劉 革,劉 波,季葉飛,束龍倉

(1.中山市水庫水電工程管理中心,廣東 中山 528403; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長春 130021)

阜陽市農(nóng)灌區(qū)淺層地下水安全開采量評(píng)價(jià)

劉 革1,2,劉 波2,季葉飛3,束龍倉2

(1.中山市水庫水電工程管理中心,廣東 中山 528403; 2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098;3.水利部松遼水利委員會(huì),吉林 長春 130021)

針對阜陽市農(nóng)灌區(qū)水文地質(zhì)條件和淺層地下水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),建立區(qū)域淺層地下水多年調(diào)節(jié)計(jì)算模型,通過調(diào)節(jié)地下水開采量使調(diào)節(jié)計(jì)算末期地下水位埋深能夠恢復(fù)到起調(diào)埋深,達(dá)到多年水均衡,得到阜陽市淺層地下水安全開采系數(shù)與安全開采量。1956—2010年長系列的計(jì)算結(jié)果表明,阜陽市多年平均淺層地下水總補(bǔ)給量為17.856億m3,安全開采系數(shù)為0.469,安全開采量為8.374億m3;結(jié)合以農(nóng)灌區(qū)為主的阜陽市用水過程特點(diǎn),采用等比例法對淺層地下水安全開采量進(jìn)行年內(nèi)分配,確定了阜陽市淺層地下水的年內(nèi)逐月安全開采過程。

淺層地下水;農(nóng)灌區(qū);安全開采系數(shù);安全開采量;地下水位埋深;阜陽市

阜陽市位于安徽省西北部,地處淮河流域,地下水是該區(qū)的重要供水水源,也是維系區(qū)域生態(tài)平衡和地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定的重要因素[1]。近20年來,由于人口增長,平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活需水量不斷增大,淺層地下水開發(fā)利用程度日益提高。淺層地下水資源量受水文氣象條件波動(dòng)影響較為顯著,加上局部地區(qū)水質(zhì)污染,使城鄉(xiāng)供水安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到影響,有必要研究農(nóng)灌區(qū)淺層地下水安全開采問題,為地下水資源可持續(xù)利用提供技術(shù)支撐。

國內(nèi)外有關(guān)地下水安全開采量的研究很多,自1915年以來,Lee[2]和Theis[3]相繼從水均衡角度提出并定義了安全開采量的概念,Todd[4]于1959年定義安全開采量為不產(chǎn)生不良后果時(shí)可以從含水層獲取的水量,Demenico[5]于1972年指出了不良后果的具體含義。近年來,王振龍等[6]國內(nèi)多位學(xué)者也對地下水安全開采量概念進(jìn)行了探討。評(píng)價(jià)地下水安全開采量的方法很多,主要有水均衡法、開采系數(shù)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模型方法等[6-7],在實(shí)際應(yīng)用中,王家兵等[8]對天津市易發(fā)生地面沉降的地區(qū)進(jìn)行了研究,認(rèn)為將地面沉降量控制在10 mm/a以內(nèi)的允許開采量即為深層地下水安全開采量;殷丹等[9]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算了淮北地區(qū)巖溶地下水的可持續(xù)開采量;Larsona等[10]以地面沉降作為約束條件,采用優(yōu)化算法計(jì)算了Los Banos-Kettleman城區(qū)的地下水安全開采量。本文擬沿用文獻(xiàn)[6]地下水安全開采量的定義,針對阜陽市淺層地下水位動(dòng)態(tài)特征,建立地下水多年調(diào)節(jié)計(jì)算模型,經(jīng)1956—2010年的長系列調(diào)節(jié)計(jì)算,得到安全開采系數(shù)與安全開采量,最后結(jié)合阜陽市用水特點(diǎn),采用等比例法確定年內(nèi)地下水安全開采過程。

1 阜陽市概況

1.1 自然地理概況

阜陽市位于安徽省西北部,淮河北岸,總面積9 775 km2,2010年總?cè)丝? 014萬,位于東經(jīng)114°53′～116°39′、北緯32°25′～33°31′之間,屬于暖溫帶半濕潤氣候區(qū),有明顯的過渡性特征,年平均氣溫14.6℃,多年平均(1956—2010年)降水量891.3 mm,降水年內(nèi)分配極不均勻,主要集中在6—8月。全區(qū)屬平原地區(qū),地勢平坦,總體自西北向東南傾斜,平均地面坡降為1/8 000。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)概況

阜陽市位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)南部,二級(jí)大地構(gòu)造單元華北凹陷東緣,新生代以來,區(qū)內(nèi)廣泛沉積了巨厚的具多層結(jié)構(gòu)的河湖相沉積物,其中第四紀(jì)地層發(fā)育齊全,分布全區(qū),厚度為130～147 m,東北地區(qū)稍厚。

阜陽市地下水類型為單一的松散巖類孔隙水,根據(jù)地下水的埋藏條件、水力特征及其與大氣降水、地表水的關(guān)系自上而下劃分為潛水和承壓水，并將賦存于50 m以上的全新紀(jì)、晚更新紀(jì)地層中,與大氣降水、地表水關(guān)系密切的潛水或微承壓水稱為淺層地下水；將賦存于50 m以下的地層中,與大氣降水、地表水關(guān)系不密切的承壓水稱為深層地下水。淺層含水層組為本文研究的目標(biāo)含水層,廣泛分布于全區(qū),其滲透性和富水性好,滲透系數(shù)為1.05～5.23 m/d,水位埋深1.24～5.84 m,普遍較淺,埋深變化與地形總趨勢基本一致,自西北至東南逐漸變淺,如圖1所示;大部分地區(qū)單井涌水量大于500 m3/d,最大達(dá)2 556.97 m3/d。

圖1 阜陽市2010年淺層地下水平均埋深分布

淺層地下水主要接受大氣降水、河渠滲漏、灌溉水回滲及側(cè)向徑流補(bǔ)給;排泄主要是開采和蒸發(fā),其次為向地表水體泄流、側(cè)向流出;水平徑流受區(qū)域地形影響,自西北流向東南,局部地段受地形控制流向河流和低洼處。

1.3 地下水水位動(dòng)態(tài)特征

阜陽市地下水動(dòng)態(tài)變化主要受開采和水文氣象影響,沿河一帶主要受河水水位影響,地下水水位動(dòng)態(tài)類型主要有開采型、入滲-開采型、降水入滲型和水文型。一般來說,每年的11月至次年的2月,降水量、蒸發(fā)量和開采量都較小,地下水水位是一年中相對穩(wěn)定的時(shí)期;3—5月為主要的農(nóng)業(yè)灌溉期,降水量少,農(nóng)業(yè)開采量大增,蒸發(fā)量較大,除沿淮河等河流的局部灌區(qū)外,平原區(qū)地下水水位均大幅度下降,一般5月下旬至6月上旬出現(xiàn)年內(nèi)最低水位;6—9月為汛期,降水量較大,占全年的70%～80%，由于得到降水入滲補(bǔ)給,且開采量較小,地下水水位普遍大幅度回升,至9月下旬或10月上旬達(dá)到年內(nèi)最高水位;10—12月地下水水位緩慢下降并逐漸趨于平穩(wěn)(圖2);全年地下水水位呈現(xiàn)出“穩(wěn)定—下降—上升—下降—穩(wěn)定”的周期性變化。

圖2 阜陽市周棚站多年平均(1956—2010年)淺層地下水年內(nèi)水位變化過程

1.4 淺層地下水開發(fā)利用概況

阜陽市開采的淺層地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,其次為農(nóng)村人畜飲水及部分工業(yè)企業(yè)生產(chǎn),淺層地下水由于埋藏淺、易開發(fā),成為阜陽市農(nóng)村生產(chǎn)生活的主要供水水源。阜陽市農(nóng)業(yè)資源豐富,是安徽省重要的農(nóng)副產(chǎn)品基地,盛產(chǎn)小麥、水稻、大豆、玉米和水果、蔬菜、中藥材等,以旱作物為主;農(nóng)作物在全區(qū)廣泛分布,需水量很大,不同作物全生長期需水量不同,如小麥需水量為449.9 mm,大豆需水量為426.5 mm,水稻需水量為614.5 mm[11],這些水量在全生長期的分配是確定灌溉制度、制定排灌規(guī)劃以及實(shí)施農(nóng)田排灌的重要依據(jù);同時(shí),地下水通過影響作物根系生長,進(jìn)而影響作物耗水規(guī)律、作物水分利用效率和作物的產(chǎn)量[12]。阜陽市降水的季節(jié)變化大,且與農(nóng)作物需水過程差別較大,為了滿足農(nóng)作物正常生長需水,需要大量開采地下水,2010年淺層地下水實(shí)際開采量為6.824億m3,其中多達(dá)55.23%的水量用于農(nóng)業(yè)灌溉。由于淺層地下水埋深較淺,受水文氣象因素影響明顯,一旦遇到干旱年或連續(xù)干旱月,淺層地下水資源量驟減,地下水位埋深增大,會(huì)造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn),例如2004年春大旱,自2003年10月至2004年4月降水量僅為97.6 mm,地下水位埋深由2.48 m增至5.93 m,造成冬小麥減產(chǎn),生態(tài)環(huán)境惡化,因此研究農(nóng)灌區(qū)淺層地下水安全開采意義重大。

2 淺層地下水安全開采量計(jì)算

2.1 地下水安全開采量

本文地下水安全開采量概念沿用王振龍等[6]的定義,即在一定時(shí)期內(nèi),通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的取水方案,在不產(chǎn)生不能承受的生態(tài)環(huán)境問題,滿足地下水資源、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境等功能的前提下,達(dá)到地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用的最大開采量。針對農(nóng)灌區(qū)淺層地下水的補(bǔ)、徑、排及供水特點(diǎn),將地下水安全開采的目標(biāo)確定為保證農(nóng)業(yè)灌溉供水安全,即在一定的均衡期內(nèi),淺層地下水位正常波動(dòng)的條件下,保證地下水埋深不大于最大開采埋深,同時(shí)調(diào)算末期地下水埋深使其能夠恢復(fù)至調(diào)節(jié)計(jì)算初期,達(dá)到多年水均衡。

2.2 地下水均衡計(jì)算

阜陽市淺層地下水補(bǔ)給包括降水入滲補(bǔ)給、地表水入滲補(bǔ)給、灌溉入滲補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給等,排泄包括地下水開采、蒸發(fā)、河道排泄,側(cè)向流出等。通過逐年(1956—2010年)地下水均衡分析,阜陽市多年平均總補(bǔ)給量為17.856億m3,總排泄量為19.908億m3,儲(chǔ)存量的變化量為-2.052億m3,其中降水入滲補(bǔ)給量為16.196億m3,占總補(bǔ)給量的90.7%,灌溉入滲補(bǔ)給量為0.954億m3,地表水滲漏補(bǔ)給量為0.271億m3,地下水側(cè)向補(bǔ)給量為0.435億m3,補(bǔ)給量按地下水均衡類型分區(qū)計(jì)算,然后分配到阜陽市各行政分區(qū)中,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 阜陽市各行政分區(qū)補(bǔ)給量統(tǒng)計(jì) 億m3

2.3 安全開采系數(shù)

土壤水是水資源轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的重要組成部分,農(nóng)作物生長是否需要灌溉,關(guān)鍵取決于田間土壤含水量的多少,若土壤含水量在適宜作物生長的范圍內(nèi),就不需要灌溉,否則就要考慮灌溉或排水。農(nóng)灌區(qū)飽和帶內(nèi),根據(jù)潛水水量平衡原理,可以有:

ΔW=μΔh=αgP-E-Wa-Q

(1)

式中:ΔW為含水層水量變化量，mm;μ為含水層的給水度;Δh為含水層水位變幅,mm;αg為降水入滲補(bǔ)給系數(shù);P為時(shí)段降水量,mm;E為時(shí)段潛水蒸發(fā)量,mm;Wa為時(shí)段棄水量,mm;Q為時(shí)段開采量,mm。

根據(jù)阜陽市實(shí)際情況,在地下水資源調(diào)節(jié)計(jì)算中存在不引起作物受漬的最小安全地下水位埋深Dmin、不產(chǎn)生生態(tài)環(huán)境及地質(zhì)問題的最大安全地下水埋深Dmax;當(dāng)時(shí)段地下水位埋深DiDmax時(shí),為破壞時(shí)段,需調(diào)整開采方案,減小開采量或停止開采,使地下水位埋深恢復(fù)到小于Dmax。由此得到地下水多年調(diào)節(jié)計(jì)算數(shù)學(xué)模型如下:

(2)

Q安=ηQ總補(bǔ)

(3)

式中:η為時(shí)段安全開采系數(shù);Di為時(shí)段地下水位埋深,m;Dmin為最小安全地下水位埋深,m;Dmax為最大安全地下水位埋深,m;Q安為安全開采量,億m3;Q總補(bǔ)為總補(bǔ)給量,億m3。

根據(jù)各縣區(qū)土壤巖性和起調(diào)埋深的不同,阜陽市分為5個(gè)計(jì)算分區(qū)(圖3),分別計(jì)算確定各分區(qū)的安全開采系數(shù)和安全開采量。由水文地質(zhì)資料得各分區(qū)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖3 阜陽市計(jì)算分區(qū)

表2 各分區(qū)計(jì)算參數(shù)

針對灌區(qū)地下水水位動(dòng)態(tài)特征,采用上述地下水多年調(diào)節(jié)計(jì)算模型對阜陽市淺層地下水水位動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行模擬。調(diào)節(jié)地下水開采量,當(dāng)調(diào)算末期地下水埋深恢復(fù)至起調(diào)埋深時(shí),達(dá)到多年水均衡,可得到安全開采系數(shù)與安全開采量。以第4分區(qū)為例,多年旬降水量過程及水均衡模擬計(jì)算結(jié)果如圖4～6所示,調(diào)算末期地下水埋深恢復(fù)到調(diào)算初期的2.07 m。

圖4 旬降水量隨時(shí)間變化過程

圖5 旬降水入滲補(bǔ)給量隨時(shí)間變化過程

圖6 旬地下水位埋深隨時(shí)間變化過程

3 結(jié)果分析

3.1 淺層地下水安全開采量

以旬為計(jì)算時(shí)段,調(diào)節(jié)計(jì)算期為1956年10月至2010年9月,共54個(gè)灌溉年,1944個(gè)時(shí)段。灌溉年是10月至次年9月,其中10—12月以及1—5月為非汛期,6—9月為汛期。以第4分區(qū)為例,起調(diào)埋深為2.07 m,在調(diào)節(jié)計(jì)算期內(nèi),地下水位埋深均在最大開采埋深8 m以內(nèi),能夠保證充足的灌溉水量。分別對各分區(qū)進(jìn)行上述調(diào)節(jié)計(jì)算,得到各分區(qū)安全開采系數(shù)和安全開采量,然后按照面積權(quán)重將其分配到各行政分區(qū),得到各縣區(qū)地下水安全開采系數(shù)與安全開采量(1956—2010年)如表3所示。

從表3可以看出,地下水安全開采量不僅取決于該地區(qū)的總補(bǔ)給量,還取決于安全開采系數(shù)。阜陽市淺層地下水安全開采系數(shù)為0.469,安全開采量為8.374億m3。受水文地質(zhì)條件和下墊面條件差異影響,不同分區(qū)安全開采系數(shù)不同,其中太和縣最大,為0.532,潁上縣最小,為0.368,其余大部分在0.473～0.506之間。

表3 各行政分區(qū)地下水安全開采量(1956—2010年)

將阜陽市不同行政分區(qū)淺層地下水安全開采量與2010灌溉年(2010年10月至2011年9月)實(shí)際開采量對比發(fā)現(xiàn),臨泉縣和界首市實(shí)際開采量超過了安全開采量,期末地下水位埋深分別增至5.07 m和5.21 m,可能導(dǎo)致植物無法正常生長,需要調(diào)整取水結(jié)構(gòu),盡量減少淺層地下水的開采;潁上縣現(xiàn)狀開采量小于安全開采量,可以適當(dāng)加大開采向其他地區(qū)輸水,使淺層地下水得到更充分的利用。

3.2 年內(nèi)地下水安全開采過程

淺層地下水主要的供水對象為農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活,其次是部分工業(yè)生產(chǎn)用水,阜陽市各供水對象的需水量具有一定的規(guī)律,一般3—5月是農(nóng)灌時(shí)期,農(nóng)業(yè)灌溉需水量達(dá)到一年中最大,6—11月降水豐沛,需水量減少,11月至次年1月基本不需灌溉;農(nóng)村生活用水在4—10月需水量較多,11月至次年3月需水量較少;工業(yè)用水開采淺層地下水較少,且各月用水量穩(wěn)定。根據(jù)不同供水對象的用水特點(diǎn),確定各部門的年內(nèi)逐月需水量過程,并對各部門需水量進(jìn)行疊加得到逐月綜合需水量,采用等比例法對地下水安全開采量進(jìn)行年內(nèi)分配,得阜陽市年內(nèi)逐月地下水安全開采量如表4所示。

表4 阜陽市逐月需水過程及安全開采過程

由表4可見,農(nóng)灌期3—5月合計(jì)開采量為3.599億m3,約占年安全開采量的42.98%;6—9月為雨季,灌溉水量減少,需水量也相應(yīng)減少,開采量為2.65億m3,約占年安全開采量的31.65%;12月至次年2月農(nóng)業(yè)灌溉基本停止,地下水開采量很少,為1.065億m3,占年安全開采量的12.72%,主要用于農(nóng)村生活和少量的工業(yè)生產(chǎn)用水。

4 結(jié) 語

阜陽市淺層地下水位埋深淺、易開發(fā),地下水水位主要受開采和水文氣象影響,開采的地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,其次用于農(nóng)村生活和工業(yè)生產(chǎn)。針對阜陽市農(nóng)灌區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),采用地下水多年調(diào)節(jié)計(jì)算模型對地下水水位動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行模擬,以調(diào)節(jié)計(jì)算末期地下水位埋深恢復(fù)到起調(diào)埋深為目標(biāo),得到阜陽市安全開采系數(shù)為0.469,安全開采量為8.374億m3;不同分區(qū)安全開采系數(shù)及相應(yīng)的安全開采量不同。根據(jù)需水過程,采用等比例法確定了年內(nèi)地下水安全開采過程,計(jì)算結(jié)果可為阜陽市淺層地下水安全開采提供可靠依據(jù)。

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Research on safe exploitation quantity of shallow groundwater in agricultural irrigation area of Fuyang City//

LIU Ge1,2, LIU Bo2, JI Yefei3, SHU Longcang2
(1.ZhongshanReservorirandHydropowerProjectManggementCenter,Zhongshan528403China; 2.CollogeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.SongliaoWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Changchun130021,China)

According to the hydrogeological conditions and characteristics of groundwater movement of agricultural irrigation area in Fuyang City, China, this paper proposed a regional long-term combined regulation model of shallow grandwater. By regulating the groundwater exploitation, the depth to water table at the end could be restored to the beginning, achieving the long-term balance. Then, the safe exploiting coefficient and the safe exploitation quantity are obtained. The results based on a long series(1956-2010) show that the average total recharge of shallow groundwater is 17.856×108m3, the safe exploiting coefficient is 0.469, and the safe exploitation quantity is 8.374×108m3. Combining with the water using characteristics of agricultural irrigation area in Fuyang City, the method of equal proportion is applied to calculate the annual distribution of the safe exploitation quantity of shallow groundwater. Finally, it is determined the monthly safe exploiting processs of shallow groundwater within one year in Fuyang City.

shallow groundwater; agricultural irrigation area; safe exploiting coefficient; safe exploitation quantity; depth to water table; Fuyang City

國家自然科學(xué)基金青年基金(41301017);國家自然科學(xué)基金(41172203,41201029)

劉革(1988—),女,陜西渭南人,助理工程師,主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬及開發(fā)利用研究。E-mail:1049744891@qq.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.016

TV211.1+2

A

1006-7647(2015)04-0070-05

2014-03-06 編輯：鄭孝宇)