百泉岩溶水系统回补可行性分析

刘 超，陈 娟

(1.河北邢台水文水资源勘测局，河北 邢台054000;2.邢台襄禹水利勘测设计有限公司，河北 邢台054000)

1 百泉岩溶水系统概况

百泉岩溶水系统是一个基本独立，多输入，多输出，受构造、岩溶发育规律所控制运移的，含水层为非均质各向异性的复合地下水系统。百泉泉域范围包括邢台市、内丘县、邢台县、沙河市及邯郸武安市的部分地区，总面积3 843 km2。百泉岩溶水在径流过程中呈断块径流模式，岩溶水从一个富水断块的主要富水层位通过构造交汇地段，或岩浆接触带，汇水凹槽或廊道，转入下一个断块上部富水层位，按此模式穿越各个断块区;沿途接受侧向补给，直至排泄区，进行浅循环强径流，从而保持了从补给到排泄过程中的现代低矿化淡水特征，百泉岩溶水系统各含水层组、段之间的水力联系，在简单断块区内具有分层特征，即各层具有自身的补、径、排条件和水化学及同位素特等特征，自成水动力系统。由于现代岩溶网络贯通，地质构造和岩浆岩接触带，甚至钻孔导通，造成复杂的构造区，其含水层之间具有越流补给特征。

2 百泉岩溶水地下水库库容

百泉岩溶水系统碳酸盐岩裂隙岩溶含水层分布面积达1 638.6 km2，其中裸露灰岩区面积 338.6 km2，隐伏岩 1 300 km2，具有巨厚层的含水层，而且裂隙岩溶较为发育，在岩溶水承压区，含水层岩溶、裂隙率一般为2.43%、2.57%，在岩溶水潜水区，含水层给水度一般为3%～7%。

岩溶水系统可回灌地下库容:是指在目前系统开采状况下，枯水期水位以上，百泉溢出点以下，这一岩溶水水位变动带内岩溶水系统可供利用的储水控件的体积(Vg)，即ΔW=μF·ΔH

式中:ΔW为可回灌地下库容(亿m3);μF为水位升降1 m，岩溶水储存量的变化量(m3/m)，取《邢台市水工环综合评价报告》结果，μF=6 982 957;ΔH为岩溶水水位年变幅(m)，因2009年6月百泉水位27.7 m基本代表近年的低水位水平，排泄区枯水期岩溶水水位埋深已低于百泉泉群自流溢出临界面36.3 m，因此，ΔH按36.3 m取值。经计算需补充水量即可调蓄地下库容为25 337万 m3。

这一巨大的地下水库容，受边界条件的限制，构成了一个基本独立的完整库，是一个易于补给、能够贮存、便于开采、调节能力极强的天然地下水库，其中包括库容达1.766 7亿m3的可回灌地下库容。

3 补给水源分析

百泉岩溶水系统西部自北而南分布的河流有小马河、白马河、七里河、马会河、沙河及北洺河、上世纪七、八十年代，农业兴修水利，在这些河流上游灰岩裸露区以上先后修建了规模不等的水库，及马河水库、羊卧水库、东川口水库、野沟门水库、朱庄水库、东石岭水库、峡沟水库及口上水库，总库容6.015亿 m3，其中朱庄水库最大，控制流域面积1 220 km2，库容4.162亿 m3，占八座水库总库容的69%，弃水量亦最大，多年平均(1989～2008)弃水量6 247万亿 m3，最大弃水量57 164万 m3，(1996年)。

朱庄水库做为多年调节水库，其上游路罗川、将军墓川等为太行山迎风坡径流高值区，具有较为充沛的地表水资源，而朱庄水库更兼有距岩溶水集中开采区的邢台市最近及其下游河道(沙河)最长，河谷面宽阔等得天独厚的自然地理条件，为百泉岩溶水系统开展人工回灌的地表水资源具备了良好条件。

3.1 朱庄水库调节计算

3.1.1 水库来水量分析

经调查，水库仅用于沿河两岸的农业灌溉用水以及下游的引水工程用水。2000年以前的系列还原采用《邢台市水资源评价》中的有关两个水库的还原资料。2001～2007年的两水库上、下游农业灌溉用水，采用沙河市、邢台县水务部门的统计资料，引朱济邢的引水量采用朱庄水库的统计资料。

系列还原依据公式为:

式中:W出为计算时段水库实测的出库径流量;ΔW为计算时段水库蓄水变量;W引为计算时段水库引水量;

对野沟门、朱庄两水库年来水量系列进行水文统计计算，计算成果见表1。

表1 野沟门水库、朱庄水库来水量特征值成果表

3.1.2 利用量分析

朱庄水库主要供农业灌溉用水，兼有发电功能。从供水安全角度考虑，采用了近26年的实际农业用水量资料进行统计分析，确定出保证率25%、50%、75%条件下的农业灌溉典型年分别为2004、2006、1992年的实际用水量，作为多年调节计算时的农业需水量。

对朱庄水库来水量进行频率计算，选出1953～2007年相应保证率为25%、50%、75%的年份，得到不同保证率年份各月农业用水量。朱庄水库不同保证率年份(日历年)的各月灌区需水量详见表2。

表2 朱庄水库下游灌区不同保证率用水量计算表 万m3

3.1.3 生态需水量

水库下游生态用水量主要是邢台市七里河生态用水，规划水平年的生态用水约300万m3。

3.2 弃水量(水库兴利调节计算)

3.2.1 水库调节计算

依据水量平衡原理，进行调节计算。其水量平衡方程如下:

式中:ΔV为计算时段Δt内水库的蓄水变量，蓄为正，泄为负;W入为计算时段Δt内的入库水量，即水库来水量;W供为计算时段Δt内的供水量;W损为库区蒸发、渗漏损失水量;W弃为水库弃水量。

上式中的W损为水库蒸发、渗漏损失水量，首先由于系列还原时不包含水库的蒸发、渗漏损失量，其次根据水资源评价规范，该两项在洪水中占的比重很小，可忽略不计，因此水量调节计算的水量平衡方程简化如下:

3.2.2 弃水分析

朱庄水库为多年调节水库，水库是否弃水的主要因素是上游来水，但不是决定因素。因此对野沟门、朱庄水库来水按长系列操作法逐月调节两水库水量，根据不同年份来水进行频率计算，确定不同来水保证率典型年来水量、弃水量。

4 补给区的确定

朱庄川自朱庄水库坝下向东至朱庄村南转而向南，于西坚固与渡口川汇合，向东河道渐宽，西坚固～中坚固段，河宽1 750～2 000 m中坚固～东坚固段，河宽2 000～2 300 m，东坚固至喉咽段河宽2 300～2 500 m，现将河道渗漏条件分段分析如下:

4.1 朱庄坝下—朱庄村南段

该段河道松散沉积物为砂砾卵石层，因河道基底及两岸为长城系石英砂岩，该段不具备对岩溶水的渗漏补给条件。

4.2 朱庄村南—西坚固河段

该段河宽1 500 m，现代河床位于近东岸，河道松散沉积物于东部最厚达33.6 m，上部为砂砾卵石层，厚22.65 m。下部为粘土夹碎石层，厚11.05 m，近东岸变薄，河道西部均为砾卵石层，最厚26.2 m，下伏基岩于河道中部发育朱庄逆断层，西盘岩性为长城系石英砂岩，层理水平，为隔水层，断层东盘为上寒武泥灰岩，加之上覆2～11.05 m的粘土央碎石层，故河床垂向上渗漏条件一般，仅东岸岸边为砾卵石含水层与下奥陶统白云含水层直接接触，具有岸边侧向渗漏补给条件。

4.3 西坚固—喉咽村河段

西坚固村南沙河河道第四系堆积物以砂砾卵石为主，且底部砾石较多，厚度15～22m，透水性好，与下伏奥陶系白云岩含水层直接接触，第四系盖层下伏一条近东西向展布的断裂，两盘岩性均为下奥陶统白云岩。

沙河隐伏基底发育的近东西向断裂，两盘下奥陶统白云岩殊为断裂破碎带范围内裂隙岩溶相对更为发育，也为河水渗漏补给岩溶水创造了良好条件。

4.4 喉咽村以下—端庄河段

出露于喉咽村东至邢都公路西中生代燕山期闪长岩，主要成份为斜长石、石英、角闪石，地表岩层为强风化。该段为太行山山前倾斜平原区，第四系上更新统冲积层亚粘土、亚砂土，其状为灰黄色、褐黄色、湿、可塑。中、细砂层其状为灰白色、灰黄色，主要成份为石英砂岩，少量火成岩、变质岩。分布于河床漫滩的第四系全新统冲积层的亚粘土、亚砂土，其状灰黄色、湿，可塑，植物根系发育。该段河水仅对第四系孔隙水形成补给，不具备对岩溶水的渗漏补给条件。

综上分析，可以确定朱庄村南南北向河道段及佐村至喉口冈沙河河道段是地表水回灌渗漏补给岩溶地下水的有利地段。

5 回灌补给地下水研究

根据水文地质条件，回灌段选定在朱庄水库一固坊桥间。弃水自朱庄水库坝下起，经朱庄川至马峪沟，进入南北向河道渗漏段，流经金牛洞桥，转而向东，进入沙河河道，流经西坚固、中坚固、喉咽、固坊桥河床，伍仲村南、京广铁路向东进入东部平原区。根据对朱庄水库至下游金牛洞桥段漏水量调查和监测，当朱庄水库弃水小于2.5 m3/s时，金牛洞桥断面基本没有水，因此，回灌补给试验在朱庄水库弃水流量大于2.5 m3/s的条件下进行。

5.1 河段弃水渗漏特征

观测期间，对区间内农业用水量、生活用水及其他用水进行了调查，对区间水面蒸发量及侵润损失量进行了估算。

回灌试验测试结果表明，河段入渗强度朱庄—金牛洞段平均1.7 m3/s，金牛洞一固坊桥段2.0 m3/s;单位入渗强度朱庄一金牛洞段平均0.50 m3/s·km，金牛洞—固坊桥段0.16 m3/s·km;河段渗漏量及渗补强度与总弃水量及弃水延续时间成正比关系。但这种关系不是恒定的，随着渗漏时间的无限延长，河段渗漏系数及渗漏补给量趋于一个定值。

5.2 朱庄弃水对岩溶水渗漏补给量的计算

由地质、水文地质条件可知，朱庄至固坊桥段的河床总渗漏为渗漏补给第四系孔隙水(W孔补)与岩溶水(W岩补)之和。

5.2.1 第四系孔隙水渗漏补给量

式中:W第四系补为弃水补给第四系孔隙水量，万 m3;K为第四系孔隙水砂砾卵石层的渗透系数，用伍仲村抽水资料故K=35.4 m/d;Ⅰ为第四系孔隙水水力坡度，用地表径流水力梯度取Ⅰ=0.001 25 m/m;A为河床第四系孔隙水含水层平均过水断面面积，1990年和1991年断面宽2 000 m，含水层平均厚度20 m，则 A=4.0万 m2;2007年和2008年断面宽1 500 m，含水层平均厚度20 m则 A=3.0万 m2;Δt为地表径流延续时间(d);

经计算1990年弃水补给第四系孔隙水量12.7万 m3、1991 年 11.9 万 m3，2007 年 6.4 万 m3，2008 年 1.9 万 m3。

5.2.2 弃水对岩溶水渗漏补给

依据水量平衡原理，弃水对岩溶水的补给量等于总渗漏量减去对第四系补给量。即，W岩补=W总渗-W孔补

式中:β为弃水对岩溶水的渗漏补给系数。

计算结果详见弃水对岩溶水渗漏补给计算表3。

表3 弃水对岩溶水渗漏补给计算 万m3

数据表明证明岩溶水渗漏补给量与朱庄水库放水量、放水时间成正比关系，即放水量越大，放水时间越长，对岩溶水的渗补量越大。1990年弃水渗补系数0.475，1991年弃水渗漏补给系数0.473，2007年弃水渗补系数 0.689，2008年弃水渗漏补给系数0.724。渗补系数(β)与弃水流量(一定值后)成反比，即随着弃水流量(大于4.8m3/s)的增加渗补系数减小。

分析其原因一是固坊桥以下全部补给第四系孔隙水;二是流量加大，上游河段面积增加对第四系孔隙水的补给增加;三是水面蒸发量等因素引起耗水量增加原因。

通过试验资料分析可知，当朱庄水库放水量8.0 m3/s时，弃水渗补系数为 0.473～0.475，平均补给系数 0.474;当朱庄水库放水量4～6 m3/s时，弃水入渗补系数为0.689～0.724，平均补给系数 0.707，较放水量 8.0 m3/s时弃水入渗补系数提高49.2%。在朱庄水库放水量4～6 m3/s时，朱庄水库至喉口冈村的两个强渗漏段，即朱庄村南一西坚固河段、西坚固一喉咽村河段全部过水，且在固坊桥断面以上全部漏失，渗漏强度接近最大值。

参考水库运用调度方案，分析认为:朱庄水库放水量4～6 m3/s时，对岩溶水的补给渗漏强度接近最大值，弃水入渗补系数接近最大值。如果与人工回灌相配套，建设合理的回灌工程如滚水坝、梯级拦水坝等，充分发挥人为控制功能，延长渗漏补给时间，增大渗水周界，扩大渗漏补给面积，则回灌渗补系数将更大，可能比未修水库的天然条件下河流渗漏强度更大。

5.2.3 弃水对岩溶水水位影响

2007年—2008年弃水试验过程中，选取董村水源地、紫金泉水源地和百泉观测孔进行水位对比观测可知，1-2月由于开采量相对处于较小时期，水位呈回升，3月以后随着农业用水的增加，水位开始下降，4月6日开始弃水，采补基本达到平衡，5月一11月地下水水位趋平，12月弃水停止，水位开始下降。2008年5月弃水开始，7月地下水水位停止下降，随着汛期降雨补给和农业用水减少，水位开始缓慢回升。以上表明，朱庄水库弃水补给市区岩溶水关系明显。

6 结语

本文针对百泉岩溶水系统现状，分析了百泉岩溶水系统回补的合理有效性，为充分发挥本区地表水资源充沛，岩溶水系统地下库容巨大调节能力强的优势，达到以库补岩溶水，以丰补欠安全供水提供决策参考，具有很好的实用价值，有待于进一步深入研究。

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