劉 巖,李 鵬,李 莎,劉 敏,伊浩然

(1.中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司,河北 邯鄲 056004;2.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)勘查院,河北 邯鄲 056000)

0 引言

邯鄲市是我國(guó)水資源短缺的地區(qū)之一,隨著人口的增長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水的問(wèn)題已成為邯鄲市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)突出問(wèn)題。近年來(lái),邯鄲市多措并舉,減少了對(duì)地下水的開(kāi)采,水生態(tài)修復(fù)初現(xiàn)成效。本文旨在對(duì)邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析得到邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,通過(guò)利用水均衡法對(duì)邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水水位進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)保護(hù)邯鄲市東部平原區(qū)地下水資源,促進(jìn)淺層地下水資源的合理開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)全市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有特別重要的意義。

1 研究區(qū)概況

邯鄲市位于河北省南部,太行山東麓。東接華北平原,西臨太行山。與晉、魯、豫三省接壤。地處北緯北緯36°02′ -36°58′,東經(jīng)114°28′-115°28′之間。全市總面積12 047 km2,下設(shè)18個(gè)縣區(qū)。其中,平原區(qū)位于邯鄲東部,平原區(qū)總面積為7587 km2,占邯鄲總面積的63%。東部平原東連山東、南接河南,北依邢臺(tái)市南部各縣,其間為邯鄲平原區(qū)。包括邯鄲市區(qū)、臨漳、魏縣、大名、館陶、邱縣、成安、廣平、肥鄉(xiāng)、曲周、雞澤的全部及永年、磁縣的部分區(qū)域。平原地勢(shì)一般較為平坦,自西南向東北緩慢傾斜,地面坡度為1/2 500～1/5 000。邯鄲市東部平原區(qū)按形態(tài)特征及成因可劃分為太行山山前沖積洪積傾斜平原和中東部沖積湖積平原。山前平原沿太行山山麓呈條帶狀分布,高程在100～50 m之間。中東部平原地勢(shì)低洼,一般海拔在50 m以下,邱縣宋八町一帶為邯鄲市的最低點(diǎn),海拔32.8 m。

2 東部平原區(qū)水文地質(zhì)條件

邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水含水巖組為:平原區(qū)第四系松散巖類孔隙含水巖組。

本巖組廣泛分布于全市,但主要分布于邯鄲市中東部平原區(qū)。由于成因類型復(fù)雜,巖性變化較大,導(dǎo)致其富水程度有較大差異。沖積、沖洪積類型,主要分布于河床及其兩岸。巖性為砂礫卵石和粘性土;冰湖沉積和冰積類型,系粘土間夾砂礫石層;洪坡積、殘坡積類型,巖性為粉土、粘性土、混雜有角礫、碎石。

由于平原區(qū)咸水體的存在,邯鄲地區(qū)習(xí)慣上把第四系松散巖類孔隙含水巖組劃分為淺層地下水、深層地下水。而淺層地下水多指在開(kāi)采深度多在120～150 m以上,且混合開(kāi)采,各含水層之間水利聯(lián)系較為密切第Ⅰ、Ⅱ含水組;在有咸水區(qū),淺層地下水是指咸水體之上的淺層淡水和微咸水,底板埋深一般30～70 m。

第Ⅰ含水組地下水類型為潛水,含水層主要巖性自西向東由粗砂含礫或中粗砂過(guò)渡為細(xì)砂,底界深度10～40 m,厚度小于10 m。單位涌水量在2.0～5.0 m3/h·m之間。

第Ⅱ含水組地下水類型為承壓水,含水層主要巖性自西向東由粗砂、中砂過(guò)渡為粗中砂,底界深度80～140 m,含水層厚度小于20～30 m。單位涌水量在2.5～5.0 m3/h·m之間。

東部平原根據(jù)地形、地貌及第四系沉積物成因類型和水文地質(zhì)條件,可劃分為三個(gè)水文地質(zhì)區(qū),即:山前沖積洪積平原水文地質(zhì)區(qū)、中部沖積湖積平原水文地質(zhì)區(qū)和東部黃河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)。

3 淺層地下水動(dòng)態(tài)變化特征

邯鄲市東部平原區(qū)地下水埋深變化主要受季節(jié)影響,東部平原區(qū)淺層地下水開(kāi)采主要用于農(nóng)業(yè)灌溉,而農(nóng)作物的需水量又與其生長(zhǎng)周期及季節(jié)有關(guān),冬季時(shí)對(duì)農(nóng)作物灌溉水量少,對(duì)地下水的開(kāi)采少,地下水埋深淺;春秋季節(jié),對(duì)農(nóng)作物的灌溉水量增大,對(duì)地下水的開(kāi)采量增大,地下水埋深深;到了夏季,隨著降水量的增大,農(nóng)業(yè)開(kāi)采量減少,地下水埋深在不同程度上略有回升。

每年9-11月水位下降,這幾月降雨量減少,9-10月,此階段正值農(nóng)民收玉米時(shí)期,地下水開(kāi)采量較小,地下埋深基本不變,而10-11月,農(nóng)民開(kāi)始種植冬小麥,對(duì)農(nóng)作物過(guò)冬進(jìn)行灌溉,淺層地下水開(kāi)采量增大,導(dǎo)致淺層地下水埋深變淺。冬季時(shí)地下埋深較淺,這是由于冬季農(nóng)作物灌溉較少,進(jìn)而對(duì)地下水開(kāi)采量少,到次年2月出現(xiàn)峰值。春季時(shí)地下水水位和小麥等農(nóng)作物的生長(zhǎng)生育期特征有關(guān)。小麥生育期前期是三葉分蘗期,這一期間小麥需要水來(lái)生長(zhǎng)發(fā)育,拔節(jié)孕穗期是小麥生長(zhǎng)發(fā)育最快的時(shí)期,需水量較大,進(jìn)而開(kāi)采地下水使得地下水埋深變深。7-9月為雨季,隨著降雨量的增加,地下水補(bǔ)給較好,地下水埋深進(jìn)而變淺,周而復(fù)始(見(jiàn)圖1)。

圖1 邯鄲市地下水埋深折線圖

邯鄲市東部平原地下水的補(bǔ)給來(lái)源有大氣降水入滲、河流滲漏、灌溉入滲及山前側(cè)向徑流等。

淺層地下水的補(bǔ)給條件較好,地下水接受大氣降水、河流滲漏、灌溉入滲及山前側(cè)向徑流補(bǔ)給。

地下水的排泄主要為人工開(kāi)采,隨著地下水水位的下降,地下水側(cè)向流出和潛水蒸發(fā)已逐漸減少,僅分布于有咸水區(qū)北部地下水位埋深較淺的地段。

邯鄲平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)受氣象、地質(zhì)條件、人類活動(dòng)等多種因素的綜合影響,其中氣象因素及人為因素是最為主要的影響因素。由于降水是平原區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給來(lái)源之一,降水量的時(shí)空分布在一定程度上影響區(qū)域內(nèi)淺層地下水的補(bǔ)給量,而氣象因素周期性的變化使地下水動(dòng)態(tài)也有一定的周期性變化。人為因素主要表現(xiàn)在對(duì)地下水的開(kāi)采以及對(duì)地表水資源的利用上。地下水水位的變化與地下水開(kāi)采量的變化聯(lián)系密切,表現(xiàn)為低水位期與開(kāi)采期基本一致,強(qiáng)開(kāi)采期水位下降明顯。反之,地下水水位較為穩(wěn)定或呈上升趨勢(shì)。

降水量是地下水的主要補(bǔ)給源,但其對(duì)地下水位的影響具有長(zhǎng)期性和滯后性。邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水主要排泄方式為人工開(kāi)采,而地下水開(kāi)采對(duì)地下水位的影響是瞬時(shí)性的,開(kāi)采量增大,淺層地下水位埋深就會(huì)變大,開(kāi)采量減小,淺層地下水水位埋深就變淺。人工開(kāi)采地下水主要用途分為農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水以及生活用水。工業(yè)用水和生活用水取水量大致相同,而農(nóng)業(yè)用水受季節(jié)影響,隨著季節(jié)變化,降水的變化及農(nóng)作物的需水量不同從而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)取水量發(fā)生變化。所以,人工開(kāi)采地下水是邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水水位變化最直接的影響因素。因此,邯鄲市地下水位動(dòng)態(tài)變化的影響因素是多方面的,每一種影響因素都有各自的獨(dú)特性,但是又相互協(xié)調(diào),互相影響。因此,邯鄲市地下水水位的動(dòng)態(tài)變化是多種因素綜合作用的結(jié)果(見(jiàn)圖2)。

圖2 淺層地下水位埋深與降雨量關(guān)系圖

4 淺談水均衡法預(yù)測(cè)淺層地下水位動(dòng)態(tài)

水均衡是指地下水總補(bǔ)給量與總排泄量的均衡關(guān)系。利用水均衡法對(duì)地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè),其原理是根據(jù)地下水量的補(bǔ)排變化預(yù)測(cè)地下水位的升降。水均衡法對(duì)地下水位進(jìn)行預(yù)測(cè),概念清楚,方法簡(jiǎn)便易行,預(yù)測(cè)成果較為可靠。利用水均衡法預(yù)測(cè)邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水位,首先就是確定邯鄲市東部平原區(qū)內(nèi)的補(bǔ)給項(xiàng)與排泄項(xiàng)。

4.1 補(bǔ)給項(xiàng)

4.1.1 降水入滲補(bǔ)給量

降水入滲是邯鄲市東部平原區(qū)最主要的補(bǔ)給來(lái)源,降水主要通過(guò)第四系沉積物均勻下滲進(jìn)入含水層中。降水入滲量由降水入滲系數(shù)和降雨量計(jì)算獲得。

年降水入滲補(bǔ)給量的計(jì)算公式為:

Pr=P·a·F

(1)

式中:Pr為年降水入滲補(bǔ)給量;P為年降水量;a為年降水入滲補(bǔ)給系數(shù);F為計(jì)算區(qū)面積;

降水頻率是指在某界限降水量在一定時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)與該期降水總次數(shù)的百分比。高于(或低于)某界限降水量的頻率總和,就叫做降水保證率。一般把保證率為25%的降水年份作為豐水年,50%保證率的降水年作為平水年,75%保證率的降水年份作為枯水年。通過(guò)不同保證率的降水量來(lái)分析預(yù)測(cè),可計(jì)算出降水入滲量的預(yù)測(cè)值。

4.1.2 河道滲漏補(bǔ)給量

當(dāng)河道水位高于兩岸地下水位時(shí),河水滲漏補(bǔ)給地下水。通過(guò)對(duì)邯鄲平原河道沿河兩岸地下水位變化情況的分析可知,平原河道均屬于河水補(bǔ)給地下水。

4.1.3 渠系滲漏補(bǔ)給量

邯鄲平原區(qū)的渠道同河道一樣,渠水位均高于地下水位,故渠水補(bǔ)給地下水。

4.1.4 山前側(cè)向補(bǔ)給量

山前側(cè)向補(bǔ)給量是指:以地下徑流或河道潛流以水平方向補(bǔ)給平原區(qū)淺層地下水的水量。

邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水排泄量包括潛水蒸發(fā)量、河道排泄量、側(cè)向流出量、湖庫(kù)排泄量、其他排泄量(包括礦坑排水量、基坑降水排水量等)、地下水實(shí)際開(kāi)采量,各項(xiàng)排泄量之和為總排泄量。

4.2 排泄項(xiàng)

4.2.1 潛水蒸發(fā)量

是指潛水(潛水埋深小于4 m時(shí))在毛管力的作用下向上運(yùn)動(dòng),最終以參加陸面蒸散發(fā)形式散逸到大氣中的水份損失量。

4.2.2 河道及湖庫(kù)排泄量

當(dāng)河(湖)水位低于兩岸地下水位時(shí),地下水補(bǔ)給河(湖)水,形成河川基流量。

4.2.3 側(cè)向流出量

指以側(cè)向潛流形式流出計(jì)算區(qū)的地下水量。

4.2.4 淺層地下水開(kāi)采量

指人為排泄量。

總補(bǔ)給量、總排泄量和淺層地下水蓄變量三者之間的均衡關(guān)系為

Q總補(bǔ)-Q總排=ΔW

(2)

淺層地下水蓄變量是指地下水蓄變量的年際變化值。計(jì)算公式為:

△W=(h1-h2)·μ·F

(3)

式中:△W為淺層地下水蓄變量;h1為計(jì)算時(shí)段初的地下水位;h2為計(jì)算時(shí)段末的地下水位;μ為潛水變幅帶給水度;F為計(jì)算面積。

根據(jù)上述公式,推導(dǎo)出2022年?yáng)|部平原區(qū)淺層地下水預(yù)測(cè)水位公式:

h2=h1-△W/μ/F

(4)

式中:△W為淺層地下水蓄變量;h1為計(jì)算時(shí)段初的地下水位;h2為計(jì)算時(shí)段末的地下水位;μ為潛水變幅帶給水度;F為計(jì)算面積。

通過(guò)上述公式計(jì)算得出不同降水保證率下地下水水位預(yù)測(cè)值,得出水位預(yù)測(cè)值范圍,為地下水的合理開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)支持。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)收集邯鄲市東部平原區(qū)水文地質(zhì)資料,整理和歸納出了東部平原區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)條件。

(2)根據(jù)收集的資料,系統(tǒng)分析了邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水水位的變化特征及影響因素等。邯鄲市地下水水位的動(dòng)態(tài)變化是多種因素綜合作用的結(jié)果,降水量是地下水的主要補(bǔ)給源,但其對(duì)地下水位的影響具有長(zhǎng)期性和滯后性,人工開(kāi)采地下水是邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水水位變化最直接的影響因素。

(3)利用水均衡法,過(guò)不同降水保證率計(jì)算地下水預(yù)測(cè)值,簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)邯鄲市東部平原區(qū)淺層地下水位,方法簡(jiǎn)便易行,為地下水的合理開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)提供一定的數(shù)據(jù)支持。