西官井灌区地下水资源计算

李艳梅

（辽宁省北票市水资源办公室，辽宁 北票 122100）

西官井灌区地处干旱、半干旱低山丘陵区，镶嵌在山间河谷两岸，呈条带状展布，主要依赖浅层地下水灌溉。由于山丘区降水量小，地下水补给量少，含水层厚度分布不均匀，造成地下水在空间和时间上分布不均匀，所以合理计算地下水资源是规划发展井灌区的首要任务，是确保最佳灌溉面积，合理开发利用地下水的重要依据。

1 低山丘陵区地下水形成的一般规律

低山丘陵区地下水的形成主要是大气降雨通过地表入渗形成地下水。

西官井灌区上游为裸露基岩山区，海拔高度800～1000 m，分布面积大，地形坡度陡，岩石差异性大，第四纪覆盖层较薄，山坡植被不发育，但构造裂缝与风化裂缝发育较好。大气降雨后，大部分降水以地表径流排出区外，一部分沿裂隙入渗形成地下水。基岩山区入渗能力虽然微弱，但能形成大面积的补给区，丰水季节以泉的形式补给河谷。

该区地层上部多为亚砂土、下部为砂、砾、卵石层，孔隙较大，入渗能力强，垂直方向易接受大气降雨的入渗补给，水平方向上接受山区、山前扇裙地下水的补给，该区是地下水的富集区，也是地下水的排泄区。因山区河谷地形比降较大，并有较好的透水层，致使径流条件好，在水平方向上易向河谷下游排泄，在垂直方向上强烈的蒸发蒸腾作用也比较明显。

2 含水层边界的确定

丘陵山区的河谷平地发育在山间河谷两侧，呈条带状展布。两岸阶地极不对称，一二级阶地面宽窄不均，致使含水层差异性很大，因此确定含水层边界，是搞好地下水资源计算的关键，实践中采用3种方法确定含水层的边界。

1）水文地质测绘法。在西官井灌区分两步进行：第一步搜集现有水文、气象、水文地质、钻孔、民井、机井、挖渠等资料，对井灌区内地形、地貌、水文地质、构造、岩性作初步了解。第二步在已有资料的基础上进行水文地质详查，为了满足井灌区地下水资源计算，测绘比例尺选用1∶10000。按规范要求进行布置勘探线、勘探点。在西官井灌区进行水文地质测绘30 km2。调查水文地质点36个，水准点测绘30 km，水准测量井口水位标高22个，水质分析成果3个。通过水文地质测绘，查明了区内各类含水层的赋存条件和地下水的形成、分布规律、地下水的水质与水量。查明了地下水区域地质构造及地貌之间依存关系和与地表水之间的互相联系，查明了第四纪地层时代、成因类型、岩性特征、厚度及分布规律，在1∶10000地形图上勾绘出水文地质图，即含水层边界的界限。

2）为了弄清含水层垂向与水平方向的变化，查明第四纪覆盖层纵向及水平方向的厚度，查明古河道，有效地圈出含水层边界。结合工作区地质、水文地质情况进行纵横电测深物探剖面测量。西官井灌区布横剖面4条，纵剖面2条，测点74个。查明了河谷纵向起伏，横向含水层厚度，为地下水资源计算分区打下基础。

3）为了验证水文地质测绘和物探剖面测量，进行必要的水文地质钻探，在所测物探点上打了两个地质孔和两个水文地质孔，主要用以确定含水层和含水构造的位置、厚度及埋藏深度。查明了含水层的空隙性及含水层之间的地下水的水利联系，确定西官井灌区含水层边界为10.88 km2，可布井面积 9.008 km2。

3 地下水资源计算与评价

地下水资源计算与评价是为发展井灌区提供科学依据，保证最佳灌溉面积，满足农田灌溉用水需要，使地下水资源得到合理开发与利用。

井灌区地下水资源计算，首先按地下水形成的一般规律，确定含水层边界，依据地貌单元含水层厚度，地下水量的大小进行水文地质分区。西官井灌区分为两个水文地质区：北河套以上为一区，小三家为二区。

3.1 参数计算

含水层的渗透系数、给水度、储水系数，以及它们组合的传导或导压系数和影响半径等统称为水文地质参数。它们是计算补给量、储存量和开采量不可缺少的数据，所以正确计算这些参数，是完成水资源计算与评价的重要环节。

西官井灌区为求得水文地质参数，在一区和二区新打两个水文地质孔。一号孔第四纪深32 m，含水层厚度14 m；二号孔第四纪深10 m，含水层厚度5.53 m。分别进行稳定流和非稳定流抽水实验，抽水时间35 h，水位恢复10 h时。为求得水文地质参数，一号孔布测观孔4个，二号孔布测观孔3个，抽水实验资料见表1。

表1 西官井灌区单井抽水实验统计表

1）稳定流参数计算

利用一个观测孔公式：

式中：K——渗透系数，m/d；Q——抽水孔流量，m3/d；r1，r2——抽水井到观测孔的距离，m；S1，S2——观测孔降深，m；M——含水层厚度，m；R——影响半径，m；rw——抽水井半径，m；SW——抽水孔降深，m；H——静止水位高度，m。

计算结果：K1=94 m/d，K2=158 m/d；R1=282 m，R2=224 m。

2）非稳定流参数计算

根据抽水试验资料，采用了两种计算方法

①降深—时间配线法：

公式：T=0.08Q/S·W（U）；a=r2/4T·W（U）1/U；S=T/a

②直线图解法：

公式：T=0.183Q/△S；a=r2/2.25t0；S=T/a

式中：T——导水系数，m2/d；W（U）1/U——标准曲线数值；r——观测孔到抽水孔的距离，m；Q——抽水孔涌水量，m3/d；a——导压系数，m3/d；S——储水系数。其计算结果见表2。

表2 非稳定流参数计算结果

3.2 地下水资源计算

3.2.1 井灌区地下水补给量计算

西官井灌区地下水补给量计算，采用降雨入渗系数法。断面过水流入量，分别对井灌区垂向、横向、侧向地下水补给量进行计算，而后用基流分割法对补给量进行验证。

计算公式：垂向 Q=F·W·α

式中：F——补给区面积，m2，基岩山区与坡地区用求积仪在1∶50000地形图上求得，河谷区在1∶10000地形图上求得；W——山嘴雨量站P=50%频率的年降雨量；α——降雨入渗系数，中微裂隙岩层入渗系数取0.11，粗砂入渗系数取0.2。计算结果见表3。

表3 灌区降雨入渗补给量计算表

从表3中可以看出基岩山区与坡地区降雨入渗补给量，不能全部渗入河谷。因灌区河谷两岸阶地极不均匀，无法计算侧向补给量。故把山前和基岩山区的降雨入渗补给量的50%作为河谷区的侧向补给量。

灌区横向补给量，以山嘴的物探水文地质剖面为依据进行计算的，断面面积分段以不同的几何图形计算；水利坡度i用三角形法实测求得，K值取此次抽水实验资料。

计算公式：Qx=KiW

为了验证井灌区地下水补给量，应用P=50%频率的河川基流量进行对比。Q基=91.45×4.045=370（万m3/a）；Q补=Q基。

计算结果相近似，证明井灌区地下水补给量与河川基流量均衡。

3.2.2 井灌区储存量的计算

储存量计算按确定的含水层边界和钻孔水文地质资料及抽水实验资料用求积仪在1∶10000水文地质图上求得含水层面积F，利用物探断面求出含水层平均厚度H，给水系数U取自非稳定流抽水实验资料。

计算公式：Q储=FHU

式中：F——含水层分布面积，m2；H——含水层平均厚度，m；U——给水系数。结果见表4。

表4 井灌区储存量计算结果

3.2.3 可开采量计算

1）均布井法计算开采量

首先在井灌区内用均布井法计算井数，然后用稳定流抽水实验求得的参数计算出区内开采量公式：

式中：n——可布井数，眼；F——可布井面积，m2；R——影响半径，m。

年开采储量按每年开泵120 d，每天12 h计算的量为年开采储量，结果见5。

2）开采强度法计算开采量

根据非稳定流抽水实验确定的参数，利用开采强度法，计算评价开采量。首先把两个水文地质区概化为两个矩形区。把均布井法计算的总开采量，看成均匀分布在矩形开采面积上。化成开采强度，即单位面积上的开采量，再利用开采强度和水位之间的变化规律，判断、评价设计开采量的中心水位降深和边部水位降深是否超过允许水位降深，如没超过，开采量为合理。否则应调整井数和各井涌水量。

开采强度公式：ε=Q/FT

式中：ε——开采强度，m/d；F——区域内含水层分布面积，取4.242×106m2；Q——区域内按抽水时间计算的开采量，m2；T——实际抽水时间，h，取35 h=1.45833 d。

利用中心水位降公式计算中心水位降公式：

式中：S——计算区内x=0，y=0时的中心降深，m；t——计算水位降深的时间（年开采时间，自定120 d，每天开泵12 h，合60 d；u——弹性储水系数，取0.0473；S*——水位降深折减系数，取0.35482；l——开采区x轴向长度之半，取1391 m；b——开采区y轴向长度之半，取762.5 m；a——压力传导系数，取35396 m2/d。

为了验证边部降深是否超过中心降深，判断设计开采量是否合理，分别取x=800 m，y=400 m；x=300 m，y=200 m进行验证。公式：

经计算两个边部降深S1=2.40 m，S2=2.76 m。

同理计算二区中心水位降深2.74 m，当x=300 m，y=200 m时边部降深为2.60 m。边部水位降深没有超过中心水位降深，中心水位降深也没有超过抽水实验孔抽水时的降深。证明设计开采量是合理的。

一区设计开采量：Q1=14×80×24×60=161.28（万 m3/a）；二区设计开采量：Q2=24×50×24×60=172.8（万 m3/a）。Q开=Q1+Q2=334.08（万 m3/a）。

3）地下水资源评价

①补给量对开采量满足程度

井灌区开采储量的评价，就是用天然条件下的补给量与设计开采量进行均衡从而看出天然条件下的补给量对开采量的满足程度。经计算：补给量为397万m3/a，开采量为334.04万m3/a，补给量与开采量均衡为62.92万m3/a，补给量与开采量满足程度为118%，说明地下水补给量对开采量是有保证的。

②开采量对灌溉需水量的满足程度

灌溉需水量：井灌区内耕地可灌溉面积793.6 hm2，灌溉定额 5207.1 m3/（hm2·a），人畜用水 25 万 m3，年需水量438万 m3，日需水量 3.65万 m3。

地下水开采储量与灌溉需水量均衡计算：灌期可开采量 334.08 万 m3，灌期（120 d）12 h/d，灌期需水量 438 万m3，可开采量与需水量均衡差-103.92万m3，满足程度76%。

地下水补给量与灌溉需水量均衡计算：地下水天然补给量397万m3，灌期（120 d）12 h/d，灌期需水量438万m3，补给量与需水量均衡差-41万m3，满足程度91%。

从地下水开采储量与地下水补给量对灌溉需水量的满足程度看，地下水补给量与开采储量不能满足需水量的要求。但农业灌溉用水主要集中在枯水季节，这时水位又最低，因而在开采时需动用储存量。根据非稳定流抽水实验数据降深没超过含水层一半。但是地下水补给量小于需水量。长期开采地下水下降漏斗会逐渐扩大加深，形成恶性循环，为此减少灌溉面积152 hm2，这样地下水补给量满足了需水量的要求。

4 结语

1）地下水资源计算与评价是对地下水的经济效益及其实用价值进行分析。计算与论证其内容包括分析水文地质条件，准确圈定含水层边界，划分地下水系统。

2）地下水资源计算，必须进行不同类型的抽水实验，这样求得的参数比较准确，地下水资源计算结果就能精准。

3）地下水资源计算与评价时，如用经验系数，必须采用不同方法进行验证，结果近似方可应用。