楊紅超，胡新麗，黃凱湘，李 群，楊裕云

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430074；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430050）

水是人類生存和發(fā)展的主要物質(zhì)，其中地下水是制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要資源［1—2］，尤其在干旱地區(qū)或在降水和地表水資源隨季節(jié)變化大的地區(qū)，地下水資源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的影響更大。目前，對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用的方式較多［3—7］，諸如：直接引用泉水；打井抽取地下水；通過(guò)渠道或滲溝導(dǎo)引河水，存入下游兩岸含水層中，形成地下水庫(kù)，待枯水期備用；在巖溶山區(qū)采用人工堵塞洞穴，形成地下水庫(kù)，引水灌溉發(fā)電；在平原區(qū)修筑地下截潛工程，抬高地下水位，使之直接流入渠道中，而廣闊渠截潛工程即是這一方案的規(guī)劃。因此，在截潛工程實(shí)施前有必要對(duì)研究區(qū)枯水期地下水資源進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

目前在沖積平原區(qū)采用截潛自流引水工程的成功實(shí)例極少，需要在查明區(qū)域和研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)該方案的可行性開(kāi)展系列問(wèn)題的研究。即首先需要對(duì)研究區(qū)地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)需要對(duì)因截潛工程施工和運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估，如當(dāng)截潛工程實(shí)施并形成地下水庫(kù)后，地下水位必將大范圍上升而導(dǎo)致浸沒(méi)災(zāi)害；因地下水庫(kù)形成以后其徑流滯緩，導(dǎo)致水質(zhì)惡化等。為此，本文以北汝河中下游沖積平原區(qū)廣泛渠截潛自流引水工程為例，在查明和分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)研究區(qū)地下水資源的類型和水文地質(zhì)條件的差異分別選擇適宜的評(píng)價(jià)方法［1，7—8］，對(duì)截潛工程實(shí)施前枯水期地下水資源量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，即對(duì)該計(jì)算區(qū)枯水期地下水資源的儲(chǔ)存量（采用重力水體積法計(jì)算）、地下水的主要補(bǔ)給量（采用過(guò)水?dāng)嗝娣ㄓ?jì)算）、可供截潛自流開(kāi)發(fā)利用的地下水徑流量（采用水均衡法計(jì)算）進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)根據(jù)研究區(qū)地理及地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)枯水期可供自流開(kāi)發(fā)利用的地下水資源不足的原因進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，為該區(qū)截潛自流引水工程可行性分析提供了可靠的依據(jù)。

1 工程概況及地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 工程概況

廣闊渠引水工程渠首位于河南省郟縣城關(guān)西北20km的北汝河左岸［9］，渠首底板高程為144m，設(shè)計(jì)引河流量為10m3/s。該工程于1978年竣工，全長(zhǎng)23km，在農(nóng)田灌溉、補(bǔ)充下游水資源、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了很好的作用。1982年，因特大暴雨洪水使北汝河主流河槽向西改道，導(dǎo)致廣闊渠喪失自流導(dǎo)引河水的功能。2001年實(shí)施工程擴(kuò)建，自渠首向西經(jīng)河床至新河槽間修建了長(zhǎng)522m的暗涵，其底板埋深為1.5～2m，進(jìn)水口底板高程為144.68m，從此恢復(fù)了渠道自流導(dǎo)引河水的功能。

近年來(lái)，由于氣候變化的影響以及勘察區(qū)及其上游城鄉(xiāng)工農(nóng)業(yè)發(fā)展用水量增大，枯水期北汝河流經(jīng)本河段的流量逐年減小，有時(shí)河水幾近干涸，廣闊渠的引水量不能滿足郟縣城鄉(xiāng)工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。為了增加廣闊渠枯水期的流量，郟縣主管部門(mén)提出了廣闊渠截潛自流引水工程方案，擬于暗涵下游河床至左岸漫灘修筑地下壩，攔截河床和漫灘中的地下水，使之自流進(jìn)入暗涵渠道中，規(guī)劃增加流量1.0～1.5m3/s。

1.2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

1.2.1 地形地貌

研究區(qū)屬北汝河中下游沖積平原區(qū)，地形平緩開(kāi)闊，總地勢(shì)由西北向東南傾斜，地面高程為153～146m。按微地形特征可分為河槽、河床和漫灘三個(gè)自然微地貌單元（見(jiàn)圖1）。其中，河槽寬為30～110m，高程為150～146m，是枯水期排泄河水和地下水的主要通道；河床寬約為500m，高出河槽數(shù)十厘米，枯水期常干涸無(wú)水；漫灘主要在河床東北側(cè)，分布寬廣，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕區(qū)，與河床最大高差約3m。

1.2.2 地層巖性

研究區(qū)全新世沖積物分布廣泛，厚6～11m，按巖性可分為以下四類：

（1）卵礫石：粒徑一般5～8cm，大者達(dá)20cm，其中卵礫組含量為70%～90%，砂粒組含量為10%～30%，厚6～11m，出露于河槽、河床，遍布研究區(qū)及鄰區(qū)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)，卵礫石屬?gòu)?qiáng)透水層，滲透系數(shù)為480m/d，重力給水度為0.2。

（2）細(xì)砂土：青灰、灰白色，疏松，顆粒較均勻，分布于本區(qū)東北部，厚3～4m，呈薄層狀透鏡體分布于卵礫石層中，透水性中等，滲透系數(shù)為10m/d。

（3）粉砂土：灰白色，松散，夾少量薄層黏性土，厚0.5～1.7m，分布于河堤南側(cè)漫灘地表，覆蓋在卵礫石層之上，滲透系數(shù)為2.54m/d，入滲系數(shù)為0.2。

（4）粉土：顆粒較均勻，疏松，厚0.5～2.5m，分布于河堤北側(cè)漫灘表部，覆蓋于卵礫石層和細(xì)砂土層之上，滲透系數(shù)為1.16m/d，入滲系數(shù)為0.2。

第四系下伏地層為上第三系洛陽(yáng)組，巖性以黏土巖為主，下部夾砂巖和礫巖，分布廣，厚度較大，區(qū)內(nèi)鉆探揭露厚11.4m，滲透系數(shù)為0.000 47m/d，屬微弱透水性。

1.2.3 氣象及水文地質(zhì)

圖1 截潛工程區(qū)水文地質(zhì)平面圖Fig.1 Hydrogeological planar graph of the intercepting underflow project area

據(jù)郟縣氣象站1951—2004年觀測(cè)資料表明，本區(qū)年降水量變化較大，年均降水量為697.9mm，最大年降水量達(dá)1 133.8mm，最小年降水量?jī)H356.0 mm。同時(shí)，年內(nèi)降水量分配不均，多集中在6～9月份，而旱季較長(zhǎng)，一般從當(dāng)年11月至翌年4月，有時(shí)延至6月（如2006年）。本區(qū)年均蒸發(fā)量為1 861.9mm，最大蒸發(fā)量為2 537mm，最小蒸發(fā)量為1 512.9mm。

研究區(qū)位于北汝河中下游地帶，北汝河是淮河水系的重要支流，發(fā)源于西北部嵩縣山區(qū)，出山口進(jìn)入沖積平原區(qū)后，具游蕩型河流特征。據(jù)汝州水文站1978—1985年觀測(cè)資料表明，年內(nèi)流量差異極大，汛期最大流量為389m3/s，枯水期最小流量為0.02m3/s，有時(shí)幾近斷流，2006年6月13日在研究區(qū)西北邊界發(fā)現(xiàn)河槽干涸無(wú)水。

據(jù)研究區(qū)大量勘探測(cè)試工作，并結(jié)合地表調(diào)查訪問(wèn)和鄰近地區(qū)水文地質(zhì)資料分析，研究區(qū)水文地質(zhì)條件具有以下主要特征。

（1）研究區(qū)巖土類型不多，但滲透性差異極大，滲透系數(shù)以卵礫石層最大，第三系黏土巖最小，其余介于兩者之間。

（2）按地下水的埋藏條件和動(dòng)力特點(diǎn)，研究區(qū)地下水類型為孔隙潛水，主要含水層為分布廣泛的卵礫石層，富水性良好，水位埋藏較淺，枯水期地下水埋深僅2～4m。

（3）地下水的補(bǔ)給來(lái)源較多，諸如邊界西北和東北部地下潛流的補(bǔ)給，降水的補(bǔ)給，汛期洪水的補(bǔ)給以及灌溉回滲水的補(bǔ)給，但枯水季節(jié)補(bǔ)給來(lái)源較少，主要為來(lái)自邊界西北側(cè)地下潛流的補(bǔ)給。

（4）受區(qū)域總地勢(shì)、季節(jié)變化及人類活動(dòng)的影響，地下水的運(yùn)動(dòng)方向多變，其運(yùn)動(dòng)總趨勢(shì)為西北向東南，靠岸邊附近漫灘中的地下水補(bǔ)給河水，而汛期河水向岸邊運(yùn)動(dòng)補(bǔ)給地下水。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，地下水水力坡度較小，大都在0.003左右，地下水流動(dòng)較緩慢。

（5）地下水的排泄方式較多，一般以地下潛流向東南下游區(qū)外排泄為主，其次為眾多民井抽水、通過(guò)暗涵向廣闊渠和河槽排泄以及蒸發(fā)消耗等。

2 研究區(qū)截潛工程實(shí)施前地下水資源量的計(jì)算

在截潛工程實(shí)施前，需在查明勘察區(qū)約4.13 km2范圍內(nèi)的水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，對(duì)該區(qū)枯水期地下水資源的數(shù)量進(jìn)行分析計(jì)算，以便為截潛工程方案可行性提供依據(jù)，同時(shí)為下一步對(duì)研究區(qū)截潛工程效益的數(shù)值模擬提供計(jì)算參數(shù)的初值。

本次地下水資源計(jì)算以勘察區(qū)和鄰近地區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)以及2006年6月13日實(shí)測(cè)編制的地下水潛水等水位線圖為依據(jù)，主要針對(duì)地下水儲(chǔ)存資源、補(bǔ)給資源和可供截潛自流開(kāi)發(fā)利用的徑流資源三部分的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

2.1 地下水儲(chǔ)存量

地下水的儲(chǔ)存量是指地下水位以下含水層中重力水的體積，常以m3表示。它受多種因素的影響，如勘察區(qū)范圍大小、含水層的巖土類型、含水層的性質(zhì)（潛水或承壓水）、含水層的厚度及季節(jié)變化等。

研究區(qū)地下水主要潛水，在枯水季節(jié)主要儲(chǔ)存于卵礫石含水層中，厚5～9m，地下水位埋深較淺，一般為2～4m。為了查明枯水期潛水的儲(chǔ)存量QA，以2006年6月13日的地下水水位等值線圖為依據(jù)，采用以下公式計(jì)算含水層中重力水的體積：

式中：μ為卵礫石層的重力給水度，按0.2計(jì)；V為含水層體積（m3）。

在研究區(qū)4.13km2范圍內(nèi)，因含水層厚度各地不一，因此含水層的體積需分區(qū)計(jì)算，其計(jì)算公式為

式中：hi為各區(qū)含水層厚度（m）；Si為各區(qū)面積（m2）。

在4.13km2范圍內(nèi)，按式（2）計(jì)算得到研究區(qū)含水層總體積為3 149.96×104m3，將其代入式（1），可計(jì)算得到研究區(qū)枯水期地下水儲(chǔ)存量為629.99×104m3。

2.2 地下水補(bǔ)給量

一般說(shuō)，補(bǔ)給潛水的水源較多，其中降雨入滲是主要的補(bǔ)給來(lái)源。據(jù)郟縣氣象站資料，2006年6月22日以前降雨很少，大部分時(shí)間干旱無(wú)雨，6月13日實(shí)測(cè)全區(qū)地下水位時(shí)發(fā)現(xiàn)勘察區(qū)西北邊界附近河槽干涸無(wú)水，因此在這種條件下降雨入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給可以不予考慮。此外，勘察區(qū)東北和西北邊界大致與地下水流向平行，其兩側(cè)地下徑流的補(bǔ)給甚微，其補(bǔ)給量也可忽略不計(jì)。

由于研究區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)的總趨勢(shì)由西北流向東南，枯水期本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給量來(lái)自西北側(cè)邊界的地下徑流，因此計(jì)算地下水補(bǔ)給量時(shí)的計(jì)算斷面選在西北邊界附近?？紤]到該邊界附近含水層厚度和水力坡度的差異，將過(guò)水?dāng)嗝娣譃?段（見(jiàn)圖2），其補(bǔ)給量QB按下式采用過(guò)水?dāng)嗝娣ǚ侄斡?jì)算：

式中：QB為西北邊界地下徑流對(duì)本區(qū)潛水的總補(bǔ)給量（m3/d）；Ji、Fi分別為某計(jì)算段的平均水力坡度和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；Ki為某計(jì)算段卵礫石層的滲透系數(shù)，各段均按480m/d計(jì)。

圖2 研究區(qū)上游邊界地下水補(bǔ)給量計(jì)算示意圖Fig.2 Computation graph of groundwater recharge in the upstream area

按照式（3）計(jì)算研究區(qū)枯水期各段地下水的補(bǔ)給量，其結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各段地下水補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of the groundwater increment

由表1可見(jiàn)，枯水期補(bǔ)給本區(qū)地下水的來(lái)源很少，主要來(lái)源于西北側(cè)邊界地下徑流的補(bǔ)給，其補(bǔ)給量為42 663.1m3/d（0.494m3/s）。

2.3 可供截潛自流開(kāi)發(fā)利用的地下水徑流量

可供截潛自流開(kāi)發(fā)利用的地下水徑流量Qk包括兩部分：一是地下水通過(guò)暗涵進(jìn)入渠道的流量；一是通過(guò)暗涵和渠道底板以下及暗涵進(jìn)水口西南側(cè)含水層排向下游區(qū)外的潛水流量。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)特征及大量勘察測(cè)試資料，其枯水期流量可采用水均衡法計(jì)算，當(dāng)均衡區(qū)為4.13km2、均衡期以日計(jì)時(shí)，區(qū)內(nèi)潛水體積不變，則以各種方式對(duì)本區(qū)的補(bǔ)給量與支出量相等，可用下式表示：

式中：QB為西北邊界補(bǔ)給本區(qū)的潛水流量，為42 663.1m3/d；Qb為農(nóng)田潛溉民井抽排的流量，據(jù)郟縣水利局現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查訪問(wèn)，為8 433m3/d；Qn為地下水通過(guò)暗涵排入渠道的流量，實(shí)測(cè)為13 824 m3/d；Qs為通過(guò)暗涵和渠道底板以及暗涵進(jìn)水口西南側(cè)含水層排向下游區(qū)外的潛水流量（m3/d）；Qh為灌溉回歸水入滲量，取其灌溉入滲系數(shù)為0.2，則入滲量為1 686.6m3/d；Qg、Qz分別為降雨量和蒸發(fā)量，據(jù)本均衡區(qū)和均衡期的特點(diǎn)，令Qg＝Qz，則（4）式可寫(xiě)成：

將上述各收支項(xiàng)的參數(shù)代入式（5），則有

可供截潛自流開(kāi)發(fā)利用的地下水徑流量Qk由下式計(jì)算：

3 截潛自流引水方案的可行性分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)截潛自流引水工程實(shí)施前枯水期地下水資源量的計(jì)算，可對(duì)該區(qū)廣闊渠截潛自流引水方案的可行性進(jìn)行如下分析論證：

（1）在研究區(qū)4.13km2范圍內(nèi)，枯水期地下水的儲(chǔ)存量為629.99×104m3，相當(dāng)于一座小型水庫(kù)的容積，說(shuō)明本區(qū)地下水儲(chǔ)存資源較豐富。

（2）枯水季節(jié)補(bǔ)給研究區(qū)地下水的來(lái)源很少，主要來(lái)自本區(qū)西北側(cè)地下徑流，經(jīng)計(jì)算其總補(bǔ)給量為42 663.1m3/d（0.494m3/s）；而規(guī)劃實(shí)施的地下截滲墻抬高地下水位后，要求自流進(jìn)入暗涵渠道的流量為1.0～1.5m3/s，可見(jiàn)所計(jì)算的補(bǔ)給量不能滿足規(guī)劃用水的要求。分析原因認(rèn)為：研究區(qū)地形平緩開(kāi)闊，地下水的天然水力坡度較小，多為0.003左右，加之西北側(cè)主要補(bǔ)給區(qū)農(nóng)田廣布，枯水期正值農(nóng)田灌溉期需抽取大量地下水，因而影響了對(duì)研究區(qū)的補(bǔ)給量。

（3）枯水期研究區(qū)地下水的補(bǔ)給來(lái)源和補(bǔ)給量有限，加上區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉用水的消耗，可供自流開(kāi)發(fā)利用的地下水流量更小，僅為0.416m3/s，遠(yuǎn)不能滿足規(guī)劃用水的要求。

（4）渠首和暗涵的底板高程已先后確定，暗涵埋深較淺，凡水位在144.68m以下的地下水不能自流進(jìn)入暗涵渠道中，這是截潛工程實(shí)施前在枯水期地下水水位下降與河水流量銳減共同影響下渠道流量減少的原因。

（5）當(dāng)截滲墻實(shí)施后，預(yù)計(jì)此種條件下對(duì)研究區(qū)地下水的補(bǔ)給量將小于0.494m3/s；同時(shí)，因區(qū)內(nèi)外含水層存在良好的水力聯(lián)系，在截滲墻兩端必將產(chǎn)生繞墻流向下游，自流進(jìn)入暗涵渠道的流量將會(huì)小于0.416m3/s；此外，截潛工程實(shí)施后，因地下水位上升將會(huì)導(dǎo)致大范圍沼澤化、鹽漬化和水質(zhì)污染等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因此，為了滿足枯水期規(guī)劃用水的要求，在研究區(qū)采用截潛自流引水方案是不適宜的，需擴(kuò)大研究思路，探討其他經(jīng)濟(jì)合理、水源可靠、環(huán)境影響小的供水方案。經(jīng)方案利弊比較［9］，考慮到研究區(qū)北汝河汛期流量較大，建議沿廣闊渠附近開(kāi)挖若干大型蓄水池，通過(guò)渠道直接導(dǎo)引北汝河汛期河水存入池內(nèi)，待枯水期備用。目前該方案已被郟縣主管部門(mén)采納。

4 結(jié)論與建議

（1）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探、試驗(yàn)及調(diào)查訪問(wèn)，查明了研究區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境條件，為本區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)提供了可靠依據(jù)。

（2）采用水均衡法和解析法分別對(duì)本區(qū)枯水期地下水補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和可供自流開(kāi)發(fā)的徑流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明采用截潛自流引水的方案不能滿足枯水期規(guī)劃用水的要求。

（3）為了滿足本區(qū)枯水期用水要求，需探討其他經(jīng)濟(jì)合理的方案?？紤]到本區(qū)北汝河汛期流量較大，建議沿廣闊渠附近開(kāi)挖若干大型蓄水池，將汛期河水由渠道引入池內(nèi)，待枯水期備用。該方案已被郟縣主管部門(mén)采納。

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