董亞軍，吳 揚，馮菊霞

(1.西安水務(集團)李家河水庫管理有限公司，陜西 西安 710199；2.陜西省三和建設(shè)工程有限公司，陜西 西安 710032；3.宜川縣水利工作隊，陜西 延安 716200)

1 黑河灌區(qū)概況

黑河引水工程是一項跨流域引水、綜合利用的大型水利工程，工程是以西安市城市供水為主，兼有農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、防洪等綜合效益。灌區(qū)主要水利工程包含黑河金盆水庫樞紐工程、黑惠渠灌區(qū)、西駱峪水庫灌區(qū)、甘峪水庫灌區(qū)和峪口引水工程。灌區(qū)位于陜西省關(guān)中中部，北緯34°03′～34°12′，東經(jīng)108°04′～108°35′。西起周至縣啞柏鎮(zhèn)以東，東至戶縣境內(nèi)澇河以西，北以西寶公路南線、黑河三角洲北岸、戶縣東西向5#路為界，南至秦嶺山脈沿山一帶510～470.0 m高程以北，南北寬5～12 km，東西長約45 km?？偼恋孛娣e358.6 km2。灌區(qū)地勢南高北低，西高東低，海拔高程約為410～525 m。南北方向地形坡降1/30～1/250，東西方向坡降1/1 000～1/3 000，灌區(qū)渠首樞紐距西安市區(qū)65 km[1]。

2 灌區(qū)水文地質(zhì)條件分析

灌區(qū)地下水按埋藏條件可分為潛水和淺層承壓水兩種類型。結(jié)合地質(zhì)勘察成果評價，主要對與農(nóng)田灌溉密切相關(guān)的淺層地下潛水進行評價。

2.1 含水巖組及其富水性

考慮到地貌、巖性、地下水動力特征和水文地質(zhì)條件的差異，以及對潛水賦存規(guī)律的影響。區(qū)內(nèi)潛水分為兩個不同成因的含水巖組，劃分如下。

分布于黑河漫灘及一、二級沖洪積扇及黑河漫灘。黑河漫灘的含水層為砂礫卵石夾漂礫，厚度45～50 m，與下部承壓水之間無穩(wěn)定的隔水層；沖洪積扇后緣為單一的厚層含泥砂卵石夾漂礫，厚度大于50 m；中部為1～3層含泥砂礫，單層厚5～20 m，上部為2～4層含礫中細砂和粉細砂，單層厚2～15 m。

該含水巖組的富水性除有向黑河方向明顯增強的趨勢外，在就峪河、沙河及大的峪口附近地段厚度增大，顆粒變粗。富水性較強，兩河溝之間富水性則較差。依據(jù)富水性，可劃分為三級富水區(qū)。強富水區(qū)(涌水量大于2 000 m3/d)，分布于黑河漫灘及近漫灘的一級沖洪積扇地段，含水層厚42～50 m，水位埋深2～10 m，邊緣地帶可達15～30 m，其中樵家樓至上義村一帶，砂礫卵石層質(zhì)地純凈，顆粒粗透水性強，單位涌水量7 387～14 073 m3/d，為極強富水區(qū)；富水區(qū)(涌水量在1 000～2 000 m3/d)，主要分布于一級沖洪積扇，水位埋深在3～26 m之間，南深北淺。中等富水區(qū)(涌水量為100～1 000 m3/d)，分布于二級沖、洪積扇及東部一級沖洪積扇前緣地段，水位埋深在東部一級沖洪積扇4～30 m，南深北淺；西部二級沖洪積扇10～40 m，二級沖洪積扇前緣富水性較差，局部涌水量小于100 m3/d[2]。

2.1.2 上更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖積砂礫卵石含水巖組

分布于渭河漫灘及一級階地。含水層巖性主要為中粗砂和砂礫卵石，厚度40～50 m。東部受河流影響，砂卵石層增厚，顆粒變粗，富水性增強，可劃分為兩級富水區(qū)。)富水區(qū)(涌水量1 000～2 000 m3/d)：分布于渭河漫灘中部，其南緣與黑河沖洪積層相連，二者為漸變關(guān)系。由于受黑河的影響，含水層顆粒粗而純凈，富水性較西部強，水位埋深1～3m。中等富水區(qū)(涌水量100～1 000 m3/d)：分布于渭河一級階地及漫灘，含水層向渭河河床方向顆粒變粗和厚度增大的趨勢。水位埋深一級階地1～8 m，漫灘1～3 m。

2.2 地下水補給

根據(jù)野外調(diào)查、動態(tài)觀測資料綜合分析，區(qū)內(nèi)潛水的補給來源主要為河流滲漏和地下徑流補給，其次是大氣降水入滲和灌溉水回歸入滲。

2.2.1 河流滲漏補給

黑河、澇河水量豐沛，基本上屬于常流河，河床由純凈沖積卵石組成，利于滲漏。根據(jù)測流統(tǒng)計，黑河峪口至沙谷堆為主要滲漏段，全年平均入滲量21.5萬 m3/d。為區(qū)內(nèi)潛水主要補給源之一。沙河、就峪河，田峪河、赤峪河、耿峪河、甘峪河等季節(jié)性河流。上游地勢高，地下水水位低于河水位，且河水含泥量小，河床多為沙礫石層，極有利于滲漏。出峪口以下不遠就全部滲入地下，致使區(qū)內(nèi)河流基本上為干河，僅在洪水期出現(xiàn)明流。

渭河流向與南岸支流流向基本垂直，洪水期河水位抬高，即對岸邊地帶產(chǎn)生滲漏補給。依據(jù)動態(tài)資料，多年平均僅有三個月的補給期，補給帶寬1～3 km。

2.2.2 地下水徑流補給

評價區(qū)南緣地帶地形坡度大，潛水水位高程為460～470 m，水力坡度1‰～2‰,南部山區(qū)基巖裂隙水和洪積扇中的地下水通過水平徑流補給灌區(qū)。

灌區(qū)南部邊界的地下水徑流補給量大約為8.65萬 m3/d，其中黑峪口地段約為4.2萬 m3/d。

2.2.3 大氣降水補給

潛水位的升降除與河流入滲和徑流影響關(guān)系密切外，還與大氣降水存在密切關(guān)系，雨季水位明顯抬高，枯水季節(jié)水位下降。

2.2.4 渠道與灌溉水補給

灌區(qū)西部(田峪河以西)為黑惠渠灌區(qū)，灌區(qū)內(nèi)渠系和田間水對地下水的補給作用很強。此外，在西部渠灌區(qū)也有部分利用開采地下水來進行灌溉，而在東部(田峪河以東)主要依靠地下水灌溉，灌溉水和地下水的水力聯(lián)系十分密切，是當?shù)氐叵滤闹饕a給源之一。

2.3 地下水的徑流與排泄

區(qū)內(nèi)潛水流向與地形坡向基本一致，既由南向北或北北東流向，黑河及其較大支流兩側(cè)，由于潛水與河水在不同部位相互轉(zhuǎn)化，局部亦有潛水向河兩側(cè)方向運移的情況。潛水的排泄主要有4種途徑，分別是向河流排泄、地下水徑流排泄、垂向滲漏和人工開采排泄。

2.4 潛水動態(tài)特征

區(qū)內(nèi)潛水的動態(tài)主要表現(xiàn)為入滲～徑流型，在局部地下水淺埋地區(qū)，還有入滲～蒸發(fā)型動態(tài)。前者分布于沖洪積扇區(qū)和一、二級階地區(qū)；后者見于靠近河流附近的潛水淺埋區(qū)。

年內(nèi)動態(tài)主要表現(xiàn)為降水入滲～徑流型，分布于界商～下高～新莊一線以北的黑河與渭河漫灘，該區(qū)主要受自然因素的影響，含水層透水能力好，徑流余件短，潛水位一般高于河水位，枯水期潛水由河床排泄，水位隨降水波動變化幅度小。

河水入滲～徑流水位波動區(qū)，分布于沖洪積扇前緣和黑河漫灘的中部區(qū)，由于地形平坦。河水位自北而南變化在1～8 m之間。波動區(qū)分布于山前洪積扇地帶，該區(qū)南臨秦嶺，地形坡度大，水力坡度大，匯水面積大。受雨期洪流入滲的強烈補給，水位升幅較大。

人工開采～降水入滲～水位波動區(qū)，分布于周至縣城及西部城郊地段，潛水動態(tài)受自然因素和人工開采因素的雙重控制。

2.5 潛水水化學特征

黑河金盆水庫灌區(qū)潛水水化學類型比較單一，按舒卡列夫分類法劃分為HCO3～Ca型水和HCO3～Ca·Ma型水。由于位于山前沖洪積扇和河流的沖洪積松散地帶，地下水徑流排泄暢通，故水化學特征在水平上無明顯分帶。HCO3～Ca·Ma型水主要分布在地下水徑流不暢、水交替緩慢的地帶，這些地區(qū)，地下水礦化度較高。區(qū)內(nèi)地下水礦化度均小于0.5 g/L，為典型的低礦化淡水。

綜合分析認為，靠近河流地帶的地下水礦化度較低，但在人口稠密的周至縣及大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地段，礦化度相對稍高。按照農(nóng)田灌溉用水標準，本區(qū)潛水源的水質(zhì)適宜于灌溉用水，而且可以作為農(nóng)村人畜生活用水的良好水源[3]。

3 灌區(qū)地下水資源量及可開采量計算方法

3.1 水文地質(zhì)分區(qū)

根據(jù)區(qū)內(nèi)第四紀地質(zhì)、地貌及水文地質(zhì)條件，特別是考慮到區(qū)內(nèi)灌溉和地下水開發(fā)情況，將全區(qū)劃分為兩個一級區(qū)(同地質(zhì)地貌圖)，南部為沖洪積扇和河流二級階地，北部為一級階地和河漫灘。依據(jù)含水層成因及分布，南部和北部又可進一步劃分為四種類型，見表1。

表1 黑河灌區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)狀況表

3.2 計算原則和方法

由于受地貌控制及河流的切割，黑河灌區(qū)受河流切割，潛水水文地質(zhì)邊界明顯，地下水補排關(guān)系清楚，分別可作為獨立的單元。同時考慮到分屬黑河引水灌區(qū)或純井灌區(qū)，除了降水、蒸發(fā)等氣象資料外，區(qū)內(nèi)還有較長系列的灌溉用水資料和相應的地下水動態(tài)觀測資料，因此計算選用水均衡法，均衡區(qū)的劃分和水文地質(zhì)分區(qū)一致，均衡期為日歷年。并以1972-2002年的降水資料分析在不同保證率時各代表年的地下水補給和排泄量，見表2。計算采用的潛水均衡方程式見公式(1)：

表2 黑河灌區(qū)代表年選取表

(1)

式中：ΔH為均衡區(qū)水位變幅(m)；F為均衡區(qū)面積(km2)；μ為給水度(無量綱)；Δt為均衡時段(a)；∑W補為均衡區(qū)總補給量(m3/a)，包括了降雨、灌溉、側(cè)向徑流、河流以及井灌回歸補給的總量；∑W排為均衡區(qū)總排泄量(m3/a)，主要有蒸發(fā)、人工開采、徑流排泄和向河流排泄等。

3.3 計算參數(shù)的選取

計算區(qū)內(nèi)的潛水資源量，涉及到的計算參數(shù)～水文和水文地質(zhì)參數(shù)包括給水度μ值，降水入滲系數(shù)α，渠系滲漏補給系數(shù)m，灌溉入滲補給系數(shù)β，潛水蒸發(fā)系數(shù)ε，滲透系數(shù)K值等。這些參數(shù)的選取主要參考陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊1988年6月完成的《黑河下游區(qū)地下水環(huán)境影響評價報告書》。并結(jié)合進一步的調(diào)查和分析確定。有關(guān)參數(shù)選取結(jié)果列表3。

表3 黑河灌區(qū)地下水計算參數(shù)選取表

3.4 均衡分析計算

3.4.1 補給項

1)降雨入滲補給量W雨補

根據(jù)年降雨量、降雨入滲補給系數(shù)及灌溉區(qū)分區(qū)面積計算降雨入滲補給量，計算見公式(2)

W雨補=0.1·α·P·F

(2)

式中：W雨補為降雨入滲補給量(萬m3/a)；α為降雨入滲補給系數(shù)；P為年降雨量(mm/a)；計算不同保證率下的降雨入滲補給量；F為計算分區(qū)面積(km2)；0.1為單位換算系數(shù)。

2)渠系滲漏補給量W渠補

渠系滲漏補給量主要指西高干渠、黑惠渠、黑河三角洲渠道的滲漏補給量。計算見公式(3)：

W渠補=W毛·m

(3)

式中：W渠補為渠系滲漏補給量(萬m3/a)；W毛為渠首引水量(萬m3/a)，根據(jù)降雨入滲補給量中地下水部分的數(shù)值進行計算。水源中，地下水占39.29%，地表水占60.71%；m為渠道滲漏補給系數(shù)，此次計算中均取0.2。

3)田間灌溉入滲補給量W田補

田間灌溉入滲補給量指斗渠以下渠道和田間滲漏補給量,計算見公式(4)：

W田補=W斗·β

(4)

式中：W田補為田間灌溉滲漏補給量(萬m3/a)；W斗為斗口引水量(萬m3/a)，根據(jù)灌區(qū)地表水量進行計算；β為田間灌溉入滲補給系數(shù)，其取值同降雨入滲補給系數(shù)。

4)井灌回歸補給量W井補

井灌回歸量是指井灌回歸入滲補給地下水的量，計算見公式(5)：

W井補=W農(nóng)井·β′

(5)

式中：W井補為井灌回歸量(萬m3/a)；W農(nóng)井為農(nóng)田井灌開采量(萬m3/a)；根據(jù)地下水量進行計算；β′為井灌回歸系數(shù)，其取值同降雨入滲補給系數(shù)α。

5)地下水側(cè)向徑流補給量W側(cè)補

計算斷面分為南留村-黑河口～田峪河，田峪河～胡家莊～澇峪河口。利用達西公式進行計算，見公式(6)。

W側(cè)補=T·K·H·B·I×10-4

(6)

式中：W側(cè)補為地下水側(cè)向徑流補給量(萬m3/a)；K為含水層的滲透系數(shù)(m/d)；H為計算含水層厚度(m)；B為過水斷面寬度(m)；T為計算時段(365 d)；I為水力坡度；10-4為單位換算系數(shù)。

3.4.2 排泄項

1)潛水蒸發(fā)量

區(qū)內(nèi)潛水蒸發(fā)主要在周至縣的黑河三角洲、南集賢、終南井灌區(qū)和戶縣井灌區(qū)，計算時主要考慮了地下水埋深，將蒸發(fā)區(qū)分為3 m以內(nèi)、3～5 m和大于5 m三個范圍。以此深度為依據(jù)，按照公式計算。

2)地下水側(cè)向徑流排泄量Q徑排

計算斷面分為水寨～甘水坊，甘水坊～蠶場，蠶場～許家灘。地下水側(cè)向徑流排泄量，按達西公式進行計算。見公式(7)：

Q徑排=T·K·H·B·I×10-4

(7)

式中：Q徑排為地下水側(cè)向徑流排泄量(萬m3/a)，其他系數(shù)同側(cè)向徑流排泄量。

3)人畜生活開采量W用

農(nóng)村人畜生活用水量分別按照用水的人、畜數(shù)量及相應的用水定額確定。依據(jù)計算公式(8)如下：

W用=10-5·(ω1·n1+ω2·n2+ω3·n3)·T

(8)

式中：W用為農(nóng)村人畜用水地下水開采量(萬m3/a)；ω1，ω2，ω3為分別為農(nóng)村人、大家畜(牛、馬)及小家畜(豬、羊)的用水定額，根據(jù)戶縣擬定的農(nóng)村用水定額計算，由于區(qū)內(nèi)人口基本全為農(nóng)業(yè)人口，用水定額為65(L/d·人)，大牲畜用水為30(L/d·頭)，小牲畜為22(L/d·只)；n1，n2，n3為分別為用水的人數(shù)和牲畜數(shù)(萬人或萬頭)；T為計算時段(365d)。

4)農(nóng)灌開采量

農(nóng)田灌溉開采是區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄途徑之一，由于該量在實際中很少有較詳實統(tǒng)計資料，故采用在不同保證率情況下的井灌定額，根據(jù)灌溉面積推算，全區(qū)在25%、50%、75%保證率時，地下水灌溉定額見表4。

5)工業(yè)、城鄉(xiāng)居民及牲畜用水開采量

工業(yè)用水開采的地下水主要指鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)開采的地下水量，區(qū)內(nèi)工業(yè)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)主要在戶縣境內(nèi)，按照《陜西省水資源開發(fā)利用規(guī)劃》中的萬元產(chǎn)值耗水量為70 m3/萬元，故依據(jù)這一定額來計算。

表4 黑河灌區(qū)地下水灌溉定額取值表 m3/畝

3.5 地下水資源量計算結(jié)果均衡分析

依據(jù)上述補給項和排泄項的計算可知，全區(qū)潛水總補給量在25%、50%和75%保證率時分別為11 707.86萬 m3、10 816.75萬 m3和10 034.06萬 m3，而相應的地下水總排泄量為13 622.24萬 m3、13 932.94萬 m3和13 399.26萬 m3。排泄量分別超出總補給量1 914.37萬 m3、3 116.19萬 m3和3 365.19萬 m3，從而表現(xiàn)出潛水位總體具有下降趨勢，在現(xiàn)狀年情況下，潛水總補給量為9 753.11萬 m3，而相應的總排泄量為13 195.02萬 m3，排泄量超出總補給量3 441.91萬 m3，同樣表現(xiàn)為負均衡。同樣，各分區(qū)的排泄量也較補給量大，計算結(jié)果和野外調(diào)查的實際一致。

表5 西安市黑河引水灌區(qū)地下水資源可開采量表 萬m3

3.6 地下水可開采量計算

地下水可開采資源量是指在經(jīng)濟合理、技術(shù)可行條件下，可以開采的水量。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)研究程度較高，尤其對淺層地下水開發(fā)利用有較長的歷史和開發(fā)水平，并具有相應的開采統(tǒng)計及調(diào)查資料及水位動態(tài)觀測資料，故選用開采系數(shù)法計算可開采資源量，計算見公式(9)。參照水利部(地下水資源調(diào)查和評價工作細則)，動態(tài)多年變化較大，開采系數(shù)可確定為0.65。地下水可開采量見表5，可開采模數(shù)見表6。

W可采=ρ·W總補

(9)

式中：W可采為地下水可開采資源量(萬m3)；ρ為開采系數(shù)，視水文地質(zhì)條件和開采狀況而定；W總補為區(qū)內(nèi)地下水總補給量(萬m3)。

表6 黑河灌區(qū)地下水可開采模數(shù)計算結(jié)果表 萬m3/a·km2

4 結(jié)語

結(jié)合地質(zhì)勘察成果評價，通過對黑河流域水文地質(zhì)條件進行評價，可知灌區(qū)地下水按埋藏條件可分為潛水和淺層承壓水兩種類型。本文則重點研究了淺層地下潛水的動態(tài)特征及分布規(guī)律。并借鑒1972-2002年歷史降水資料、《黑河下游區(qū)地下水環(huán)境影響評價報告書》等基礎(chǔ)成果，對地下水資源量和可采量的計算方法進行了論述。本次成果可為類似的區(qū)域水文地質(zhì)評價和地下水研究提供參考依據(jù)。