， ，2，，

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；3.河南省地礦局第二環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

焦作市萬方工業(yè)園及周邊區(qū)域淺層地下水資源計算與評價

陳越超1，張慶1，2，李玉嵩3，趙麗1

(1.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；3.河南省地礦局第二環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450000)

為查明萬方工業(yè)園區(qū)及周邊區(qū)域淺層地下水資源狀況，利用均衡法分析評價淺層地下水開采潛力。計算結(jié)果表明：研究區(qū)域的補(bǔ)給量為2.463×104m3/d，排泄量為0.763 5×104m3/d，平均開采潛力為1.700×104m3/d，區(qū)內(nèi)淺層地下水水量充沛，水質(zhì)良好，適合生產(chǎn)生活使用。為區(qū)域內(nèi)水資源管理、開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

萬方工業(yè)園區(qū)；淺層地下水；資源評價；水均衡法

淺層地下水資源是焦作市的主要供水水源，隨著城市人口增加和工業(yè)的發(fā)展，對水資源的需求量與日俱增。萬方工業(yè)園區(qū)作為焦作市六大產(chǎn)業(yè)園區(qū)之一，未進(jìn)行園區(qū)的總體供水規(guī)劃，因此園區(qū)內(nèi)各項目需自行解決項目取水水源問題。研究區(qū)水文調(diào)查資料較多，但沒有完整的地下水資源評價，本文充分利用焦作市多年來的水文及水文地質(zhì)資料、前人的研究成果[1]，以為研究區(qū)生產(chǎn)生活供水為目的，對園區(qū)及周邊區(qū)域的淺層地下水資源進(jìn)行評價，為區(qū)域內(nèi)各項目制定水資源開發(fā)利用規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)西、南以山門河為界，東、北以萬方工業(yè)園區(qū)邊界為界，研究區(qū)面積22.4 km2(見圖1)。研究區(qū)處在南北氣候過渡帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，多年平均降水量584.7 mm，受地形及區(qū)域性氣候條件影響，降水量由山區(qū)到平原逐漸減少；降水量年內(nèi)分配不均，一般多集中在七、八月份，其次為六、九月份，汛期6—9月降水量占全年的64.8%～70.5%；降水量的年際變化較大，年最大降水量935.1 mm，年最小降水量327.4 mm，豐水年降水量達(dá)枯水年降水量的3倍以上。多年平均蒸發(fā)量1 700～2 000 mm，年平均氣溫14.2℃～14.8℃，無霜期年平均為216～240 d。

圖1 研究區(qū)淺層水水均衡區(qū)及邊界條件

研究區(qū)地處山前平原，分布大面積第四系堆積物。地層由老至新依次為：奧陶系、石炭系、二疊系、新近系、第四系。焦作市處于太行山隆起的南端與晉東南山字型構(gòu)造東翼反射弧的前緣和東秦嶺東西向構(gòu)造帶之北緣相交聯(lián)合弧地帶，加之基底巖性剛性極強(qiáng)，故本區(qū)以斷裂構(gòu)造為主要形態(tài)。

研究區(qū)內(nèi)含水層是多期沖洪積作用而形成的，因此整個含水層組在空間的分布不穩(wěn)定，自山前向平原區(qū)由單一結(jié)構(gòu)逐步過渡到多層結(jié)構(gòu)。含水層單層厚度約2～7 m，累計總厚度變化較大，一般在20～50 m之間，其富水性差異也較大。按推測降深5 m時單井涌水量(m3/d)的大小，論證區(qū)內(nèi)淺層含水層劃分為極強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)。

極強(qiáng)富水區(qū):涌水量大于5 000 m3/d，處于山門河沖洪積扇軸部區(qū)，主要位于焦作市馬村區(qū)西韓王村--待王鎮(zhèn)--北孔莊一帶，論證區(qū)內(nèi)面積8.2 km2。

中等富水區(qū)：涌水量1 000～3 000 m3/d·5 m。北部主要分布馬村區(qū)待王鎮(zhèn)，修武縣周莊鄉(xiāng)、五里源鄉(xiāng)的山前坡洪積裙、沖洪積扇的扇間及扇前地帶，論證區(qū)內(nèi)面積14.2 km2。

2 地下水資源量計算

2.1 水文地質(zhì)參數(shù)確定

本次計算所選參數(shù)主要參照《河南省焦作市幅1:10萬區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》和本次進(jìn)行的抽水試驗(yàn)確定。水文地質(zhì)參數(shù)主要取值為：滲透系數(shù)(k)取值為23.92 m/d、重力給水度(μ)為0.13、山門河沖洪積扇：降水入滲系數(shù)(α)為0.25、山前傾斜平原：降水入滲系數(shù)(α)為0.20、灌溉回滲系數(shù)(β)為0.15、潛水蒸發(fā)系數(shù)(c)為0.100。

2.2 均衡方程的建立

利用均衡法原理[2]，在開采條件下，建立如下均衡式：

其中：Q補(bǔ)=Q降+Q河+Q回滲+Q徑補(bǔ)

Q排=Q開采+Q徑排+Q蒸發(fā)

式中：Q補(bǔ)為地下水總補(bǔ)給量(104m3/a)；Q排為地下水總排泄量(104m3/a)；μ為水位變動帶給水度；F為均衡區(qū)面積(km2)；Δt為均衡時間段(a)；ΔH為與Δt對應(yīng)的水位變幅(m)；Q降為降水入滲補(bǔ)給量(104m3/a)；Q回滲為灌溉與渠道回滲量(104m3/a)；Q河為山門河補(bǔ)給量(104m3/a)；Q徑補(bǔ)為側(cè)向徑流補(bǔ)給量(104m3/a)；Q開采為工農(nóng)業(yè)及生活用水開采量(104m3/a)；Q徑排為側(cè)向徑流排泄量(104m3/a)。

2.3 地下水補(bǔ)給量計算

2.3.1 降雨入滲量計算

Q降滲=P×α×F

式中：Q降滲為大氣降水入滲量(104m3/a)；P為大氣降水量(mm/a)；根據(jù)焦作市水資源公報，焦作市區(qū)2014年降水量為541.6 mm；修武縣2014年降水量為543.0 mm。α為大氣降水入滲系數(shù)；F為計算區(qū)面積(km2)。本區(qū)降水入滲補(bǔ)給量計算結(jié)果見表1。

表1 論證區(qū)降水入滲補(bǔ)給量計算表

2.3.2 灌溉回滲量

區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉采用井灌方式，根據(jù)灌溉定額、灌溉面積及有關(guān)農(nóng)業(yè)開采量資料，利用下式計算灌溉回滲補(bǔ)給量。

Q回滲=β·F·A

式中：F為灌溉面積(畝)，研究區(qū)內(nèi)機(jī)井灌溉農(nóng)田地主要在臥龍崗村、磨臺營村、王母泉村、張弓鋪村、郜屯村、北孔莊、秦莊村東孔莊，井灌面積約1.06萬畝；A為灌溉定額(m3/畝)，調(diào)查區(qū)內(nèi)灌溉定額約為200；β為為灌溉系數(shù)，調(diào)查區(qū)內(nèi)灌溉系數(shù)約為0.15。

計算結(jié)果為：灌溉入滲日補(bǔ)給量0.088(104m3/d)；灌溉入滲年補(bǔ)給量31.8(104m3/a)。

2.3.3 地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給

計算公式如下。

Q徑排=K·B·H·I

式中：K為滲透系數(shù)(m/d)，調(diào)查區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)約為23.92(m/d)；B為徑流補(bǔ)給邊界長度(km)，調(diào)查區(qū)內(nèi)徑流補(bǔ)給邊界長度約為7.25(km)；H為含水層平均厚度(m)，調(diào)查區(qū)內(nèi)含水層平均厚度約為27(m)；I為水力坡度(無量綱)，調(diào)查區(qū)內(nèi)水力坡度約為0.21(%)。

計算結(jié)果為：調(diào)查區(qū)內(nèi)側(cè)向徑流補(bǔ)給量約為0.983(104m3/d)；

2.3.4 河流補(bǔ)給量計算

山門河是山區(qū)流入平原區(qū)的主要河流，其潛流補(bǔ)給量可用斷面法估算，河流補(bǔ)給量計算結(jié)果為：河道寬度300(m)；含水層厚度15(m)；滲透系數(shù)150(m/d)；水力坡度0.040；補(bǔ)給天數(shù)90 d；山門河日補(bǔ)給量0.666(104m3/d)；山門河年補(bǔ)給量243(104m3/a)。

2.4 地下水排泄量計算

區(qū)內(nèi)淺層地下水的排泄方式主要為人工開采，地下側(cè)向徑流排泄[3]等。

2.4.1 側(cè)向徑流排泄量

據(jù)所選的斷面位置、斷面長度、含水層平均厚度、平均水力坡度、平均滲透系數(shù)、利用達(dá)西公式計算地下水徑流量，計算公式如下。

Q徑排=K·B·H·I

式中：K為滲透系數(shù)(m/d)，研究區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)約為23.92(m/d)；B為徑流排泄邊界長度(km)，研究區(qū)內(nèi)徑流排泄邊界長度約為4.37(km)；H為含水層平均厚度(m)，研究區(qū)內(nèi)含水層平均厚度約為27(m)；I為水力坡度(無量綱)，研究區(qū)內(nèi)水力坡度約為0.27(%)。

計算結(jié)果為：Q徑排—側(cè)向徑流排泄量(104m3/a)，研究區(qū)內(nèi)側(cè)向徑流排泄量約為0.762(104m3)。

2.4.2 淺層地下水人工開采量計算

區(qū)內(nèi)淺層地下水開采量主要包括工業(yè)開采量，生活開采量，農(nóng)灌開采量等[4]。(1)井灌開采量。根據(jù)論證區(qū)內(nèi)井灌面積，現(xiàn)狀年的灌溉定額，算出井灌開采量，結(jié)果為：井灌面積約為1.06(萬畝)；現(xiàn)狀年灌溉定額為200；井灌溉日開采量約為0.581(104m3/d)；井灌溉年開采量約為212(104m3/a)。(2)工業(yè)開采量。焦作市健康元生物制品有限公司年開采量約317×104m3/a；萬方鋁業(yè)股份有限公司、東星氟化鋁廠、金冠電廠、萬方電廠等企業(yè)開采淺層松散巖類孔隙水開采量約32×104m3/a。區(qū)內(nèi)淺層地下水工業(yè)開采量為349×104m3/a，即0.956×104m3/d。(3)生活開采量。均衡區(qū)內(nèi)人口約為2.1萬人，用水定額按每人每天100 L計；區(qū)內(nèi)大牲口較少，本次計算不再納入[5]。僅計算人口生活用水量：Q飲=0.21×104m3/d

2.4.3 淺層地下水蒸發(fā)排泄量計算

潛水蒸發(fā)系數(shù)與地下水位埋深有關(guān)[6]，水位埋深大于4 m時，蒸發(fā)很微弱視為不蒸發(fā)。區(qū)內(nèi)淺層地下水位埋深一般大于4 m，僅在研究區(qū)東南部水位埋深小于4米，地表巖性多為粉土，地下水蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，其蒸發(fā)量按下式計算：

Q蒸=10-5·ε0·c·F

式中：ε0為水面蒸發(fā)量，研究區(qū)內(nèi)水面蒸發(fā)量約為1 248.7(mm)；c為潛水蒸發(fā)系數(shù)，研究區(qū)內(nèi)潛水蒸發(fā)系數(shù)約為0.100；F為計算區(qū)面積，計算區(qū)面積約為4.5(km2)。

計算結(jié)果為：研究區(qū)內(nèi)淺層地下水日蒸發(fā)量約為0.001 5(104m3/d)；研究區(qū)內(nèi)淺層地下水年蒸發(fā)量約為0.562(104m3/a)

2.5 淺層地下水資源量

通過均衡計算得出以下結(jié)論：現(xiàn)狀條件下，地下水的總補(bǔ)給量為2.463×104m3/d，總排泄量為2.510×104m3/d。地下水補(bǔ)給量小于排泄量，均衡差為-470 m3/d。地下水資源量總體負(fù)均衡，地下水位略有下降。論證范圍內(nèi)實(shí)際每年平均下降0.06m；根據(jù)均衡計算[7]，論證范圍內(nèi)每年下降0.059 m，兩者相差0.002 m，說明均衡計算區(qū)水文地質(zhì)模型概化及相關(guān)參數(shù)選擇正確。均衡計算結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)狀條件下地下水均衡計算表

3 地下水資源可開采量分析

地下水的可開采量是與補(bǔ)給和排泄所形成的地下水動平衡有關(guān)的[8]，它不包括含水層中得不到補(bǔ)償?shù)膬Υ媪俊，F(xiàn)狀開采條件下，地下水的補(bǔ)給主要為大氣降水入滲，灌溉回滲，山門河滲漏補(bǔ)給，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給等。地下水的排泄量主要為地下水的可開采量、蒸發(fā)量、地下水側(cè)向徑流排泄量。開采條件下地下水位達(dá)到穩(wěn)定時均衡方程為：

(Q降+Q徑補(bǔ)+Q河滲+Q灌滲)-(Q可+Q徑排+Q蒸)=0

即：Q可=(Q降+Q徑補(bǔ)+Q河滲+Q灌滲)-(Q徑排+Q蒸)

式中：降雨入滲為0.726(萬m3/d)；灌溉回滲為0.088(萬m3/d)；河流補(bǔ)給為0.666(萬m3/d)；徑流補(bǔ)給為0.983(萬m3/d)，補(bǔ)給量小計為2.463(萬m3/d)。徑流排泄為0.762(萬m3/d)；蒸發(fā)排泄為0.001 5(萬m3/d)，排泄量小計為0.763 5(萬m3/d)。

計算結(jié)果為：現(xiàn)狀條件下，淺層地下水可開采量為1.700×104m3/d。

表3 生活飲用水評價表 mg/L

4 淺層地下水水質(zhì)評價

開采的淺層地下水要作為生產(chǎn)生活用水使用，因此本次評價選用GB/5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[9]作為評價標(biāo)準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)對比評價法，對水中的各種組分、單項指標(biāo)進(jìn)行取樣分析計算，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分類、評判。根據(jù)本次地下水取樣，進(jìn)行地下水水質(zhì)評價。具體結(jié)果見表3。

從表3可以得出，本次分析的水質(zhì)指標(biāo)均在標(biāo)準(zhǔn)界限值以內(nèi)，淺層地下水水質(zhì)滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，地下水水質(zhì)較好。

5 結(jié)語

對焦作市萬方工業(yè)園區(qū)及周邊地區(qū)區(qū)域淺層地下水資源進(jìn)行評價，采用均衡法進(jìn)行地下水資源量評計算，淺層地下水可開采量為1.700×104m3/d。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，淺層地下水水質(zhì)較好，經(jīng)適當(dāng)處理后適宜作為生產(chǎn)生活用水。

[1]柯禮丹.人均綜合用水量方法預(yù)測需水量—觀察未來社會用水的有效途徑[J]. 地下水.2004.26(1)：1-6.

[2]戴巖柯，崔世新，張坤. 水均衡法和數(shù)值模擬法在礦坑深部涌水量預(yù)測中的比較—以西門礦為例[J]. 地下水.2010.32(1)：24-27.

[3]Ian Ondo, Janice Burns, Christian Piedallu. Catena.2017(153):207-218.

[4]Sananda Kundu-, Deepak Khare, Arun Mondal. Journal of Environmental Management[J]. Journal of Environmental Management.2017(197):582-596.

[5]Selda Murat Hocaoglu. Evaluation of on-site wastewater reuse alternatives for hotels through water balance[J]. Resources, Conservation and Recycling 2017(122):43-50.

[6]楊坡，張文娟，李自濤.河南省新鄉(xiāng)市傍河水源地淺層地下水資源評價[J].節(jié)水灌溉.2015(10)：67-70.

[7]馬傳明，寧立波，王現(xiàn)國，等.中牟縣淺層地下水資源評價[J].水文.2007(27)：80-84.

[8]張旭東，田國林.均衡法與解析法在地下水資源評價中的應(yīng)用分析.地下水.2016(3)：12-14.

[9]GB/5749-2006 生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).

TheshallowlayergroundwaterresourceevaluationofJiaozuowanfangindustrialparkandthesurroundingarea

CHENYue-chao1，ZHANGQing1，2，LIYu-song3，ZHAOLi1

(1.Institute of resources & environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan；2.No.2 Institute of Geological & Mineral Resources Survey of Henan,Zhengzhou 450001, Henan.；3.No.2 Institute of Geo-environment Survey of Henan, Zhengzhou 450001, Henan.)

To find out the status of shallow groundwater resources in Wanfang Industrial Park, this paper uses the equilibrium method to analyze and evaluate the potential of shallow groundwater exploitation. The results show that the recharge area is 2.463×104m3/d, the excretion is 104m3/d, the average mining potential is 1.700×104m3/d. The shallow groundwater is abundant and the water quality is good, which can meet the requirements.

Wanfang industrial park；shallow layer groundwater；resource evaluation；water balance method

TV211.1+2

A

1004-1184(2017)06-0014-03

2017-07-10

國家自然科學(xué)基金項目(41402216)和河南省博士后經(jīng)費(fèi)聯(lián)合資助

陳越超(1991-)，男，河南鶴壁人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文水資源。

李玉嵩(1983-)，男，河南平頂山人，高級工程師，主要從事地下水開發(fā)等方面研究工作。