莱芜市边王许水源地地下水资源计算*

盛根来，徐旻天，刘 莉，邢立亭，4

（1.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；2.济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250022；3.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；4.山东省地下水资源与环境工程研究中心，山东 济南 250014）

莱芜市边王许水源地地下水资源计算*

盛根来1，徐旻天2，刘 莉3，邢立亭2，4

（1.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；2.济南大学 资源与环境学院，山东 济南 250022；3.山东省物化探勘查院，山东 济南 250013；4.山东省地下水资源与环境工程研究中心，山东 济南 250014）

地下水资源是淡水资源的重要组成部分，计算研究地下水资源，对实现地下水的可持续利用具有重要意义。通过对研究区的水文地质条件的研究，计算确定水文地质参数，并用均衡方程和外推法对地下水资源进行计算评价得出，边王许水源地孔隙水总补给资源量为11.04×104m3/d，储存资源量为12756×104m3，在现状开采量为7.67×104m3/d的基础上，全区孔隙水可增采3.37×104m3/d。建议建立地下水动态长期观测系统，对水质、水量、水位进行长期监测，涵养水源，为地下水环境保护及地下水资源合理开发利用提供科学依据，以确保水源地发挥最积极的作用。

地下水资源；水文地质参数；外推法；边王许水源地；水资源评价

1 引言

地下水和地表水是人类生存的两大主要水源，随着人类的生产发展，需水量不断增加，由于大部分地表水受到了不同程度的污染破坏，地下水作为我国北方地区生产生活的重要水源，地位日益凸显［1］。然而，地面下沉、岩溶塌陷、矿井突水等环境地质问题频发，威胁着人类的生产安全。因此，地下水资源的评价研究［2-4］，对水资源的可持续利用具有重要意义。国内外学者对地下水水量、水质等已做了许多研究［5-6］，采用水均衡法［7］、数值模拟法［8］、基流分割［9］等方法进行水资源评价［10-11］，本文选用均衡方程和Q-S曲线外推法［12］对莱芜边王许水源地地下水资源量进行评价计算。

2 研究区概况

边王许村隶属山东省莱芜市莱城区寨里镇（图1）。地处鲁中山区莱芜盆地北缘，为山前丘陵区及山前河流冲积平原区、中低山区，地形为北高南低，东高西低。研究区地处暖温带大陆性季风气候区，季节变化明显。历年平均降水量约为657.73mm，降水多集中在6-8月，占全年降雨量的65%。

图1 研究区位置图

研究区地表水属汶河水系，主要河流有汇河及其支流黑龙潭河、白龙潭河及黑龙潭河的支流止凤河等（图2），其中汇河除大旱年份外一般常年流水，黑龙潭河在前、后枯河村以北为季节性河流，春季一般干枯，枯河村以南，因有地下潜流溢出，大多常年流水。本次评价为孔隙水水资源量，地表水对其的补给较重要。

图2 研究区水系分布及测流断面位置图

3 研究区地质及水文地质条件

研究区内地层由老至新分布有太古界（Art）、寒武系（∈）、奥陶系（O）、第三系（E）和第四系（Q）。第四系分布广泛，覆盖于各时代地层之上。第三系全部隐伏于第四系之下，分布于泰安—口镇断裂（又称内弧断裂）以南地区，与下伏地层不整合接触，据钻孔揭露，地层岩性主要为泥岩、页岩、粉砂层、砖红色钙质胶结石灰质砾岩，厚度大于700m。

研究区北缘为莱芜弧形大断裂，由内外弧形断裂组成（图2）。其中外弧断裂构成莱芜凹陷的北边界。受两条弧形断裂控制，寒武系、奥陶系仅在两条弧形断裂间分布，内弧断裂以南仅分布第四系和第三系。

根据地层岩性组合特征、含水介质的赋水状况、地下水在含水层中的运移及储存特征，工作区可划分为以下5个含水岩组：松散岩类孔隙含水岩组、碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组、碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组、块状岩类风化裂隙含水岩组和碎屑岩类风化裂隙含水岩组。其中富水性强，具有工业供水意义的主要含水岩组为松散岩类孔隙含水岩组汇河古河道带孔隙含水亚组和碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组，本文计算的含水岩组主要是孔隙含水岩组，其主要补给来源是大气降水，将“内弧”断裂以南的区域作为本次孔隙水均衡计算区。

研究区地表岩性主要为粉土、中细砂，接受降水入渗补给能力强。除大气降水之外，还有河水渗漏补给以及农田灌溉补给孔隙水。边王许村西的汇河，河床底部岩性为中粗砂夹砾石，渗透性强，白龙潭河旱季渗漏补给孔隙水，黑龙潭河丰水期大量补给地下水。来自勘探区以东的第四系孔隙水由东北部及东部进入研究区，径流补给地下水。区内孔隙水为潜水，地下水流向与地形坡向一致，在汇河一带汇集。孔隙水的主要排泄方式为河流排泄、人工开采排泄和泉水排泄。

4 计算参数的确定

对于单孔稳定流采用裘布依潜水公式（1），根据抽水试验单孔抽水资料（表1）可求得水文地质参数，汇河古河道带以及主流带的导水系数T为508.2～3167.73m2/d，取其算术平均值为1385.94m2/d，在古河道边缘带T值为114.06～1313.8m2/d，取其算术平均值为497.87m2/d。

表1 稳定流法计算T值一览表

对于非稳定流，利用TC8、TC11号孔抽水资料，按照直线图解法，求得各参数见表2。

表2 非稳定流直线图解法求取的参数

利用TC8号孔抽水资料，用直线图解法求得T值，接近单孔稳定流求得的汇河古河道主流带T值的算术平均值。所以，汇河古河道主流带的T值可以选用TC8号孔用直线图解法求得的T值，为1410.5m2/d。

5 水资源计算与评价

5.1 建立均衡方程

计算区地下水的补给来源主要为大气降水入渗补给、河水渗漏补给、地下水径流补给、灌溉回渗补给。地下水的排泄途径主要为人工开采排泄、地下水径流排泄、河流排泄。由此，建立的水均衡方程式为

5.2 均衡计算

5.2.1 补给量

（1）大气降水入渗补给量。

入渗系数α取0.35，入渗面积Fi为94.93×106m2。多年平均降水量为0.65773m（王大下站1960-2012年）。代入可得：Q降=94.93×106×0.35×0.65773÷365=5.9872×104m3/d。

（2）灌溉回渗补给量。

农田灌溉以井灌为主，开采地下水有季节性、分散性的特点。灌溉回渗系数为0.11。用于农田灌溉的地下水开采量为6.9521×104m3/d，则Q灌=6.9521×104×0.11=0.7647×10 m3/d。

（3）地下水径流补给量。

①北部裂隙岩溶水补给量为0.3475×104m3/d。

②地下水径流补给来自东北部及东部，用达西公式（3）计算。

东北部选取郭王石—三官庙—东留一线为计算断面；东部则选取东留—郝家中荣—魏家庄一线。

表3 孔隙水地下径流补给量计算结果

加上裂隙岩溶水通过第四系孔隙水的排泄量，第四系孔隙水地下径流总补给量为Q补给=0.3475×104+2.3236×104=2.6711×104m3/d。

（4）河水渗漏补给量。

根据2013年白龙潭河、黑龙潭河、双龙河以及汇河断面的测流资料，可分别计算出这四个断面全年平均渗漏补给量为0.4399×104m3/d、0.5952×104m3/d、0.0222×104m3/d、0.5597×104m3/d。相加可得到孔隙水地下水总补给量Q补=11.04×104m3/d。

5.2.2 排泄量

（1）地下水开采量。

均衡区内地下水开采主要为生活用水、农田灌溉及小型工厂工业用水，地下水总开采量为7.6705×104m3/d。

（2）地下水径流排泄量。

均衡区西南部，地下水排出区外的方式为地下径流，排泄量用达西公式计算，断面选取周家洼—小埠头南一线，导水系数T=1470.29m2/d，地下水周边径流补给带的周长B=4750m，水力坡度I=0.0016，可得Q径=1.1174×104m3/d。

（3）河流排泄量。

白龙潭河、黑龙潭河、双龙河以及汇河断面平均排泄量分别为0.1659×104m3/d、1.3131×104m3/d、0.4315×104m3/d、0.3638×104m3/d，相加可得研究区河流排泄地下水总量为2.2743×104m3/d。

综合以上人工开采量、地下径流排泄量和河流排泄量的计算结果，各排泄量相加得出孔隙水地下水总排泄量为11.0622×104m3/d。

5.2.3 均衡计算结果

通过计算可得，总补给量为11.04×104m3/d，总排泄量为11.0622×104m3/d。总供应量基本等于总排泄量，表明在计算参数上的选取是合理的，符合研究区的水文地质条件。

5.3 地下水允许开采量计算

根据开采试验法原理，稳定时的抽水流量等于地下水径流补给量，可用其直接评价允许开采量。边王许水源地的开采性抽水试验在枯水期进行，并且在很短时间内就达到稳定，说明该水源地还有增大开采量的潜力。

根据枯水期的抽水试验资料，采用外推法可以确定研究区的地下水允许开采量。边王许地段开采性抽水试验稳定期间，边王许村西井组的TC11抽水井抽水流量为2203.8m3/d，水位降深1.87m，利用该井单井抽水试验稳定时数据建立Q-S曲线方程，作为试验外推和水位预测的依据。

5.3.1 Q-S曲线类型的确定

根据公式（4），将参数（表4）代入计算可得：m=1.3473＜2，因此Q-S曲线为指数型。

表4 计算参数表

5.3.2 Q-S曲线方程

5.3.3 外推出水量

边王许地段TC11号井为潜水含水层，枯水期含水层厚度9.3m，外推水位下降值小于潜水含水层厚度的1/3，即最大外推降深在3m左右，因此将3m作为外推水位降深值，同时也满足最大外推降深最多为1.5S2～2S2的要求，则Q=1384.8×30.7422=3129.7m3/d。

5.3.4 干扰降深的计算

开采井之间的干扰降深可用裘布依潜水稳定井流公式计算：

当抽水试验趋于稳定时，实测到各抽水主井的水位降深包含了在试验条件下的相互影响值，在其它条件不变时，只有TC11号井抽水流量增大，因此，只计算TC11号井对其它抽水井干扰降深的增加值。

抽水流量：Q=3129.7-2203.8=925.9m3/d

水位降深：S=3-1.87=1.13m

H取9.3m，K为TC11号井单井抽水试验计算值，为145.73m2/d，抽水井半径rω=0.213m。干扰降深增加值见表5。

表5 干扰降深增加值

5.3.5 水源地总开采量及抽水主井降深的确定

TC11号井以试验外推出水流量抽水，其余的5眼井以开采性抽水试验稳定时的抽水流量抽水，试验显示总出水量为12170m3/d。此时，抽水主井的稳定水位下降值等于实测水位降深与干扰降深增加值之和（见表6）。由此可知，边王许开水源地可以以12170m3/d总流量抽水，稳定时抽水主井的最大水位降深为4.54m（TC8号井）。

表6 外推出水量与水位降深一览表

6 结论

通过地下水资源计算，孔隙水总补给资源量为11.04×104m3/d，储存资源量为12756×104m3，现状开采量为7.67×104m3/d，全区孔隙水可增采3.37×104m3/d。

（1）合理布置供水井，控制总开采量和单井抽水流量，达到控制水位降深的目的。边王许地段增加开采量不宜超过1.2×104m3/d，单井抽水量以60～80m3/h为宜，抽水主井水位标高不宜低于150m，以防止水位下降过大，形成地下水降落漏斗，影响抽水井正常取水。

（2）区内河水是边王许水源地地下水的重要补给来源之一，也是地下水的主要排泄带，河水与地下水水力联系密切。目前，白龙潭河及双龙河均遭受了不同程度的污染，河水的感观性状指标及某些有害化学成份时有检出，严重影响了地下水质量。因此，必须关停周边小型造纸厂及化工企业，治理“三废”的排放，改善河水的质量。

（3）建议建立地下水资源保护区，在边王许水源地范围内，建立起卫生防护带，严格按照各级保护区的要求，禁止建设污染严重的工矿企业，在补给区周边植树造林，提高植被覆盖度，改善生态环境，涵养水源。

（4）研究区河道内严禁挖砂，特别是汇河河床必须立即停止挖砂，并采取必要的截流增渗措施，保护地下水资源，减少地下水的径流，确保水资源的正常使用。

［1］徐红霞.论《水资源保护法》的立法［J］.法制与社会， 2011（22）： 25-30.

［2］赵琳琳， 肖长来， 陈昌亮.杨家杖子经济开发区地下水资源评价［J］.节水灌溉， 2013（6）： 8-13.

［3］王光明， 梁秀娟， 肖长来.鸡西市地下水资源评价［J］.地下水， 2010，32（2）： 34-36.

［4］唐石山， 徐玲俊.神火工业园备用水源地地下水资源计算与评价［J］.地下水， 2012， 34（5）： 59-61.

［5］孙艳丰.哈尔滨市地下水资源评价与研究［D］.吉林：吉林大学，2014.

［6］Zhu XJ， Li W， Xue LJ， Zhang XM， et al.Application of GMS Modeling for Evaluation on Shallow Groundwater Resources in the Plain Areas of Haihe River Basin［C］//Proceedings of the 4th International Yellow River Forum on Ecological Civilization and River Ethics， Voliv.2010： 123-129.

［7］李晓英， 文钰.水均衡法在区域地下水资源量评价中的应用研究［J］.水资源与水工程学报， 2014， 25（1）： 88-90.

［8］孙从军， 韩振波， 赵振， 等.地下水数值模拟的研究与应用进展［J］.环境工程， 2013， 31（5）：9-17.

［9］王冠， 鲁程鹏， 李姝蕾， 等.五种基流分割方法在长江螺山站的应用对比研究［J］.水资源与水工程学报， 2015， 26（3）：118-123.

［10］王国庆， 刘冬梅.地下水补给量数学模型解析［J］.黑龙江水利科技，2012， 40（3）： 166-167.

［11］孙安帅.基于变值系统理论的水文地质参数分析及地下水资源计算［D］.泰安： 山东农业大学， 2012.

［12］吴兵， 娄鹏， 王超.基于Q-S曲线法预测工作面涌水量［J］.矿业安全与环保， 2014， 41（6）：48-52.

Calculation on Groundwater Resource of the Bianwangxu Water Resources in Laiwu

SHENG Gen-lai1， XU Min-tian2， LIU Li3， XING Li-ting2， 4
（1.Shandong Geological Engineering Investigation Institute， Jinan 250014， Shandong， China； 2.School of Resources and Environment，University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China； 3.Shandong Institute of Geophysical&Geochemical Exploration， Jinan 250013，Shandong， China； 4.Research Center of Groundwater Resources and Environment Engineering， Jinan 250014， Shandong， China）

Groundwater is an important part of freshwater resources.The calculation and research has important significance in the sustainable use of groundwater resources.Through the research of study area hydrogeological conditions， the hydrogeological parameters can be calculated and defined.Using the Equilibrium equation and extrapolation to calculate groundwater resources， total amount of pore water supply resources of Bianwangxu is 11.04×104m3/d and storage resource is 12756×104m3.Situation extraction volume is 7.67×104m3/ d and pore water collected of the region can increase 3.37×104m3/d.Recommend to establish long-term observations of groundwater dynamic systems monitoring the water quality， the amount of water and the water level.These can provide the scientific basis for groundwater environment protection and the rational exploitation of groundwater resources， and then ensure that the water source has great positive effect.

groundwater resources；hydrogeological parameters；extrapolation；Bianwangxu water source；water resources assessment

P641.8

A

1009-3842（2015）06-0005-05

2015-09-07

山东省地下水资源与环境工程研究中心开放基金项目；济南市科技计划项目（201303082）

盛根来（1962-），男，江苏涟水人，研究员，从事岩土工程及地下水勘察技术工作。E-mail： sky405686@163.com