萬軍偉, 王明珠，劉志濤，楊亞賓，劉 毅，趙書興

(1.山東省地勘局第二水文地質工程地質大隊，德州 253015；2.山東省魯北地質工程勘察院，德州 253015)

0 引言

黛溪河流域是鄒平市重要的飲用水源補給區(qū)，承擔著城區(qū)17萬居民和部分城鎮(zhèn)農村人口的生活用水。由于近年來地下水開發(fā)利用程度不斷提高，且氣候干燥，降雨偏少，黛溪河已出現斷流，黛溪湖水位已下降至死庫容。根據國家、省、市對南水北調受水區(qū)地下水治理要求,結合鄒平市地下水現狀，擬實施引水補源工程(飲水安全保障工程)，將長江水調至黛溪河上游及其沿線水庫，“引水上山”，增加黛溪河及沿線水庫的蓄水量，補充地下水源，使補給量大于開采量，以壓減黛溪河沿岸區(qū)域淺層地下水超采量，保障鄒平市生活供水安全。

近年來，水利、自然資源部門和高校在鄒平市地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用及資源保護等方面做了大量工作[1-10]，但目前并沒有對引水補源工程開展以來的實際效果進行分析研究，導致當地政府等職能部門對黛溪河流域地下水資源開發(fā)利用潛力的認識還停留在以往的嚴重超采階段，制約著當地地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。因此，本文根據區(qū)內水文地質條件，結合國內其他地區(qū)地下水資源量計算及動態(tài)監(jiān)測綜合分析等的成功經驗[11-15]，從鄒平市黛溪河流域地下水開發(fā)利用現狀和引水補源工程實施效果等方面進行論證，并結合區(qū)內地下水動態(tài)監(jiān)測資料，對現狀條件下黛溪河流域地下水資源量及可開采潛力進行了評價，為鄒平市合理開發(fā)利用地下水提供了科學依據。

1 研究區(qū)概況

鄒平市位于山東省東北部，地處魯中山區(qū)北部邊緣，黃河下游南岸，屬暖溫帶季風氣候區(qū)，大陸性氣象特征明顯，四季差別顯著，年平均氣溫13.1 ℃。

鄒平市屬魯中泰沂山區(qū)北麓與魯西北黃泛平原的疊交地帶，地貌復雜且類型繁多。南部是中度切割的低山丘陵，東南部是第四紀形成的山前沖積平原。全區(qū)地勢南高北低，呈傾斜式下降。

區(qū)內出露的地層主要有河流相沉積的碎屑巖類侏羅系和中基性熔巖火山巖類沉積的白堊系，在山間谷地及河流地帶分布厚度不等的第四系松散沖洪積層。

黛溪河是區(qū)內主要河流，是鄒平市南部山區(qū)自然形成的排洪河道，發(fā)源于以摩訶山為中心的18條山峪。上游分成2大支流：一條匯西董鄉(xiāng)西峪、八柱臺、大馬峪和上下回諸峪之水，經由家河灘、尚莊至西董村西，向北至崔家營南；另一條匯杏林、秦家溝以南諸澗之水，經黃家河灘、南石至崔家營南。支流匯合后的黛溪河穿于茲山、印臺山之間，向北繞流鄒平城折向西北，至上口村西南入杏花河，總長23.6 km，流域面積97.5 km2。其中，黛溪湖以上控制流域面積為67 km2。

2 水文地質特征及地下水開發(fā)利用現狀

2.1 地下水賦存條件

研究區(qū)屬淄博盆地裂隙、孔隙水水文地質區(qū)黛溪河流域地下水系統(tǒng)。如圖1所示，根據賦存特征及分布規(guī)律，并結合地質構造和地層巖性特征，地下水可分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水。

圖1 研究區(qū)水文地質簡圖

(1)基巖裂隙水。分布在鄒平南部的低山丘陵區(qū)，根據基巖巖性可分為塊狀巖類裂隙水、噴出巖類孔洞裂隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水。該類地下水分布極不均勻，杏林—象伏—蘆泉支流以南基巖含水層頂板埋深一般小于50 m，以北含水層深度起伏較大。地下水富水性較差，單井涌水量一般都小于100 m3/d，交替循環(huán)積極，水質較好，是山區(qū)居民的重要用水來源。

(2)松散巖類孔隙水。分布在黛溪河及支流沖洪積扇區(qū)，可分為淺層潛水和深層微承壓水，地下水賦存條件、富水性和水質均較好，含水層顆粒粗、厚度大，并具有多層結構。在垂向上，呈現自下而上含水層顆粒由粗變細的趨勢，上部為粗砂、含礫粗砂，下部一般有一層厚度5～10 m的礫石層，其下直接與基巖接觸。在平面上，由扇軸部位向兩側顆粒變細，即由扇軸附近的礫質砂、中粗砂向兩側漸變?yōu)樯乳g地區(qū)的粉細砂。含水層底板埋深與地下含水層厚度相關，一般沿沖洪積扇主軸方向，由西南向東北，底板埋深由40 m增加至90 m以上。砂層厚度由扇軸部位的30 m以上向兩側逐漸尖滅。主流路帶內，地下水單井涌水量為500～1 000 m3/d。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水與灌溉入滲補給，人工開采是主要的排泄方式。區(qū)內地下水埋藏深度一般不大于120 m，受人為影響各含水層具有一定的水力聯(lián)系。

2.2 地下水補徑排特征

2.2.1 地下水運移特征

黛溪河流域具有相對獨立的補給、徑流、排泄條件，地下水運移場具有明顯的分區(qū)指向性，自上游丘陵區(qū)的地下水直接補給區(qū)到中游剝蝕堆積平原區(qū)的地下水間接補給區(qū)，最后到鄒平市城區(qū)一帶的地下水匯集排泄區(qū)。

如圖2所示，該地下水系統(tǒng)中，大氣降水為主要補給來源，其次為地表水滲漏補給。上游基巖裂隙不發(fā)育，流域內大部分大氣降水在地表匯集，在山口匯入黛溪河水系。山前西董鎮(zhèn)一帶，第四系下伏基巖風化程度高，風化巖石呈顆粒狀，疏松，滲透性良好，為地下水的滲漏和運移提供了良好的通道，可視為巖溶水系統(tǒng)的直接補給區(qū)。從山口向平原，地下水含水層巖性影響水動力條件，由扇體向外圍延伸，含水層顆粒由粗變細，透水性由黛西水廠、城南水廠等沖洪積扇軸部向東北方向逐漸減弱，地下水運移速度減緩，形成小型富水地段。

圖2 黛溪河流域地下水運移場示意剖面

2.2.2 地下水徑流、排泄

區(qū)內地下水總體流向為由西南向東北運移。在南部丘陵山區(qū)，地下水類型以基巖裂隙水為主，一般具有統(tǒng)一水力聯(lián)系，通常僅在部分裂隙巖層中的某些局部范圍內連通，構成若干帶狀或脈狀裂隙含水系統(tǒng)。在松散巖類孔隙水分布區(qū)，地下水自西南向東北運移，由于補給區(qū)南高北低，且上部坡度較大，再加上人為開采影響，地下水在西董村一帶埋深達20 m，至柳泉一帶，地勢變緩，水流速度變慢，埋深7～8 m，但在水廠附近，受人為開采影響，動水位也超過15 m。在黛溪河沿岸，受河流補給作用，地下水等水位線凹向黛溪河。人工開采是該區(qū)主要的排泄方式，一般對10～90 m淺層潛水與中層承壓水實行混合開采。

2.3 地下水動態(tài)特征

2.3.1 年內變化特征

該流域地下水開發(fā)利用類型多為降水滲入-徑流-開采型。地下水開采形式為升—降—升—降，是典型的人工開采區(qū)的動態(tài)形式。該區(qū)地下水的主要補給來源是大氣降水，其次是水平徑流補給，人工開采是其主要排泄途徑。1—2月的水位回升是繼上一年冬灌結束后在徑流作用下的一次上升過程，由于該時段水位恢復時間較長，一般在2月底出現年內的第一次峰值，春灌開始后各地大量提取地下水，造成水位大幅度下降，因該時段持續(xù)較長，多在汛期前出現年內的最低值，汛期到來后，隨著開采強度的減弱以及地下水補給量增加的影響，開始第二次回升，隨后是秋灌、冬灌相繼到來，水位下降持續(xù)到年底，地下水位變化曲線為雙峰單谷型，如圖3以呂劇院監(jiān)測點為例。

圖3 呂劇院監(jiān)測點淺層地下水年內水位動態(tài)曲線

2.3.2 多年水位變化特征

受降水分配的不均勻性及補給排泄等因素影響，不同區(qū)域地下水水位的多年變化趨勢不盡相同，但均呈下降趨勢。如圖4所示，以呂劇院監(jiān)測點為例，該點以平均2.2 m/a的速度下降，特別是2012年至2015年，地下水開采量逐年增加，地下水位下降十分顯著。自2016年黛溪湖供水工程運行以來，水位降幅略有減緩。

圖4 呂劇院監(jiān)測點淺層地下水多年水位動態(tài)曲線

2.4 黛溪河流域地下水開發(fā)利用現狀

2.4.1 地下水開發(fā)利用現狀

區(qū)內地下水資源開發(fā)利用歷史悠久，其開發(fā)利用方式主要包括集中水源地開采和農村分散開采2種類型。其中集中水源地開采主要由縣自來水公司統(tǒng)一實施，黛溪河流域共有黛溪、城南、鶴伴3個水廠，水源主要是黛溪河流域的松散巖類孔隙地下水，機井深70～120 m。地下水屬于低礦化度的重碳酸-鈣-鈉型地下水。根據自來水公司監(jiān)測數據(2016—2018年)，水廠自來水平均開采量為703.16萬m3/a。

根據調查，區(qū)內農田灌溉用水263.11萬m3/a，農村生活用水約84.87萬m3/a，工業(yè)及其他用水約58萬m3/a。綜上所述，黛溪河流域淺層地下水總開采量為1 109.14萬m3/a。

2.4.2 區(qū)內淺層地下水超采現狀

根據山東省政府批復的《山東省地下水限采區(qū)和禁采區(qū)劃定方案(魯政字〔2015〕30號)》[8]，鄒平市淺層地下水超采區(qū)主要分布于杏花河以南的平原地區(qū)，屬淄博—濰坊淺層地下水超采區(qū)，面積為435.77 km2，其中淺層地下水一般超采區(qū)面積為429.1 km2，嚴重超采區(qū)面積為6.67 km2，如圖5所示。

圖5 研究區(qū)淺層地下水超采區(qū)分布[8]

2.4.3 黛溪湖引水補源工程建設

多年取用地下水造成淺層地下水超采，區(qū)內地下水水位明顯下降，黛溪河沿岸很多飲用水源井出水量不足甚至已經報廢，自來水水廠不得不采取分時段供水措施，嚴重影響了鄒平市飲水安全。為解決鄒平市地下水持續(xù)下降，保障飲水供水安全，鄒平市將引水補源工程列入鄒平市2018年度政府工作報告“惠民十件實事”的第一項，計劃將黃河水及辛集洼水庫引蓄的長江水引入黛溪湖，由黛溪湖再次提水入于印水庫，再從于印水庫調水入上游臺頭水庫及兩水庫之間的黛溪河河段。黛溪湖共引江水1 100萬m3/a，其中約234萬m3/a調入三八水庫，130萬m3/a調入于印水庫，200萬m3/a調入臺頭水庫，其余水量均分批次調入三八水庫至臺頭水庫段黛溪河，通過河流和水庫側滲補給黛溪河流域地下水，逐步使地下水補給量大于開采量，減輕淺層地下水超采負擔，以解決鄒平市淺層地下水超采問題。

3 地下水資源量計算

3.1 計算方法

本文采用水均衡法計算地下水資源量。水均衡法是目前地下水資源評估的主要方法之一，該方法以質量和能量守恒定律為基本原理，把與地下水有聯(lián)系的四水轉化關系反映在地下水的補給和消耗上，概念明確，方法簡便，是集分析計算與論證評價于一體的地下水資源評價方法。

根據水均衡法原理，一個含水層(組)中的地下水，在某一時期內，含水層(組)水體積的變化量ΔQ等于該時期內補給量Q補與消耗量Q耗之差，即：

ΔQ=Q補-Q耗。

(1)

根據對區(qū)內水文地質條件的研究，地下水補給量Q補包括降水入滲補給量(Qp)、灌溉回滲補給量(Qβ)、地表水體側滲補給量(QS，包括河流側滲補給量QH和水庫滲漏補給量QB)和地下水徑流補給量(QJb)；地下水消耗量Q耗包括潛水蒸發(fā)(Qc)、地下水徑流(QJh)和地下水人工開采量(QK)。

對于含水層本身，某一時期水體積的變化量ΔQ(m3)可用水位變化量ΔH(m)表示,公式為

ΔQ=μ·ΔH·F，

(2)

式中：μ為地下水位變動帶平均給水度，無量綱；F為計算單元面積，km2。

本文將黛溪河流域視為地下水資源量分析的地下水均衡區(qū)，選擇天然地下水系統(tǒng)邊界作為均衡區(qū)邊界，南部和北部邊界為基巖山區(qū)與平原交界線，屬于不透水邊界，東部和北部為地下水側滲補給垂向邊界，為定流量邊界。根據以往地下水資源評價經驗確定水量分析的均衡期，本文選擇引水補源工程前后5個水文年(2015—2019年)進行地下水均衡分析評價。在綜合分析區(qū)內以往水文地質成果的基礎上，考慮本次調查工作成果，綜合選取均衡區(qū)水文地質參數。

3.2 地下水補給量計算

3.2.1 降水入滲補給量Qp

區(qū)段的降水入滲補給量Qp(萬m3/a)計算公式為

Qp=α·P·F，

(3)

式中：α為降水入滲補給系數，無量綱；P為計算區(qū)段降水量，mm/a；F為計算單元面積，km2。

根據計算區(qū)段包氣帶巖性和水位埋深確定降水入滲系數α為0.15；依據氣象降水資料，取黛溪河流域2001—2019年降水量平均值P為660 mm；計算區(qū)段取整個補給區(qū)，面積F為67 km2。上述數據代入式(3)計算可得，全區(qū)降水入滲補給量Qp為663.3萬m3/a。

3.2.2 灌溉回滲補給量Q

區(qū)段的灌溉回滲補給量Q(萬m3/a)計算公式為

Qβ=β·Qm，

(4)

式中：β為灌溉系數，無量綱；Qm為灌溉量，萬m3/a。

根據灌溉類型、灌溉定額及包氣帶巖性、厚度和地下水埋深確定計算區(qū)段灌溉回滲系數β為0.03；根據農業(yè)灌溉用水資料確定灌溉量Qm為263.11萬m3/a。上述數據代入式(4)計算可得，全區(qū)灌溉回滲補給量Q為7.89萬m3/a。

3.2.3 地下水徑流補給量QJb

區(qū)段的地下水徑流補給量QJb(萬m3)計算公式為

QJb=I·T·L·t，

(5)

式中：I為地下水徑流水力坡度，無量綱；T為導水系數，m2/d；L為地下水徑流斷面寬度，m；t為徑流補給時間，d。

根據區(qū)內淺層地下水降落漏斗區(qū)的研究分析，鄒平市地下水降落漏斗位于城區(qū)及周邊地區(qū)，地下水自周邊向漏斗中心徑流，地下水徑流補給區(qū)計算區(qū)段選取城區(qū)西南山前區(qū)段，地下水徑流斷面寬度L約6 000 m；根據黛溪水廠群孔抽水試驗得到的區(qū)內含水層(厚度10～20 m)滲透系數(0.6～1.2 m/d)，確定導水系數T為18 m2/d；按山前潛水水位標高(平均約60 m)和漏斗區(qū)水位標高(平均約10 m)之間的水頭差確定水力坡度I為0.015；徑流補給時間t取365 d。上述數據代入式(5)計算可得，全年地下水徑流補給量QJb為59.13萬m3。

3.2.4 引水補源后地表水體側滲補給量QS

根據黛溪河水文地質特點和現有水利工程條件，確定研究區(qū)補給范圍為臺頭水庫至黛溪湖段，包括3座水庫及7.74 km的河道。

3.2.4.1 河流側滲補給量QH

黛溪河河流側滲補給量QH(萬m3)計算公式為

QH=q·L·t，

(6)

式中：QH為河流側滲補給量，萬m3；q為河流滲漏系數，即河流單位長度側滲量，m3/(d·m)；L為河流補排長度，m；t為河流側滲補給時間,d。

參照《華北平原(山東部分)地下水資源調查評價》[9]中濟陽城關斷面的單側單寬補排量，本文河流滲漏系數q取值1.110 m3/(d·m)；三八水庫、于印水庫至臺頭水庫之間黛溪河河流補排長度L為7 740 km；黛溪河全年不斷流，補給時間t取365 d。上述數據代入式(6)計算可得，黛溪河全年河流側滲補給量QH為313.59萬m3。

3.2.4.2 水庫滲漏補給量QB

水庫滲漏補給量QB(萬m3)計算公式為

QB=α·Qka，

(7)

式中：QB為水庫滲漏補給量，萬m3；Qka為各水庫平均興利庫容量，萬m3；α為水庫滲漏系數，無量綱。

由水庫多次蓄水過程、滲漏條件及滲漏時間可知，水庫滲漏系數在10%左右。臺頭水庫分析設計總庫容量為145萬m3，興利庫容量為102萬m3；于印水庫設計總庫容量為133萬m3，興利庫容量為86萬m3；三八水庫設計總庫容量為330萬m3，興利庫容量為210萬m3。按照1 a調蓄4次進行計算，共計調蓄水量約564萬m3/a，估算水庫滲漏補給量為96.2萬m3/a。

地表水體側滲補給量QS=QH+QB，通過分析河道及水庫滲漏條件可知，每年地表水體側滲補給量QS為409.79萬m3。

3.2.5 地下水總補給量Q補

黛溪河流域淺層地下水總補給量是上述各部分補給量之和，根據上述對地下水各補給量的計算，黛溪河流域淺層地下水每年總補給量為1 140.11萬m3/a，如表1所示。按照水均衡的概念，每年地下水開采量與補給量相等，則不會造成地下水超采。因此，可以將上述總補給量Q補視為黛溪河流域地下水可開采資源量QZ，即QZ=Q補=1 140.11萬m3/a。

表1 地下水資源量計算結果

3.3 地下水潛力分析

3.3.1 評價方法

對地下水開采潛力系數P潛進行評價，評價計算公式為

P潛=QZ/QK，

(8)

式中：QZ為地下水可開采資源量，萬m3/a；QK為地下水人工開采量，萬m3/a。

依據《地下水潛力評價技術要求(GWI-D4)》[16]中地下水開采潛力系數P潛取值范圍，按表2對地下水開采潛力進行評價。

表2 地下水資源開采潛力評價分級表[16]

3.3.2 地下水開采潛力評價

根據3.2的分析，研究區(qū)地下水可開采資源量QZ為1 140.11萬m3/a，根據2.4.1中給出的調查結果，研究區(qū)的地下水人工開采量QK為1 109.14萬m3/a，代入式(8)計算可得，地下水資源潛力系數P潛為1.03。根據地下水資源開采潛力評價分級表(表2)，該區(qū)屬于地下水采補平衡區(qū)。因此，鄒平市在通過引水補源工程對地下水進行補給后，區(qū)內地下水超采得到有效緩解，開采潛力明顯提升。

4 引水補源后地下水動態(tài)變化情況

4.1 監(jiān)測點布設

根據《鄒平縣地下水資源調查評價(2018年)》[10]，在黛溪河流域布設了4個動態(tài)監(jiān)測點：上游監(jiān)測點2個(尚莊村和南石村監(jiān)測點)，中游監(jiān)測點1個(抱印村監(jiān)測點)，下游監(jiān)測點1個(聚和村監(jiān)測點)。另外，還利用了城區(qū)淺層地下水漏斗區(qū)呂劇院監(jiān)測點及自來水廠監(jiān)測點這2個長期地下水觀測點。監(jiān)測點布設如圖6所示。各監(jiān)測點數據可直觀反映引水補源后地下水的動態(tài)變化特征，進而驗證引水補源工程對研究區(qū)地下水的補給效果。

圖6 研究區(qū)地下水動態(tài)監(jiān)測點及長期監(jiān)測點分布

4.2 地下水動態(tài)變化特征

4.2.1 年地下水動態(tài)特征

根據表3所示流域內地下水水位動態(tài)監(jiān)測數據，2017年8月至2018年7月期間，黛溪河上游2處監(jiān)測點(尚莊村和南石村監(jiān)測點)水位均有明顯的回升，水位埋藏深度分別上升2.41 m和1.48 m。

表3 研究區(qū)地下水長期監(jiān)測點2017.8—2018.7地下水埋深統(tǒng)計

中游抱印村監(jiān)測點位于自來水公司城南水廠水源井附近，在自來水公司正常供水的前提下，接受引水補源工程滲透補給，水位埋深上升了4 m多，補給效果顯著。下游聚和村監(jiān)測點水位自2017年11月之后基本保持不變，說明在不開采的情況下，黛溪河下游地下水基本處于采補平衡狀態(tài)，地下水位未發(fā)生持續(xù)下降。由此可見，自開展引水補源工程以來，黛溪河流域中、上游地下水水位均有不同程度回升，下游水位未出現明顯變化。

4.2.2 多年地下水變化特征

(1)自來水廠監(jiān)測點。自2018年起，鄒平市自來水公司便納入了鄒平市水利信息化管理平臺系統(tǒng)。根據自來水廠監(jiān)測點監(jiān)測數據，自引水補源工程開展以來，監(jiān)測點水位整體呈上升趨勢。如圖7所示，2018年5月開始監(jiān)測時，地下水水位埋深為21.76 m，至2019年12月，監(jiān)測點水位上升為16 m。這說明引水補源工程對黛溪河流域地下水補給效果顯著，自來水公司抽水井干枯及供水不足等現象得到了有效緩解。

圖7 自來水廠監(jiān)測點地下水水位埋深變化曲線

(2)呂劇院監(jiān)測點。該點位于淺層地下水漏斗區(qū)，如圖8所示，多年來該監(jiān)測點的淺層地下水水位以平均1.6 m/a的速率下降，特別是2012年至2015年，地下水開采量逐年增加，地下水位下降顯著。自引水補源工程運行以來，2016年該點地下水位埋深為17.68 m，2017年降至18.4 m，2015—2017年地下水水位下降速率明顯減緩。

圖8 呂劇院監(jiān)測點地下水水位埋深變化曲線

綜上所述，引水補源工程運行以來，在現狀正常開采條件下，自來水公司群井抽水未形成新的降落漏斗，原漏斗區(qū)地下水水位年降幅也有所減緩，說明引水補源工程對地下水補給起到了一定作用。

5 結論與建議

(1)本文采用水均衡法計算了鄒平市黛溪河流域地下水資源量，并對該流域開采潛力進行了評價。引水補源工程運行以來，初步計算每年調水入滲(地表水體側滲)可補給地下水409.79萬m3，區(qū)內地下水開采潛力由超采改善為采補均衡。

(2)黛溪河流域地下水動態(tài)監(jiān)測表明，引水補源后，黛溪河流域上游和中游的地下水水位均有顯著回升。自來水廠地下水監(jiān)測點和呂劇院監(jiān)測點地下水位變化表明，黛溪河流域在維持現狀的開采條件下，引水補源工程能有效補給地下水，有效壓減鄒平市淺層地下水超采問題，保障城區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民的正常供水，顯著改善了鄒平市水生態(tài)和水環(huán)境。

(3)自鄒平市引水補源工程運行以來，黛溪河流域地下水得到了有效補給，區(qū)內地下水水位也有了不同程度的回升，但位于鄒平城區(qū)及周邊的地下水降落漏斗區(qū)水位仍處于下降趨勢，因此應進一步加大客水引水力度，優(yōu)化地下水開發(fā)利用模式，節(jié)約用水，保障區(qū)內地下水資源的動態(tài)平衡。

(4)按黛溪河流域地下水資源開發(fā)利用現狀，地下水水源地要嚴格控制開采量，非飲用水應積極采用地表水及外調水，禁止飲用水水源地地下水用于農田灌溉及工業(yè)用水等其他用途。