李永勇

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

由于南陽溝社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，需對(duì)南陽溝地下水資源量進(jìn)行計(jì)算。地下水資源量直接制約了當(dāng)居民的正常生活及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水均衡法在前期工作量，計(jì)算過程、計(jì)算結(jié)果等方面對(duì)于其他方法都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。李曉英等利用水均衡法在區(qū)域地下水資源量評(píng)價(jià)計(jì)算中取得較為可信的結(jié)果[2]。本文采用水均衡法對(duì)南陽溝地下水資源量進(jìn)行計(jì)算，為地下水的開采方案提供依據(jù)。

1 工程區(qū)概況

南陽溝位于關(guān)帝山北側(cè)，為北川河一級(jí)支溝，溝內(nèi)沖溝發(fā)育，南陽溝水庫往上支溝長(zhǎng)約8.5 km，流域面積約40 km2。關(guān)帝山為區(qū)內(nèi)最高峰，地貌上屬關(guān)帝山巖穹高中山區(qū)。

區(qū)內(nèi)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫8.9℃，區(qū)內(nèi)多年平均降水量509.1 mm，降水量年內(nèi)分配不均，6-9月份占年降水量的65%～75%，7、8兩月更為集中，所占比重達(dá)40%以上，非汛期降水量小而不穩(wěn)。本區(qū)地處半干旱地區(qū)，蒸發(fā)能力較強(qiáng)，水面蒸發(fā)量在900～1 300 mm，陸面蒸發(fā)量在350～600 mm。干旱指數(shù)一般在2～3之間。

區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)類型多樣；基巖褶皺、斷裂較發(fā)育，構(gòu)造較復(fù)雜，巖相巖性不穩(wěn)定，主要為太古界呂梁山群變質(zhì)巖系黑云斜長(zhǎng)片麻巖、黑云變粒巖、二長(zhǎng)片麻巖及粗粒斑巖等；第四紀(jì)沉積物分布不均勻，主要為上更新統(tǒng)坡洪積褐黃色低液限粉土及第四系全新統(tǒng)沖洪積卵（漂）石混合土等。

區(qū)內(nèi)地下水類型按埋藏條件劃分主要為潛水，按含水層孔隙性質(zhì)劃分為松散巖類孔隙水及變質(zhì)巖類裂隙水。松散巖類孔隙水主要分布于溝谷底部，其富水程度受地表基流影響大。變質(zhì)巖類裂隙水主要分布于區(qū)內(nèi)淺部變質(zhì)巖風(fēng)化帶、節(jié)理裂隙密集及構(gòu)造影響帶內(nèi)，其下部完整變質(zhì)巖多構(gòu)成相對(duì)隔水層。

2 水均衡方程建立

選取南陽溝兩側(cè)分水嶺為水文邊界，區(qū)內(nèi)為相對(duì)完整水文地質(zhì)單元，潛水補(bǔ)給的最主要來源為大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，可認(rèn)為降水補(bǔ)給量為地下水資源補(bǔ)給量。區(qū)內(nèi)潛水排泄途徑包括：河川基流量、河床潛流量、潛水蒸發(fā)量和林木蒸騰量。根據(jù)本區(qū)的水文地質(zhì)條件和質(zhì)量守恒原理，確立如下地下水均衡方程式：

式中：ΔQ——均衡期儲(chǔ)存量的變化量；

Q補(bǔ)——均衡期地下水天然補(bǔ)給量；

Q排——均衡期地下水排泄量。

2.1 降水補(bǔ)給量

內(nèi)大氣降水的入滲補(bǔ)給量由降水的入滲系數(shù)及分區(qū)面積決定，大氣降水入滲量計(jì)算公式如下：

式中：Q滲——大氣降水入滲補(bǔ)給量，m3/d；

α——降水入滲系數(shù)；

X——年降水量，m/a；

F——降水入滲面積，m2。

2.2 總排泄量

區(qū)內(nèi)潛水排泄途徑包括：河川基流量、山前泉水出流量、山前側(cè)向流出量、河床潛流量、潛水蒸發(fā)量、林木蒸騰量和地下水實(shí)際開采凈消耗量?？辈靺^(qū)未見山前泉水出流?？辈靺^(qū)河谷兩岸山體多為完整基巖，山前側(cè)向流出量較小。由于區(qū)內(nèi)村落常住人口較少，可不考慮人工開采對(duì)地下水影響。根據(jù)山丘區(qū)地下水的消耗途徑，其總排泄量可按下式計(jì)算：

式中：Rg——河川基流量，m3/d；

Q潛——河床潛流量，m3/d；

Q蒸——潛水蒸發(fā)量，m3/d；

Q林——林木蒸騰量，m3/d。

1）河川基流量的計(jì)算

河川基流量是一般山丘區(qū)地下水的主要排泄項(xiàng)，本次勘察主要利用三角堰法及流速法測(cè)定河川基流。

2）河床潛流量的計(jì)算

南陽溝地下水徑流出口只有一個(gè)，流出斷面河床潛流量參數(shù)選取按鉆孔資料確定，計(jì)算公式為：

式中：Q潛——河床潛流量，m3/d；

I——水力坡度（無量綱）；

K——入滲系數(shù)，m/d；

M——含水層厚度，m；

B——過水?dāng)嗝鎸挾?，m。

3）潛水蒸發(fā)量的計(jì)算

按照地下水埋藏深度分區(qū)和蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算地下水蒸發(fā)，陸面潛水蒸發(fā)量按下列公式計(jì)算：

式中：Q蒸——潛水蒸發(fā)量，m3/d；

ε0——潛水近地面時(shí)的年均蒸發(fā)強(qiáng)度，m/a；

C——蒸發(fā)系數(shù)；

F——蒸發(fā)區(qū)面積，m2。

4）林木蒸騰量

勘察區(qū)多被植被覆蓋，以油松、楊樺、落葉松、云杉為主，兼有灌木叢為輔，林木蒸騰系數(shù)取值0.12，林木蒸騰量計(jì)算仍采用公式5估算。

3 參數(shù)選取

3.1 降水入滲系數(shù)α

南陽溝位于關(guān)帝山山區(qū)，根據(jù)《地下水資源勘察規(guī)范》（SL454-2010）附錄H計(jì)算降水入滲系數(shù)。根據(jù)勘察區(qū)出露地層巖性，確定勘察區(qū)卵（漂）石混合土降水入滲系數(shù)取0.30～0.35；低液限粉土區(qū)降水入滲系數(shù)取0.02～0.05；基巖區(qū)降水入滲系數(shù)取0.15～0.18。

3.2 蒸發(fā)系數(shù)C

綜合考慮區(qū)內(nèi)地貌、包氣帶巖性、水位埋深、植被、地形坡度等因素，計(jì)算時(shí)認(rèn)為基巖是非蒸發(fā)區(qū)。富水區(qū)地下水位埋深一般在2.0～4.0 m，參照2005年呂梁市水資源管理委員會(huì)、呂梁市水利局“呂梁市第二次水資源評(píng)價(jià)報(bào)告”，蒸發(fā)系數(shù)取0.068。

3.3 水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算選取

為了正確計(jì)算與評(píng)價(jià)地下水資源，含水層的滲透系數(shù)主要通過野外抽水試驗(yàn)獲得。

1）潛水水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算

按照南陽溝上、中、下游共布置3個(gè)勘探孔，抽水試驗(yàn)均為單孔抽水，均為穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。按相應(yīng)條件的裘布依公式進(jìn)行求參，計(jì)算得到含水層的滲透系數(shù)為7.67 m/d。

2）潛水給水度確定

結(jié)合地層巖性及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取覆蓋層卵（漂）石混合土的給水度為0.22，裂隙基巖給水度為0.10（參照前述“呂梁市第二次水資源評(píng)價(jià)報(bào)告”）。

4 地下水資源量的計(jì)算

4.1 南陽溝降水補(bǔ)給量的計(jì)算

根據(jù)南陽溝出露地層巖性，確定勘察區(qū)卵（漂）石混合土降水入滲系數(shù)取0.30；低液限粉土區(qū)降水入滲系數(shù)取0.03；基巖區(qū)降水入滲系數(shù)取0.15。據(jù)收集到的氣象資料統(tǒng)計(jì)（1969年—2015年），南陽溝年均降水量為509.1 mm，南陽溝大氣降水補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì)見表1。經(jīng)計(jì)算，南陽溝降水補(bǔ)給量為8 342.8 m3/d。

表1 南陽溝大氣降水補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì)表

4.2 南陽溝地下水資源排泄量的計(jì)算

南陽溝隔水邊界相對(duì)封閉，地下水徑流排泄出口只有一個(gè)，排泄斷面選取在南陽溝溝口，流出斷面按鉆孔資料確定。

1）河川基流量的計(jì)算

南陽溝河川基流量利用三角堰法，流量測(cè)試日期為2017年6月22日，實(shí)測(cè)排泄斷面基流三角堰水位高16.8 cm，計(jì)算得南陽溝潛水流出斷面的河川基流量為1 389.3 m3/d。

2）河床潛流量的計(jì)算

南陽溝溝口地下水徑流排泄斷面潛水含水層過水?dāng)嗝婷娣e1 654 m2，滲透系數(shù)取7.67 m/d，根據(jù)鉆孔地下水位觀測(cè)資料確定水力坡度為0.046。經(jīng)計(jì)算，南陽溝河床潛流量為583.6 m3/d。

3）潛水蒸發(fā)量的計(jì)算

按照地下水埋藏深度分區(qū)和蒸發(fā)系數(shù)計(jì)算地下水蒸發(fā)，年均蒸發(fā)系數(shù)取值0.068；區(qū)內(nèi)陸面蒸發(fā)強(qiáng)度根據(jù)前述“呂梁市第二次水資源評(píng)價(jià)報(bào)告”在350～600 mm，本次取500 mm；根據(jù)地勢(shì)特征、地下水位分布情況等，蒸發(fā)區(qū)面積取3.66 km2。經(jīng)計(jì)算，南陽溝潛水蒸發(fā)量為340.9 m3/d。

4）潛水蒸發(fā)量的計(jì)算

勘察區(qū)多被植被覆蓋，林木蒸騰系數(shù)取值0.12，年均蒸發(fā)強(qiáng)度在350～600 mm，本次取500 mm；根據(jù)植被覆蓋情況等，林木蒸騰區(qū)面積取36.3 km2。經(jīng)計(jì)算，南陽溝林木蒸騰量為5 967.1 m3/d。

綜上所述，南陽溝排泄項(xiàng)共有四項(xiàng)：河川基流量、河床潛流量、潛水蒸發(fā)量及林木蒸騰量。經(jīng)計(jì)算，南陽溝地下水總排泄量為8 280.9 m3/d。

4.3 南陽溝水均衡分析

均衡期取一個(gè)水文年，即365天據(jù)前述分析，南陽溝降水補(bǔ)給量為8 342.8 m3/d，即304.5×104m3/a，地下水總排泄量為8 280.9 m3/d，即302.3×104m3/a。均衡差值為2.2×104m3，為正均衡。引起地下水正均衡的主要原因：

1）均衡期為豐水年，大氣降水補(bǔ)給充沛；

2）基流量測(cè)試時(shí)間為雨季初期，隨著雨季到來，基流量增加，地下水排泄量將增加，均衡差將減小。

4.4 南陽溝地下水資源的評(píng)價(jià)

潛水蒸發(fā)量不能被利用，地下水可利用資源量主要為河床潛流量，合計(jì)583.6 m3/d。根據(jù)布井采水方式，乘以0.6的開采系數(shù)后，南陽溝地下水資源可開采量為350.2 m3/d。

5 結(jié)論

1）南陽溝位于變質(zhì)巖山區(qū)，地下水儲(chǔ)水空間較小，造成地下水資源量較少。雨季降水量以河川基流量方式快速排泄。

2）根據(jù)水均衡計(jì)算，南陽溝地下水為正均衡。

3）南陽溝地下水可利用資源量主要為河床潛流量，由于地表水與地下水水力聯(lián)系密切，地下水開采勢(shì)必會(huì)影響地表水流量。

參考文獻(xiàn)：

［1］王 璐，水均衡法在白楊河勘查區(qū)地下水資源計(jì)算中的應(yīng)用［J］，地下水，2016，38（5）：23-24.

［2］李曉英，顧文鈺.水均衡法在區(qū)域地下水資源量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］，水資源與水工程學(xué)報(bào)，2014，25（1）：87-90.