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        辛安泉泉水流量數(shù)學(xué)模擬研究

        2020-01-01 03:30:08牛二偉
        山西水土保持科技 2019年4期
        關(guān)鍵詞:泉域開采量富水

        牛二偉

        (長治市水文水資源勘測分局)

        辛安泉是山西省19個巖溶大泉之一,位于晉東南太行山中段西側(cè)。泉域總面積10 950 km2,地跨長治和晉中2市,其中長治市境內(nèi)面積9 430 km2,占到86.12%,涉及全市除沁源縣以外的11個縣(區(qū))。泉域裸露巖溶區(qū)面積2 200 km2,占總面積20.09%;隱伏巖溶區(qū)面積8 750 km2,占總面積79.91%。以泉域集中出露帶為主體的長治市城區(qū)辛安泉飲用水水源地,為當(dāng)?shù)刈顬橹饕墓┧吹?,已被列入全國重要水源地名錄?000年以來,辛安泉泉水流量與供水能力呈現(xiàn)下降趨勢,不僅直接威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦纳铒嬎踩掖蟠笾萍s了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,開展辛安泉泉水流量研究,分析泉水流量的主要影響因素,為切實保護(hù)辛安泉水資源提供堅實的科學(xué)依據(jù),是非常必要的。

        1 辛安泉域自然環(huán)境特征與泉水流量

        辛安泉是一個泉群,為全排型巖溶大泉,泉水初露于潞城區(qū)辛安泉鎮(zhèn)濁漳河河谷地帶。泉域巖溶水受來自于北、西、南方向的水力梯度作用向排泄區(qū)匯流,形成王曲和實會兩大泉群。辛安泉泉域地形復(fù)雜,在不同的地質(zhì)作用下形成了以山間盆地為中心、四周山區(qū)丘陵環(huán)抱的地貌景觀,其中山地丘陵面積占泉域面積90%以上。

        1.1 泉域地質(zhì)特征

        辛安泉泉域構(gòu)造為單斜構(gòu)造,傾向北西,自西向東依次為沁水塊坳、長治新裂陷盆地、晉獲褶斷帶。泉域內(nèi)斷層、地壘等地質(zhì)構(gòu)造為泉域巖溶水的主要控制因素,以長治大斷層和北耽車斷層最為明顯;其次為王山地壘、二崗山地壘等。區(qū)域出露地層,包括太古界古老變質(zhì)巖,元古界礫巖、石英砂巖和頁巖,寒武—奧陶系碳酸鹽巖,石炭—二疊系礫巖、砂巖、頁巖和泥巖,三疊系砂巖,侏羅系石英砂巖,以及第三系至第四系松散巖層。泉域主要含水層,以奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r、泥灰?guī)r為主構(gòu)成;次要含水層,以寒武系中上統(tǒng)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主構(gòu)成;相對隔水層,則由奧陶系下統(tǒng)(排泄區(qū)除外)為主構(gòu)成。

        1.2 泉域巖溶水系統(tǒng)特征

        辛安泉泉域作為一個完整的水文地質(zhì)單元,具有獨立的補(bǔ)、徑、排途徑。結(jié)合泉域內(nèi)水文地質(zhì)及富水性情況,可將泉域劃分為四個區(qū)域,即:強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、一般富水區(qū)和弱富水區(qū)。強(qiáng)富水區(qū)位于辛安泉排泄區(qū);較強(qiáng)富水區(qū)分布于長治—潞城、襄垣、黎城三個徑流區(qū);一般富水區(qū)分布于泉域強(qiáng)徑流帶外側(cè)和地下水補(bǔ)給區(qū)或補(bǔ)給徑流區(qū);弱富水區(qū)主要位于泉域的灰?guī)r裸露區(qū)邊緣地帶和長子、屯留以西碳酸鹽巖類底層深埋區(qū)。辛安泉域泉點170余個,可分為王曲泉群和實會泉群兩大部分。泉域內(nèi)各泉組分布于西流村至北耽車之間約16 km長的河谷中,出露標(biāo)高600-615m。

        1.3 泉域補(bǔ)、徑、排循環(huán)特征

        泉域水資源補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表水滲漏補(bǔ)給。其中:大氣降水為主要補(bǔ)給來源,在碳酸巖類地區(qū)尤為明顯;其次,為地表水的滲漏補(bǔ)給。含水層巖性,以松散巖類、碎屑巖類、碳酸鹽巖類為主。泉域碳酸鹽巖類裂隙巖溶水的運動形式,主要是從不同位置及不同的方向,以各種不同的途徑,向排泄區(qū)匯流,并呈泉群出露。由于濁漳河干流對太行山的強(qiáng)烈侵蝕作用,使潞城區(qū)西流至平順縣北耽車一帶濁漳河河谷,成為辛安泉域內(nèi)標(biāo)高最低的排泄基準(zhǔn)面。在辛安泉灣里一帶出露下奧陶統(tǒng)白云巖弱透水層,使上游富水性較強(qiáng)的中奧陶統(tǒng)巖溶地下水受阻而匯集溢流,形成了王曲泉群。北耽車以下,沿河床出露的長城系、寒武系下統(tǒng)隔水層具有良好的阻水作用,形成實會泉群。

        1.4 泉域泉水流量動態(tài)特征

        通過收集辛安泉歷年實測流量資料,可以準(zhǔn)確地反映出泉水流量的變化趨勢。歷年流量監(jiān)測情況見表1。根據(jù)1956-2017年62 a觀測資料,辛安泉實測多年平均流量8.21m3/s,最大流量16.03m3/s(1964年),最小流量2.83m3/s(2012年)。根據(jù)資料分析,泉水流量總體上呈減少趨勢,從20世紀(jì)80年代開始,泉水流量明顯減少(見圖1)。

        表1 辛安泉歷年流量監(jiān)測基本情況表

        圖1 辛安泉泉水歷年天然流量變化圖

        2 泉水流量影響因素分析

        根據(jù)辛安泉長系列泉水流量觀測資料分析,認(rèn)為流量呈現(xiàn)減少的原因主要有以下方面。

        2.1 降水量因素

        辛安泉排泄區(qū)多為碳酸鹽裸露區(qū),入滲補(bǔ)給速度快,年降水量與泉水流量顯著相關(guān)。年降水量多時,地下水補(bǔ)給量就大,泉水流量也大。

        2.2 開采量因素

        隨著城市擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,泉域內(nèi)巖溶水開采量不斷增大,對泉水流量影響亦逐漸增大。1980年開始開采巖溶水,開采量只有0.03m3/s;1987年長治市城市供水公司和天脊集團(tuán)兩個大型水源地的投入開采,開采量增大到了1.2m3/s;2017年開采量達(dá)到了3.12m3/s。

        2.3 煤礦礦井排水因素

        石炭、二疊系裂隙含水層的地下水,可沿裂隙向深部巖溶含水層產(chǎn)生越流補(bǔ)給,當(dāng)?shù)夭擅号潘沟妹合档貙拥牡叵滤皇韪桑瑥亩绊懙降叵滤南聺B補(bǔ)給。

        3 辛安泉泉域水文資料分析

        除長治市水文水資源勘測分局在石梁、天橋設(shè)立的2處水文測站對辛安泉泉水流量進(jìn)行觀測外,在1993年,辛安泉域管理中心在排泄區(qū)設(shè)立了王曲水文站,對葦蒲泉、南流二泉、南流三泉、西流泉、戰(zhàn)備渠、濁漳河主河道泉水出露區(qū)上游南堡斷面、泉水匯入后濁漳河下游安樂斷面以及監(jiān)測區(qū)間農(nóng)業(yè)用水與天脊集團(tuán)退水等辛安泉域的8個泉水流量觀測斷面進(jìn)行了觀測,觀測斷面分布見圖2。

        據(jù)對1956-2017年觀測資料統(tǒng)計,年均降水量561.8mm,天然泉水流量9.46m3/s,折算徑流深約27.2mm,泉水產(chǎn)流系數(shù)為0.048 4。

        3.1 泉水對降水響應(yīng)的滯后效應(yīng)

        一般發(fā)生降水后,需經(jīng)過入滲補(bǔ)給過程,才能進(jìn)入含水層中。因此,降水對泉水流量的影響存在著一定的時間差,即滯后性。采用錯位時間不同相關(guān)度分析降水量、泉水流量逐月數(shù)據(jù),可以大致推斷出降水影響的滯后時間長度(見圖3)。

        從圖3可以看出,互相關(guān)曲線第一個峰值對應(yīng)的時間為λ=7個月,除7個月外,曲線峰值所對應(yīng)的時間還包括19、31、43個月……。從峰值對應(yīng)的時間序列可以得出,降水量對泉水流量影響滯后周期大致為12個月。該現(xiàn)象可歸結(jié)于辛安泉巖溶水系統(tǒng)降水量的年內(nèi)周期性和相似性。根據(jù)最小峰值時間可知,降水對泉水流量的影響滯后時間在12個月內(nèi)。

        天然降水量對泉水流量的影響,不僅表現(xiàn)為當(dāng)年降水量,還包含上年降水量。為便于分析,將當(dāng)年降水量值與相應(yīng)的泉水徑流深繪制過程線圖,同時增加近2 a平均降水量、近3 a平均降水量、近4 a平均降水量以及近n年平均降水量。據(jù)分析,近2 a平均降水量起伏與泉水徑流深基本一致,與大氣降水對辛安泉流量的影響具有滯后效應(yīng)結(jié)論一致。

        圖2 辛安泉域王曲水文站測驗斷面分布圖

        圖3 泉水流量與降水量互相關(guān)分析曲線

        3.2 降水量與徑流深關(guān)聯(lián)分析

        泉水流量與降水量關(guān)系密切,據(jù)此進(jìn)行相關(guān)分析。根據(jù)泉水流量和降水量觀測值,建立二者之間的相關(guān)方程。將歷年累計降水量與累計泉水徑流深點繪在一起(圖4),發(fā)現(xiàn)趨勢基本吻合。二者間的相關(guān)方程為:y=0.049 5x+59.012,相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6,說明高度相關(guān)。

        結(jié)合泉水開采情況,進(jìn)一步細(xì)分析發(fā)現(xiàn),1956-1982年泉水未大量開采時,關(guān)系曲線的斜率較小,為低斜率區(qū);1982年后受泉水開采影響,斜率明顯增大,1999年以來斜率更大。

        4 辛安泉泉水流量數(shù)學(xué)模擬研究

        辛安泉屬全排型泉水,泉水流量主要來自降水入滲補(bǔ)給。根據(jù)上述分析,泉水流量不但受當(dāng)年降水量影響,而且受上年甚至幾年降水量影響。除降水量影響之外,還受上游地下水開采量、煤礦礦井水排放影響??紤]大氣降水輸入的滯后及延遲時間,以年均降水量與泉水徑流深建立的關(guān)系來推求泉水徑流深,分時段分析結(jié)果見圖5和表2。

        由此可知:1956-1985年泉水未大量開采時的徑流系數(shù)較大,其中:1976-1982年為大系數(shù)區(qū),1961-1962年為小系數(shù)區(qū);1982年后受降水與泉水開采影響徑流系數(shù)逐年減小,且1999-2017年為系數(shù)最小區(qū)。

        圖4 歷年累計降雨量與累計泉水徑流深關(guān)系圖

        圖5 辛安泉泉域降水徑流系數(shù)變化曲線圖

        表2 1956-2017年辛安泉泉水徑流與區(qū)域降水量相關(guān)系數(shù)分析表

        巖溶水系統(tǒng)的輸入項為大氣降水量,輸出項為辛安泉流量。模型的輸入值選取泉水流量(1956-2017)、降水量及巖溶水開采量。其中降水量采用流域內(nèi)雨量站水資源公報選用站點的降水量均值。所建數(shù)學(xué)模型如下:

        式中:Q實測——泉水實測流量,m3/s;

        Q天——天然泉水流量,m3/s;

        Q開——泉水開采量,m3/s;

        R泉——泉水年徑流深,mm;

        A——泉域面積,采用10 950 km2;

        T——時間,s;

        a——降水徑流系數(shù);

        P——年降水量,mm。

        應(yīng)用該模型,先采用近2 a降水量P通過(3)式求得辛安泉年徑流深,再通過(2)式求得辛安泉泉水流量,用(1)式減去當(dāng)年辛安泉開采利用量,即得到辛安泉的實測泉水出露流量。

        經(jīng)計算,預(yù)測值與實際徑流深誤差在-4.48-3.84mm之間,占實測徑流深13%-14%。相對誤差在10%以內(nèi)的樣本為48個,占總樣本比例78.7%;相對誤差在10%-15%之間的樣本為13個,占總樣本比例21.3%。具體預(yù)測結(jié)果見圖6。

        圖6 辛安泉泉水徑流深預(yù)測值與實測值比較圖

        采用所建的數(shù)學(xué)模型,對辛安泉2018年的泉水流量進(jìn)行預(yù)測。經(jīng)統(tǒng)計,2018年1-10月降水量為422.0mm,11-12月采用歷年平均值22.3mm,則2018年降水量為444.3mm,2017年降水量614.8mm,預(yù)測采用2 a降水量的平均值。將2017年的巖溶水開采量(3.12m3/s)作為2018年開采量,取a=0.034 0。則有:

        R泉=529.6×0.034 0=18.0mm

        Q天=R泉×A/T×10-3=6.25m3/s

        Q實測=Q天-Q開=6.25-3.12=3.13m3/s。

        即:2018年實測泉水流量為3.13m3/s。

        現(xiàn)應(yīng)用該數(shù)學(xué)模型,對2019-2025年間的泉水流量變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。在預(yù)測前,需要獲取預(yù)測時段的降水量與開采量數(shù)據(jù),而目前還難以提前多年做出準(zhǔn)確的降水預(yù)報,擬利用頻率分析方法來獲取未來的降水量數(shù)據(jù)。即:首先以1956-2017年間62 a的降水量資料為原始數(shù)據(jù),通過理論頻率法計算出不同出現(xiàn)頻率的降水量值(表3);再選取出現(xiàn)頻率為20%(豐水年)、50%(平水年)和90%(枯水年)的降水量,分別作為預(yù)測時段可能的降水量值,進(jìn)而對不同降水保證率條件下的泉水流量進(jìn)行預(yù)測。至于地下水開采量的處理,則采取如下方式:假設(shè)2019-2025年間的巖溶水開采強(qiáng)度不會進(jìn)一步增加,將2017年的巖溶水開采量(3.12m3/s)作為今后的開采量。

        當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為20%的降水量值(664.9mm)作為今后幾年的降水量數(shù)據(jù)時,預(yù)測結(jié)果可代表2019年后出現(xiàn)連續(xù)豐水年情況下辛安泉未來的流量;當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為50%的降水量值(563.8mm)作為今后幾年的降水量數(shù)據(jù)時,預(yù)測結(jié)果可代表2019年后出現(xiàn)連續(xù)平水年情況下辛安泉未來的流量;而當(dāng)采用出現(xiàn)頻率為90%的降水量值(425.5mm)時,預(yù)測結(jié)果則代表連年干旱氣候條件下辛安泉流量的變化趨勢。不同降水量保證率下的泉水流量預(yù)測結(jié)果見表4。

        表3 降水量理論頻率計算結(jié)果

        表4 2019-2025年泉水流量預(yù)測結(jié)果

        按照目前的地下水開采強(qiáng)度,未來的降水量直接影響巖溶泉水流量。若未來的降水量不出現(xiàn)極端情況,僅在563.8mm左右波動時,辛安泉實測流量將在4.69m3/s左右波動;當(dāng)出現(xiàn)多年連續(xù)干旱的情況時,即使不再增加地下水開采強(qiáng)度,辛安泉流量也將呈下降趨勢,實測流量將在2.77m3/s左右波動。泉水流量和開采量相關(guān),開采量增加,泉水流量將減?。婚_采量保持平衡,則泉水流量波動較小。如果加大開采量,泉水流量下降趨勢將更為明顯。

        5 結(jié)語

        辛安泉作為長治市城鄉(xiāng)最為重要的飲用水集中供水水源地,其泉水流量大小與水質(zhì)變化,倍受當(dāng)?shù)仃P(guān)注。開展泉水流量模擬研究,預(yù)測發(fā)展動向,及時采取控制開采措施,同時加強(qiáng)泉域水土保持與水生態(tài)環(huán)境修復(fù)改善,對于向城鄉(xiāng)持續(xù)供水及促進(jìn)市域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展,均具有重大的現(xiàn)實意義與戰(zhàn)略意義。作為水文部門進(jìn)行的這項理論研究,是一次有益的大膽嘗試,盡管考慮的因素還較少,所建模型還不夠精細(xì),預(yù)測的結(jié)果還有待時間驗證。下一步,我們將從水量、水質(zhì)、水環(huán)境等方面對辛安泉進(jìn)行深入研究,以便為地方政府在供水與水環(huán)境保護(hù)宏觀決策方面,提供更加確切的科學(xué)依據(jù)。

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