內因經濟建設的需求和人民生活水平的提高，地下水開采量逐年急劇攀升，造成多地區地下水位下降，地下水資源量短期內大幅減少，其中尤以北方干旱地區最為嚴重[3]。因此，如何有效進行區域地下水資源量評估，以便快速科學地掌握區域地下水資源量現狀，加以合理地開發利用，對于當地民生發展和社會經濟和諧穩定具有重大意義。

我國部分山區因交通條件的不便和自然環境的惡劣，難以進行精細化野外實地調查并獲取詳細的水文地質條件，因此在計算該類型地區中通常以流域基流量作為山區地下水主要排泄量，并據此計算該區域的地下水資源量[4]。本文以青海省興海縣為研究區，基于區內代表性水文站1956-2010期間不同年份間的徑流量數據，采用最小估計法進行流域基流分割，并在此基礎上結合流域基徑比進行研究區地下水資源量評估，以期為興海縣地下水資源的開發利用和飲水工程的建設提供理論依據。

1 研究區概況

研究區隸屬青海省海南藏族自治州(圖1)，地處柴達木盆地東部邊緣，位于西秦嶺山地西端與青南高原北緣的交匯地帶，屬于“三江源”國家自然保護核心區。

圖1 研究區區域位置圖

研究區山脈均屬昆侖山系三、四級山脈，西北部為鄂拉山，西南角為布爾汗布達山的余脈，南部為積石山(阿尼瑪卿山)北緣，山區面積占研究區總面積約80%。區內盆地受周邊山脈挾持較為發育，以北東部的共和盆地(境內僅為其南緣)和興海-同德盆地為主，多屬山間斷陷盆地和堆積地貌類型，同時由于流水地質作用在區內形成幾處較大的谷地，多屬侵蝕堆積地貌。

研究區以黃河為各支流水系主要侵蝕基準面[5]，河流總長度約2 652.8 km，流域面積10 184.5 km2，占區內水文總面積的83.6%，其主要支流信息見表1。

表1 研究區主要支流信息一覽表

研究區內大氣降雨和雪山冰雪融水是區域內主要的地下水及地表水補給源，其中地下水又受到地表水的二次補給，因此地下水補給源總共有3類：大氣降水、雪山積雪消融水及地表水補給。其中，因研究區位于半干旱區，大氣降雨稀少，多年平均降雨量僅約240～580 mm，枯水季雨量只有7.3～34.4 mm，且降水時空分布不均，大氣降雨對地下水補給量相對較少；研究區四面環山且海拔較高，山頂積雪極厚，在夏季來臨時，氣溫升高大量冰雪消融通過地表巖石裂隙下滲補給地下水；同時研究區多數河流水位高于地下水水位，特別是在豐水期期間受到降雨和冰雪融水雙重補給，河流流量和水位更加暴漲，入滲地下補給區面積激增，大量的地表水在此階段轉化為地下水。

綜上所述，研究區地下水補給來源主要為山區冰雪融水和地表水，次要補給源為大氣降雨。研究區地下水徑流能力總體比較差，受地質構造和大地貌特征的影響，地下水流向總體上都是指向地勢低洼的河流，徑流方向與構造線延展方向大體相似，在徑流過程中受侵蝕切割或于地勢低洼處主要以泉的形式作為主要排泄方式。

研究區地處牧區較為偏遠，地廣人稀使得地下水開發程度較低，同時自然環境的惡劣使得區域內水文地質調查程度粗糙，研究區相應水文地質資料極少，綜合導致該區域地下水資源未能到充分利用，多數以泉的形式流失于地表。全區共有地下水取水井67眼，主要分布在河卡鎮和子科灘鎮，其中日取水量大于等于5 000 m3/d的井共有4眼，地下水取水總供水量約為0.58×104m3/d。

2 研究方法

2.1 方法選取

目前，地下水資源評估方法眾多，不同方法均存在各自區域適應性和局限性，選擇合適的方法應用于相宜區域對于地下水資源量計算結果具有直接影響作用[6]。研究區山區面積占區域總面積的80%，且多為無人踏足之地，水文地質調查難度高導致所獲取野外資料稀少。同時區域內地下水多數是通過泉的形式排泄直接順地勢低洼處匯入地表河流，極少受到人為干擾影響，研究區整體地下水的補給和排泄均處于天然的狀態。綜上，研究區具有資料掌握度低且地下水補徑排受人為擾動作用小的特點，因此選取水文分析法進行研究區地下水資源量評估。

水文分析法基本原理在于一個地下水系統對其水量循環的過程來說，無論其補給是多么的復雜，補給量總是要轉化為地下水徑流量，而徑流量又在適當的地方流出地表形成為地表水[7]，因此其主要通過地下水的排泄量對地下水資源量進行評估，特別適用于地下水研究程度較低且排泄量基本都屬于天然徑流量的地區。研究區屬于山丘區，山丘區地下水資源量近似等于流域基流量、淺層地下水實際開采量和潛水蒸發量等各排泄量之和[8]，但區內多數為高寒凍土地區，潛水蒸發量、淺層地下水實際開發量極小，可忽略不計。故研究區地下水資源量大致可等同于區域流域基流量。

2.2 評估思路

水文分析法評估精度取決于流域測流和基流分割的精度，因此本文采用最小枯季法分割流域徑流過程線計算流域基流量，又稱之為直線平割法，該方法已應用于較多類似地區且效果良好[9-10]。原理為選用枯季年內月徑流量的最小平均值(最小月平均或連續幾個月最小平均值)為基線，平行切割全年徑流量，直線以下部分即為流域基流量。該方法反映了年內基流量下限，防止直線斜割法切割結果較小，而且適用于任何地區，只需要年內每月的徑流量，將徑流量最小平均值連接起來進行切割就可以得到流域基流量。

本次評估具體思路如下：

1) 根據研究區流域徑流量觀測資料，通過將代表站用最小枯季法來分割流域徑流過程線計算流域基流量，然后算出該站的基徑比。

2) 根據流域基流量分割成果建立該站流域徑流量(R)與流域基流量(Rg)的關系曲線，再根據該站流域徑流量從R-Rg關系曲線得出逐年流域基流量。

3) 在對有水文站控制的地區，采用基徑比查算流域基流量；對未被水文站控制的研究區其余地區，采用類比法對相似地區基徑比查算流域基流量。

3 結果分析

興海縣境內有水文站點3個，分別為黃河支流曲什安河大米灘站、大河壩河上村站和黃河干流唐乃亥站。由興海縣水務局提供各個站點水文資料，見表2、表3。

表2 研究區徑流量資料

表3 1957年研究區各河流對應水文站徑流量 /108 m3

由表2可知，1956-1959年為最小徑流量年份，可判定為枯季年，因此選取該期間1957年為切割年。由表3數據可知，1957年大米灘站、上村站和唐乃亥站最小徑流量月份均為12、1和2月份，且可以算出各自對應最小平均徑流量分別為3.390×108、1.133×108和92.822×108m3；以該值為基準線，對該站徑流過程線進行水平切割，切割線以下的徑流量即為各水文站對應流域基流量。各水文站徑流量切割曲線圖見圖2。

圖2 1957年研究區各河流徑流量切割曲線

結合表2和圖2可知，由最小徑流量月份12、1和2月份計算可得大米灘站切割基準線流量值為3.390×108m3，故基流量小于切割基準線流量為1月份的徑流量3.343×108m3；同理可得，上村站切割基準線流量值為1.133×108m3，基流量為1月份的徑流量1.097×108m3；唐乃亥站切割基準線流量值為92.822×108m3，基流量為1月份的徑流量92.176×108m3。同時依據所得基流量值，結合各河流基流量和相對應水文站徑流量計算出各自基徑比。

上述所得河流計算結果匯總見表4。

表4 研究區水文站流域基流量分割計算成果表

研究區地下水資源總量等于區域內流域基流量之和，基于表4基徑比計算結果，依據當地水務局所提供研究區各流域徑流量多年觀測資料平均值，通過基徑比來計算各流域多年平均基流量值。其中，對有水文站控制的地區，即曲什安河區、大河壩河區，通過表4實際所得基徑比進行計算。

對沒有水文站控制的地區，即中鐵溝區、內陸河區、河卡區，采用同級且具有類似水文地質條件的河流所得基徑比參與計算。如中鐵溝河和曲什安河都屬于黃河一級支流，河流沉積物基本一致，河床周邊圍巖滲透性基本相同，且二者枯水季均受同一區域地下水補給，因此基徑比可采用曲什安河所得值；內陸河區和河卡區與大河壩河區同理。

最終計算結果見表5，所得研究區地下水資源總量為4.318 5×108m3。

表5 研究區各流域基流量計算結果表

4 結 論

本文以青海省興海縣為研究區，研究區屬于山丘區，地下水資源量近似等于流域基流量。基于區內代表性水文站1956-2010期間不同年份間的徑流量數據，利用最小枯季法進行區域內典型水文站點流域徑流量進行切割，得到水文站對應流域切割基準線，從而得到各流域基流值，并進一步計算出流域對應基徑比。再結合各流域徑流量多年觀測資料平均值，對流域周邊有水文站點的區域(曲什安河區和大河壩河區)用所得的基徑比進行多年平均基流量反演計算，對沒有水文站點的區域(中鐵溝區、內陸河區和河卡區)則采用處于類似水文地質背景流域的基徑比進行多年平均基流量反演計算，五大流域基流量之和即為研究區地下水資源量，最終計算得到青海省興海縣多年平均地下水資源量為4.318 5×108m3。