李媛媛

(青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心，西寧 810000)

0 引 言

水資源是我國(guó)不可或缺的重要戰(zhàn)略資源，地下水作為水資源的重要組成部分，由于其具有埋藏地下不易污染、分布廣、水質(zhì)優(yōu)且產(chǎn)量較為穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)[1]，早已成為國(guó)內(nèi)干旱和半干旱地區(qū)人民主要生產(chǎn)生活水源[2]。但自20世紀(jì)80年代以來，國(guó)內(nèi)因經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求和人民生活水平的提高，地下水開采量逐年急劇攀升，造成多地區(qū)地下水位下降，地下水資源量短期內(nèi)大幅減少，其中尤以北方干旱地區(qū)最為嚴(yán)重[3]。因此，如何有效進(jìn)行區(qū)域地下水資源量評(píng)估，以便快速科學(xué)地掌握區(qū)域地下水資源量現(xiàn)狀，加以合理地開發(fā)利用，對(duì)于當(dāng)?shù)孛裆l(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)和諧穩(wěn)定具有重大意義。

我國(guó)部分山區(qū)因交通條件的不便和自然環(huán)境的惡劣，難以進(jìn)行精細(xì)化野外實(shí)地調(diào)查并獲取詳細(xì)的水文地質(zhì)條件，因此在計(jì)算該類型地區(qū)中通常以流域基流量作為山區(qū)地下水主要排泄量，并據(jù)此計(jì)算該區(qū)域的地下水資源量[4]。本文以青海省興海縣為研究區(qū)，基于區(qū)內(nèi)代表性水文站1956-2010期間不同年份間的徑流量數(shù)據(jù)，采用最小估計(jì)法進(jìn)行流域基流分割，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合流域基徑比進(jìn)行研究區(qū)地下水資源量評(píng)估，以期為興?？h地下水資源的開發(fā)利用和飲水工程的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬青海省海南藏族自治州(圖1)，地處柴達(dá)木盆地東部邊緣，位于西秦嶺山地西端與青南高原北緣的交匯地帶，屬于“三江源”國(guó)家自然保護(hù)核心區(qū)。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置圖

研究區(qū)山脈均屬昆侖山系三、四級(jí)山脈，西北部為鄂拉山，西南角為布爾汗布達(dá)山的余脈，南部為積石山(阿尼瑪卿山)北緣，山區(qū)面積占研究區(qū)總面積約80%。區(qū)內(nèi)盆地受周邊山脈挾持較為發(fā)育，以北東部的共和盆地(境內(nèi)僅為其南緣)和興海-同德盆地為主，多屬山間斷陷盆地和堆積地貌類型，同時(shí)由于流水地質(zhì)作用在區(qū)內(nèi)形成幾處較大的谷地，多屬侵蝕堆積地貌。

研究區(qū)以黃河為各支流水系主要侵蝕基準(zhǔn)面[5]，河流總長(zhǎng)度約2 652.8 km，流域面積10 184.5 km2，占區(qū)內(nèi)水文總面積的83.6%，其主要支流信息見表1。

表1 研究區(qū)主要支流信息一覽表

研究區(qū)內(nèi)大氣降雨和雪山冰雪融水是區(qū)域內(nèi)主要的地下水及地表水補(bǔ)給源，其中地下水又受到地表水的二次補(bǔ)給，因此地下水補(bǔ)給源總共有3類：大氣降水、雪山積雪消融水及地表水補(bǔ)給。其中，因研究區(qū)位于半干旱區(qū)，大氣降雨稀少，多年平均降雨量?jī)H約240～580 mm，枯水季雨量只有7.3～34.4 mm，且降水時(shí)空分布不均，大氣降雨對(duì)地下水補(bǔ)給量相對(duì)較少；研究區(qū)四面環(huán)山且海拔較高，山頂積雪極厚，在夏季來臨時(shí)，氣溫升高大量冰雪消融通過地表巖石裂隙下滲補(bǔ)給地下水；同時(shí)研究區(qū)多數(shù)河流水位高于地下水水位，特別是在豐水期期間受到降雨和冰雪融水雙重補(bǔ)給，河流流量和水位更加暴漲，入滲地下補(bǔ)給區(qū)面積激增，大量的地表水在此階段轉(zhuǎn)化為地下水。

綜上所述，研究區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為山區(qū)冰雪融水和地表水，次要補(bǔ)給源為大氣降雨。研究區(qū)地下水徑流能力總體比較差，受地質(zhì)構(gòu)造和大地貌特征的影響，地下水流向總體上都是指向地勢(shì)低洼的河流，徑流方向與構(gòu)造線延展方向大體相似，在徑流過程中受侵蝕切割或于地勢(shì)低洼處主要以泉的形式作為主要排泄方式。

研究區(qū)地處牧區(qū)較為偏遠(yuǎn)，地廣人稀使得地下水開發(fā)程度較低，同時(shí)自然環(huán)境的惡劣使得區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)調(diào)查程度粗糙，研究區(qū)相應(yīng)水文地質(zhì)資料極少，綜合導(dǎo)致該區(qū)域地下水資源未能到充分利用，多數(shù)以泉的形式流失于地表。全區(qū)共有地下水取水井67眼，主要分布在河卡鎮(zhèn)和子科灘鎮(zhèn)，其中日取水量大于等于5 000 m3/d的井共有4眼，地下水取水總供水量約為0.58×104m3/d。

2 研究方法

2.1 方法選取

目前，地下水資源評(píng)估方法眾多，不同方法均存在各自區(qū)域適應(yīng)性和局限性，選擇合適的方法應(yīng)用于相宜區(qū)域?qū)τ诘叵滤Y源量計(jì)算結(jié)果具有直接影響作用[6]。研究區(qū)山區(qū)面積占區(qū)域總面積的80%，且多為無人踏足之地，水文地質(zhì)調(diào)查難度高導(dǎo)致所獲取野外資料稀少。同時(shí)區(qū)域內(nèi)地下水多數(shù)是通過泉的形式排泄直接順地勢(shì)低洼處匯入地表河流，極少受到人為干擾影響，研究區(qū)整體地下水的補(bǔ)給和排泄均處于天然的狀態(tài)。綜上，研究區(qū)具有資料掌握度低且地下水補(bǔ)徑排受人為擾動(dòng)作用小的特點(diǎn)，因此選取水文分析法進(jìn)行研究區(qū)地下水資源量評(píng)估。

水文分析法基本原理在于一個(gè)地下水系統(tǒng)對(duì)其水量循環(huán)的過程來說，無論其補(bǔ)給是多么的復(fù)雜，補(bǔ)給量總是要轉(zhuǎn)化為地下水徑流量，而徑流量又在適當(dāng)?shù)牡胤搅鞒龅乇硇纬蔀榈乇硭甗7]，因此其主要通過地下水的排泄量對(duì)地下水資源量進(jìn)行評(píng)估，特別適用于地下水研究程度較低且排泄量基本都屬于天然徑流量的地區(qū)。研究區(qū)屬于山丘區(qū)，山丘區(qū)地下水資源量近似等于流域基流量、淺層地下水實(shí)際開采量和潛水蒸發(fā)量等各排泄量之和[8]，但區(qū)內(nèi)多數(shù)為高寒凍土地區(qū)，潛水蒸發(fā)量、淺層地下水實(shí)際開發(fā)量極小，可忽略不計(jì)。故研究區(qū)地下水資源量大致可等同于區(qū)域流域基流量。

2.2 評(píng)估思路

水文分析法評(píng)估精度取決于流域測(cè)流和基流分割的精度，因此本文采用最小枯季法分割流域徑流過程線計(jì)算流域基流量，又稱之為直線平割法，該方法已應(yīng)用于較多類似地區(qū)且效果良好[9-10]。原理為選用枯季年內(nèi)月徑流量的最小平均值(最小月平均或連續(xù)幾個(gè)月最小平均值)為基線，平行切割全年徑流量，直線以下部分即為流域基流量。該方法反映了年內(nèi)基流量下限，防止直線斜割法切割結(jié)果較小，而且適用于任何地區(qū)，只需要年內(nèi)每月的徑流量，將徑流量最小平均值連接起來進(jìn)行切割就可以得到流域基流量。

本次評(píng)估具體思路如下：

1) 根據(jù)研究區(qū)流域徑流量觀測(cè)資料，通過將代表站用最小枯季法來分割流域徑流過程線計(jì)算流域基流量，然后算出該站的基徑比。

2) 根據(jù)流域基流量分割成果建立該站流域徑流量(R)與流域基流量(Rg)的關(guān)系曲線，再根據(jù)該站流域徑流量從R-Rg關(guān)系曲線得出逐年流域基流量。

3) 在對(duì)有水文站控制的地區(qū)，采用基徑比查算流域基流量；對(duì)未被水文站控制的研究區(qū)其余地區(qū)，采用類比法對(duì)相似地區(qū)基徑比查算流域基流量。

3 結(jié)果分析

興?？h境內(nèi)有水文站點(diǎn)3個(gè)，分別為黃河支流曲什安河大米灘站、大河壩河上村站和黃河干流唐乃亥站。由興?？h水務(wù)局提供各個(gè)站點(diǎn)水文資料，見表2、表3。

表2 研究區(qū)徑流量資料

表3 1957年研究區(qū)各河流對(duì)應(yīng)水文站徑流量 /108 m3

由表2可知，1956-1959年為最小徑流量年份，可判定為枯季年，因此選取該期間1957年為切割年。由表3數(shù)據(jù)可知，1957年大米灘站、上村站和唐乃亥站最小徑流量月份均為12、1和2月份，且可以算出各自對(duì)應(yīng)最小平均徑流量分別為3.390×108、1.133×108和92.822×108m3；以該值為基準(zhǔn)線，對(duì)該站徑流過程線進(jìn)行水平切割，切割線以下的徑流量即為各水文站對(duì)應(yīng)流域基流量。各水文站徑流量切割曲線圖見圖2。

圖2 1957年研究區(qū)各河流徑流量切割曲線

結(jié)合表2和圖2可知，由最小徑流量月份12、1和2月份計(jì)算可得大米灘站切割基準(zhǔn)線流量值為3.390×108m3，故基流量小于切割基準(zhǔn)線流量為1月份的徑流量3.343×108m3；同理可得，上村站切割基準(zhǔn)線流量值為1.133×108m3，基流量為1月份的徑流量1.097×108m3；唐乃亥站切割基準(zhǔn)線流量值為92.822×108m3，基流量為1月份的徑流量92.176×108m3。同時(shí)依據(jù)所得基流量值，結(jié)合各河流基流量和相對(duì)應(yīng)水文站徑流量計(jì)算出各自基徑比。

上述所得河流計(jì)算結(jié)果匯總見表4。

表4 研究區(qū)水文站流域基流量分割計(jì)算成果表

研究區(qū)地下水資源總量等于區(qū)域內(nèi)流域基流量之和，基于表4基徑比計(jì)算結(jié)果，依據(jù)當(dāng)?shù)厮畡?wù)局所提供研究區(qū)各流域徑流量多年觀測(cè)資料平均值，通過基徑比來計(jì)算各流域多年平均基流量值。其中，對(duì)有水文站控制的地區(qū)，即曲什安河區(qū)、大河壩河區(qū)，通過表4實(shí)際所得基徑比進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)沒有水文站控制的地區(qū)，即中鐵溝區(qū)、內(nèi)陸河區(qū)、河卡區(qū)，采用同級(jí)且具有類似水文地質(zhì)條件的河流所得基徑比參與計(jì)算。如中鐵溝河和曲什安河都屬于黃河一級(jí)支流，河流沉積物基本一致，河床周邊圍巖滲透性基本相同，且二者枯水季均受同一區(qū)域地下水補(bǔ)給，因此基徑比可采用曲什安河所得值；內(nèi)陸河區(qū)和河卡區(qū)與大河壩河區(qū)同理。

最終計(jì)算結(jié)果見表5，所得研究區(qū)地下水資源總量為4.318 5×108m3。

表5 研究區(qū)各流域基流量計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié) 論

本文以青海省興海縣為研究區(qū)，研究區(qū)屬于山丘區(qū)，地下水資源量近似等于流域基流量?；趨^(qū)內(nèi)代表性水文站1956-2010期間不同年份間的徑流量數(shù)據(jù)，利用最小枯季法進(jìn)行區(qū)域內(nèi)典型水文站點(diǎn)流域徑流量進(jìn)行切割，得到水文站對(duì)應(yīng)流域切割基準(zhǔn)線，從而得到各流域基流值，并進(jìn)一步計(jì)算出流域?qū)?yīng)基徑比。再結(jié)合各流域徑流量多年觀測(cè)資料平均值，對(duì)流域周邊有水文站點(diǎn)的區(qū)域(曲什安河區(qū)和大河壩河區(qū))用所得的基徑比進(jìn)行多年平均基流量反演計(jì)算，對(duì)沒有水文站點(diǎn)的區(qū)域(中鐵溝區(qū)、內(nèi)陸河區(qū)和河卡區(qū))則采用處于類似水文地質(zhì)背景流域的基徑比進(jìn)行多年平均基流量反演計(jì)算，五大流域基流量之和即為研究區(qū)地下水資源量，最終計(jì)算得到青海省興?？h多年平均地下水資源量為4.318 5×108m3。