張旭東，田國林

(1.安徽省地質礦產(chǎn)勘查局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000；2.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.陜西地礦九〇八水文地質工程地質大隊，陜西 西安 710600)

均衡法與解析法在地下水資源評價中的應用分析

張旭東1，田國林2，3

(1.安徽省地質礦產(chǎn)勘查局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000；2.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安 710054；3.陜西地礦九〇八水文地質工程地質大隊，陜西 西安 710600)

[摘要]均衡法是地下水資源評價的常規(guī)方法，解析法作為一種基于地下水動力學的評價方法也時常被采用。用兩種方法對利辛縣地下水資源進行評價中，分析得出，均衡法原理明確，對各收支項數(shù)據(jù)的掌握程度要求較高，在各收支項數(shù)據(jù)充足準確的條件下便于計算，但由于有些收支項數(shù)據(jù)采集難度大，準確度不高，造成評價結果誤差較大；解析法理論嚴密，對水文地質條件要求苛刻，當各條件均能較好的滿足公式假定條件時計算結果精確度高，但當各條件不能很好滿足假定條件時，評價結果也誤差較大。因此，嘗試在進行均衡計算的同時進行解析計算，將兩種方法計算的結果進行對比分析，優(yōu)勢互補，可提高地下水資源評價的質量。

[關鍵詞]地下水資源評價；均衡法；解析法；利辛縣

水是人類及其他生物賴以生存的物質條件。地下水作為水資源的重要組成部分，發(fā)揮著巨大的作用，尤其在我國北方廣大平原地區(qū)。據(jù)估算，北方平原區(qū)地下水資源共約1 500億 m3，占全國平原地區(qū)地下水資源的 78%，地下水已成為北方地區(qū)城市生活和工農(nóng)業(yè)用水的重要供水水源[1]。隨著社會的發(fā)展，需水量與日俱增，水資源供需矛盾日益突出，為了使人們認識水資源緊缺的嚴峻形勢，樹立人人珍惜和保護水資源的意識，運用正確、科學的方法對有開發(fā)利用價值的地下水資源量的多寡作出評價這對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)戰(zhàn)略決策的制訂具有指導意義[2]。地下水資源量評價的目的是為了查清地下水資源時空分布特征、水文地質條件、含水層富水性、水循環(huán)特征等信息，為合理開發(fā)利用地下水資源提供科學方法[3]。計算地下水允許開采量(可開采量)是地下水資源評價的核心問題。地下水允許開采量的大小，主要取決于補給量，還與開采的技術經(jīng)濟條件及開采方案有關。由于水文地質條件的差異及不同，勘查階段獲得的水文地質資料豐富程度程度不一，以及對成果的要求精度不同，可采用不同的計算方法[4]。在地下水資源評價中采用不同的方法進行對比分析，互為論證，可以提高地下水資源評價的質量。

1資料及研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省利辛縣境內(nèi)，范圍包括城區(qū)及其周邊，面積約50 km2。地勢平坦，總體由西北向東南微傾，高程25.0～28.6 m。地貌單元屬于堆積平原，微地貌類型為泛濫坡平地和泛濫微高地，地表巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土、粉質粘土；利辛縣屬暖溫帶半濕潤季風氣候，春秋溫和少雨，夏季炎熱多雨，年平均氣溫14.6℃，多年平均降水量842 mm，年內(nèi)降水多集中在6～8月份，約占全年降水的50%，而11月份至翌年2月份占全年降水量的13%，多年平均蒸發(fā)量1 161.8 mm，5～8月蒸發(fā)強烈，約占全年蒸發(fā)量的49%；地表水系隸屬于淮河水系，茨淮新河、西淝河及阜蒙河是境內(nèi)的三條主要河流，其中茨淮新河及阜蒙河為人工河流，西淝河為境內(nèi)最大天然河流，另有大中灌渠70余條，組成縱橫交錯的灌排網(wǎng)絡。

1.2水文地質條件

研究區(qū)地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水及碳酸鹽巖類裂隙水。其中淺層松散巖類孔隙水、中層松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙水富水性均較弱，深層松散巖類孔隙水富水性強。300 m以淺的松散巖類含水層組可劃分為三個含水層組，分別為淺層含水層組，中部弱含水層組(隔水層)和深層含水層組。其中淺層含水層組主要由上更新統(tǒng)(Q3)粉質粘土、粉土及粉細砂層組成，含水砂層頂板埋深9～28 m，底板埋深50～60 m；中部弱含水層組(隔水層)主要由中下更新統(tǒng)(Q1-2)粉質粘土、粘土夾薄層粉細砂組成，總體上富水性弱、透水性較差，頂板埋深大約為48～55 m，底板埋深大約為83～123 m；深層含水層組主要由上第三系(N)粉質粘土、粉砂、中細砂和粗砂組成，含水層組頂板埋深83～123 m，由于受上覆厚層弱含水層組之覆蓋，具承壓性，地下水補給條件相對較差，致使深層含水層組呈半封閉的地下水含水系統(tǒng)。

淺層含水層組地下水埋藏淺，直接接受大氣降水入滲補給，與地表水聯(lián)系密切，垂向交替強烈，徑流途徑短，排泄方式有蒸發(fā)、人工開采和徑流補給地下水，開采程度低，開采量不大，其水位變化主要受降水入滲及蒸發(fā)控制，呈現(xiàn)出入滲—蒸發(fā)型動態(tài)特征；深層地下水主要接受來自上游的側向徑流補給和上覆淺層含水層的局部越流補給，人工開采為主要排泄方式，水位變化呈現(xiàn)出明顯的開采型動態(tài)特征。

1.3研究方法

研究方法采用水量均衡法與解析法分別計算深層含水層組地下水可開采量進行對比分析。水量均衡法是全面研究計算區(qū)(均衡區(qū))在一定時間段(均衡期)內(nèi)地下水補給量、儲存量和排泄量之間數(shù)量轉化關系的方法。解析法是直接選用地下水動力學的井流公式進行地下水資源計算的常用方法[5]。

1.3.1模型概化

根據(jù)水文地質條件，300 m以淺水文地質結構可概化分為淺層含水層組、中層弱含水層組(隔水層)和深層含水層組三層結構，可建立如圖1所示的水文地質概念模型。

圖1　水文地質概念模型

1.3.2邊界處理

因淺層地下水與地表水，大氣降水交替強烈，故頂部邊界視為開放邊界；深層含水層組的底部地層(410 m以下)已膠結，地下水運動微弱，故處理為隔水邊界；由于側向徑流量不大，保證程度低且計算過程中視鄰區(qū)以同等強度開采，故將淺層水周邊界處理零通量邊界，深層水為具一定水力坡度的側向補給邊界。由于河床巖性多以粉質粘土為主，故河流邊界處理為弱透水邊界。

2地下水可開采量計算

2.1均衡法

(1)計算公式

Q補給量=Q側補+Q越流

(6)

Q越流=K弱·ΔH/M·A

(7)

Q側補=L·I·T

(8)

式中：Q越流為淺層地下水通過中間弱透水層越流補給深層地下水量(m3/d)；Q側補為鄰區(qū)深層地下水側向補給開采影響區(qū)的地下水量(m3/d)；K弱為弱透水層滲透系數(shù)(m/d)，取7.8×10-5m/d；ΔH為深、淺含水層水頭差(m)，取15 m；M為弱含水層厚度(m)，取55 m；A為漏斗面積(m2)，取1.01×109m；L為邊界周長(m)，取1.13×105m；I為地下水水力坡度，取1/500；T為導水系數(shù)(m2/d)，取300 m2/d。

(2)計算結果

將各參數(shù)代入公式計算，可供開采的深層地下水資源量為8.92×104m3/d，具體計算結果如表2所示。

2.2解析法

(1)計算公式

根據(jù)地下水概化模型，含水層組為頂板為弱透水層組，底板為絕對隔水層組。據(jù)此確定含水層組采用水動力學法計算，假定研究區(qū)單井以l的距離呈網(wǎng)絡狀分布，每個水井位于每個小網(wǎng)格的中心，所有水井假定同時投產(chǎn)，各井開采量相等，并在開采期間內(nèi)流量保持不變，設計開采期限可為若干年，開采期末的動水位埋深不超過現(xiàn)有降水漏斗中心的水位埋深。每井的開采水量的計算公式[7]為：

(8)

總可開采量：

(9)

含水層組采用面狀井群非穩(wěn)定流承壓井群涌水量概算公式計算，即為大量井呈面狀分布在無限含水層中，各井流量不同，呈無規(guī)則分布，各井同時開始抽水，每個井在開采過程中流量不變，每個井均分布在無限含水層中，設計開采期限可為若干年，開采期末的動水位埋深不超過現(xiàn)有降水漏斗中心的水位埋深。計算公式[7]如下：

(10)

表2　深層地下水允許開采量一覽表

(2)參數(shù)選擇

①滲透系數(shù)K、彈性釋水系數(shù)μ*、給水度μ

滲透系數(shù)K采用抽水試驗結果，為1.235 m/d；

彈性釋水系數(shù)μ*參照已有資料，取 1.2×10-3；

②含水層厚度M、水位降深SA

含水層厚度M采用研究區(qū)內(nèi)砂層總厚度的平均值，設定為138 m。

根據(jù)區(qū)域地質資料，含水層組地下水水位埋深采用20 m，假定工作區(qū)開采期末的地下水水位埋深45 m。據(jù)此確定工作區(qū)第三含水層組任意點水位降深SA為25 m。

③工作區(qū)面積F、引用井群影響半徑R0、單井抽水影響半徑R

工作區(qū)面積在1：10 000的地形圖上量取，其中總面積F為50 km2。

④水井過濾器長度l、非完整井引起的補充水流阻力ξ

計算中均采用承壓含水井，故水井過濾器長度l設定為含水層組的總厚度，據(jù)此確定非完整井引起的補充水流阻力ξ取值為0。

⑤單井涌水量Q、水井半徑rw

根據(jù)調(diào)查利辛縣城現(xiàn)有水井，單井涌水量Q采用1 960 m3/d，水井半徑統(tǒng)一采用目前利辛縣城最常見的水井口徑，半徑rw為150 mm。

(3)計算結果

將上述水文地質參數(shù)代入公式進行概算，概算得出：在保持水位降落漏斗中心的地下水水位埋深不大于45米的情況下，開采5年時，其可開采資源量82 100 m3/d，開采10 a，可開采資源量為80 092 m3/d；在不考慮水位降深的情況下，按82 000 m3/d來開采，預測含水層組地下水水位在5 a后達25 m，10 a后水位為30 m，20 a后水位將達45 m。綜合上述概算結果，工作區(qū)內(nèi)中深含水層組能夠長期接受淺層含水層組的長期越流補給，其可開采量基本能達到82 000 m3/d以上，基本滿足近期開采規(guī)模。

3應用對比分析

(1)均衡法以水量均衡理論為基礎，理論明確，計算公式簡單，計算精度可粗

細；解析法以地下水動力學理論為基礎，理論嚴密，計算公式復雜，精度較高。

(2)均衡法采用淺層含水層向深層含水層越流補給量與深層含水層邊界側向補給量之和來估算深層含水層可開采量；解析法采用非穩(wěn)定流面狀承壓井群涌水量來近似估算深層含水層可開采量。

(3)均衡法對于淺層含水層向深層含水層的補給量采用越流公式計算，解析法采用經(jīng)推導非穩(wěn)定井流公式整合計算。

(4)均衡法計算可開采量為8.92×104m3/d，解析法為8.21×104m3/d，可以看出，均衡法計算結果較大，考慮到解析法理論嚴密，精度較高，因此采用解析法計算結果，均衡法計算結果作為論證。

4結語

均衡法作為地下水資源評價的常規(guī)方法，計算優(yōu)勢明顯，但計算精度不好控制；解析法雖然計算復雜，但能較好的保證計算精度，且能對水源地不同開采狀態(tài)下的水位進行預測，取得了水源地調(diào)節(jié)計算的效果。因此在運用均衡法進行地下水資源評價的同時，又采用解析法評價，彌補了均衡法的不足，又能很好地論證解析法計算的結果。較好的提高地下水資源評價的質量。

參考文獻

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[6]王淑華.介紹幾種計算河流滲漏補給量的公式[J].地下水.1985.01.52-54.

[7]地質礦產(chǎn)部水文地質工程地質技術方法研究隊.水文地質手冊[M].北京：地質出版社.1978.711-715.

Contrast Analysis between Balance and Analytic Method for Groundwater Resources Evaluation

ZHANG Xu-dong1，Tian Guo-lin2，3

(1.The 1st Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecting,Anhui Geology and Minerals Prospecting bureau，Bengbu 233000,Anhui；2.School of Environment Science and Technology Chang′an University，Xi′an 710054 Shaanxi；3.Shaanxi Geology and Minerals 908 Team of Hydrogeology and Engineering Geology，Xi’an 710600,Shaanxi)

Abstract:Balance method is a normal method of groundwater resources evaluation, analytical method as an evaluation method based on groundwater dynamics is also often used. Comparing the two methods in the application of groundwater resources evaluation in Lixincounty.The result shows balance methodis explicit on principles and requires detailed data of balance items,it is easy to calculate when the data are sufficient and accurate, whereas some balance items data are difficult to collect and not very accurate,so error produced.Theory of analytic method is closely and demanding for hydro-geological conditions,when all the conditions better meet the assumed conditions of formula,the result will be more precision , but if it cannot well satisfy the conditions ,the evaluation results error is bigger.Therefore, trying to calculate with the analytical method while with balance method and then compare their result , which can bring complementary advantages and improve the quality of groundwater resources evaluation.

Key words:Groundwater resources evaluation；balance method；analytic method；Lixin county

[收稿日期]2016-03-20

[作者簡介]張旭東(1986-)，男，安徽廬江人，助理工程師，主要從事水文地質、工程地質工作。

[中圖分類號]P641.8

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0012-03