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.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008)

0 引言

水資源是保障農(nóng)作物生長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，就需要通過修建灌區(qū)工程，把有限的水資源配置到農(nóng)作物生長所需要的區(qū)域。灌區(qū)興建之前，需要對灌區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)的地下水資源進行分析評價，根據(jù)評價結果制定其開發(fā)利用和保護管理規(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，但是由于長期以來一直依賴于開采利用地下水，造成當?shù)氐叵滤蓢乐?，所以對灌區(qū)進行地下水資源分析評價，為灌區(qū)制定其開發(fā)利用和保護管理規(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部分區(qū)域；西起趙口總干渠、運糧河及渦河；東至惠濟河干流、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)粉細砂、輕壤土、砂壤土、中細砂、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、中細砂、細砂及粉砂層等。

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)時代，含水層的埋藏深度、補給條件、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，機井深度和提水設施及開采情況，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給，補給量較豐富，且周轉(zhuǎn)速度快，因此在灌區(qū)地下水資源計算與評價中，以淺層地下水為研究對象進行分析評價。地下水資源的評價方法主要有水量均衡法、數(shù)值法、開采實驗法等，其中水量均衡法是最基本的一種評價方法，文中采用均衡法對灌區(qū)工程范圍內(nèi)的淺層地下水系統(tǒng)進行分析。

灌區(qū)淺層地下水多為潛水，局部具有微承壓特征。灌區(qū)底板是一個相對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定水頭補給邊界，西側以趙口總干渠、運糧河及渦河為界，勘測期大部分地段未見水流，處理為二類邊界；東側大部分遠離惠濟河，以觀測的地下水位作為一類邊界。由于淺層水補給條件的決定，補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給量和灌溉需水量相差較大，干旱年開采量往往超過補給量，豐水年開采量小于補給量，因此，趙口引黃灌區(qū)二期工程規(guī)劃范圍內(nèi)的淺層水資源計算采用多年平均及2014年來進行均衡計算評價。

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段的補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，作為一個大的水文地質(zhì)單元進行均衡計算。

(1)

其中Q補=Pr+Sr+Cr+Wr+Lr+Qj，Q排=E+W+Rg+Qp

式(1)中：Q補—總補給量;Pr—降雨入滲補給量;Sr—河道入滲補給量;Cr—引黃灌溉渠道滲漏、灌溉水回歸補給量;Wr—井灌回歸補給量；Lr—提灌回歸補給量；Qj—地下水側向徑流補給量；F—均衡區(qū)面積；Δh—Δt時段內(nèi)地下水位變化值；Δt—計算時段(均衡期)；μ—水位變動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—地下水側向徑流排泄量。

3.2 淺層地下水資源計算

灌區(qū)計算范圍內(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136.00 km2。設計灌溉面積14.91 hm2。

3.2.1 補給量(Q補)的計算

降雨入滲補給量(Pr)

計算公式：Pr=F·α·Χ

(2)

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

河道入滲補給量(Sr)

渦河和惠濟河是灌區(qū)的主要河流，由于這些河流長期接受引黃退水和城市排放的污泥濁水，挾帶來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，因地下水補給量較小，不予考慮。

黃河側滲補給量：黃河與灌區(qū)接壤長度34 km，根據(jù)河南省地理研究所計算資料及地質(zhì)局水文隊封丘均衡試驗場資料，黃河側滲補給量單位長度為68.97萬m3/(a·km)，乘以接壤長度即得黃河側滲補給量。

引黃渠灌回歸水補給量(Cr)

渠灌補給量包括渠道滲漏補給量和田面回歸補給量兩部分，我們把二者合并起來，按渠首引水量的50%計算。

井灌、提灌補給量(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給量，只計算田面補給量，Wr(Lr)=灌溉畝數(shù)×灌溉定額×年灌溉次數(shù)×補給系數(shù)β。補給系數(shù)采用井灌、提灌補給量10%。

地下水側向徑流補給量(Qj)

灌區(qū)西部、西北部邊界接受側向徑流補給，其補給量用達西公式計算：

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—計算斷面寬度，m；i—地下水水力坡度。

上述各項補給量及地下水總補給量列于表1。

3.2.2 排泄量(Q排)的計算

潛水蒸發(fā)量(E)

計算公式：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，該河道對地下水半年補給，半年排泄。補給量較小，排泄量由于邸閣站實測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。

地下水側向徑流排泄量(QP)用達西公式計算。

各項排泄量列于表1。

4 淺層地下水資源量評價

根據(jù)計算成果，全區(qū)總補給量為4.75億m3，總排泄量為5.37億m3，均衡差-0.62億m3。計算成果與現(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)展引黃補源，建設趙口引黃灌區(qū)二期工程勢在必行。計算成果也為灌區(qū)合理開發(fā)利用水資源，確定引黃水量提供了科學依據(jù)。

表1 趙口引黃灌區(qū)淺層地下水補排平衡計算表