衡水市区深层地下水资源构成分析

程双虎，李明良，许　健，张晓烨

(1.河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031；2.河北地质大学，河北 石家庄 050031)



衡水市区深层地下水资源构成分析

程双虎1，李明良1，许健2，张晓烨1

(1.河北省水文水资源勘测局，河北 石家庄 050031；2.河北地质大学，河北 石家庄 050031)

衡水市区深层地下水严重超采，引起一系列环境地质问题。基于地下水均衡理论，建立地下水均衡模型，确定浅层地下水对深层地下水越流补给量，提出深层地下水开采资源的资源构成，为合理开采深层地下水资源，保护地质生态环境，完善地下水压采方案提供了科学依据。

水均衡；水资源构成；深层地下水

衡水市地处河北平原水资源十分缺乏的中东部，该区地下水通常划分为浅层地下水和深层地下水，浅层地下水主要是咸水，深层地下水就成为地下水主要开采层。由于深层地下水的严重超采，使得地下水头大幅度下降，成为冀枣衡的地下水漏斗的主体。由此引起了地面沉降、咸淡水界面下移等一系列环境地质问题。已经引起国家和各级政府的高度关注，成为地下水压采的试点区。本文试图利用地下水均衡方法，确定深层地下水开采资源的构成，为深层地下水资源的合理开发，地质生态环境保护提供科学依据。

由于深浅含水层之间咸水体的存在，深浅含水层之间的水量交换——越流补给量的确定，成为分析深层地下水资源构成的关键问题。深浅含水层发生越流是在第I含水组和第II含水组之间进行，目前深层水开采层主要在第III含水组，已知深层地下水的水头也主要是第III含水组，第II含水组的水头处在什么位置不易确定。所以本文试图通过深浅层已有资料确定其补给量和排泄量，最终利用水均衡原理来求取深浅层地下水越流量，提出该地区深层地下水开采资源的构成。

图1　桃城区与均衡区范围

1　地下水均衡区和均衡期

为了研究深层地下水资源的资源构成，本文按照地下水均衡的理论，来分析深层水各项补给量占开采资源的比例。依据研究区地质、水文地质条件，结合已掌握的地下水动态资料，选择衡水市区(桃城区)作为地下水均衡计算的均衡区，为了便于计算侧向径流量，将均衡区边界形状进行了适当调整，修正后的均衡区面积591.25 km2，与桃城区面积(591 km2)基本相同(图1)。地下水均衡计算的均衡期选择2010年12月31日-2013年12月31日。

2　水文地质概念模型及地下水均衡模型

2.1水文地质概念模型

根据均衡区水文地质条件，将均衡区第四系含水层在垂向上分为浅层地下水(第I含水组)均衡单元和深层地下水(第II、III、IV含水组)均衡单元两部分，二者之间有一较为稳定的粘土、亚粘土组成的弱透水层隔开，在一定水头压力下，地下水以越流的形式发生水力联系。

浅层地下水均衡单元，均衡区上边界为包气带，包气带岩性一般为粉质粘土和粉土，概化为垂向渗透边界，接受大气降水、河流、渠道、地表水体、地表水灌溉、井灌回归补给，以人工开采和潜水蒸发的形式排泄；下边界以第I含水组底界为界，概化为垂向弱渗透边界，与下伏的深层地下水以越流形式交换水量；据水文地质条件和编制的地下水等水位线图，将侧向边界概化为流量边界，按其地下水流向处理为侧向补给边界或侧向排泄边界。

深层地下水均衡单元：均衡区上边界以第II含水组顶界为界；概化为弱透水边界，与上伏浅层地下水以越流形式交换水量；下边界为垂向隔水边界，侧向边界与浅层地下水一样，依据水文地质条件和地下水等水位线图，确定为侧向补给边界或排泄边界。

2.2地下水水均衡模型

据上述水文地质概念模型，建立如下均衡模型：

1)浅层地下水均衡模型：

∑Q浅补-∑Q浅排=Q储变

式中：∑Q浅补为浅层地下水总的补给量(m3/a)；∑Q浅排为浅层地下水总的排泄量(m3/a)；Q储变为浅层地下水总的储变量(m3/a)；

其中：浅层地下水补给量主要包括大气降水渗入补给量(Q降)，河流渗入补给量(Q河)，渠道渗漏补给量(Q渠)，地表水体渗漏补给量(Q水体)，渠灌田间入渗补给量(Q渠灌)，井灌回归补给量(Q井灌)，侧向径流补给量(Q侧补)，以及深层地下水对浅层地下水的越流补给量(Q越补)。

浅层地下水的排泄量主要包括浅层地下水开采量(Q采)，浅层地下水蒸发量(Q蒸)，浅层地下水向深层地下水的越流排泄量(Q越排)，侧向径流排泄量(Q侧排)。

浅层地下水的储变量(Q储变)可用下式表示：

Q储变=Δh×μ×F

式中：△h为均衡时段内地下水水位变幅(m)；μ为均衡时段内地下水变幅带给水度；F为均衡区面积(km2)。

2)深层承压水均衡模型

根据水均衡原理，其模型为：

∑Q深补-∑Q深排=∑Q蓄变

式中：∑Q深补为深层地下水总的补给量(m3/a)；∑Q深排为深层地下水总的排泄量(m3/a)；∑Q蓄变为深层地下水总的蓄变量(m3/a)；

式中：Δh为计算时间段内水位年平均变化量(m)；μ*为深层承压含水层贮水系数；F为深层水计算面积(m2)；S为计算时间段内年平均地面沉降量(m)；C粘释为粘性土释水占地面沉降量的比例系数。

3　地下水资源均衡分析

3.1浅层地下水分析

本文依据研究区气象水文条件、水文地质条件、地下水流场和地下水动态特征等资料，分别计算了浅层地下水的补给量(包括大气降水渗入补给量、河流渗漏补给量、渠道渗入补给量、渠灌回渗补给量、井灌回渗补给量、地表水体入渗量、以及侧向径流补给量)、排泄量(包括潜水蒸发量、侧向径流排泄量、以及人工开采量)、以及浅层地下水储变量，将其列入表1中。

浅层地下水的越流补给量，在均衡区内浅层地下水位均高于深层地下水水头，故越流补给量为零。而浅层地下水对深层地下水的排泄量，因第II含水组的地下水水头没有监测资料，不能直接利用越流公式求出，作为我们均衡计算的待求项。

表1　浅层地下水均衡计算结果表

由浅层地下水均衡计算结果(表1)可以看出，浅层地下水总补给量为9 404.82×104m3/a。主要补给项是大气降水入渗补给，占总补给量的71%。其次是灌溉(井灌、渠灌)回归水和河道渗漏，分别占总补给量的12%和11%。浅层地下水排泄量(越流排泄除外)为4 286.87×104m3/a，主要是地下水的人工开采、潜水蒸发、以及侧向径流排泄。依据浅层地下水水位，求得均衡期内地下水储变量为478.01×104m3/a。为此利用总均衡方程，可求得均衡区浅层地下水以越流的形式向深层地下水排泄4 639.94×104m3/a。这样浅层地下水总排泄量为8 926.81×104m3/a，其中越流排泄量占总排泄量的52%，其次是潜水蒸发和人工开采，分别占总排泄量的36%和11%。

3.2深层水资源均衡分析

依据研究区水文地质条件、地下水流场、地下水动态特征等资料，分别计算了深层地下水侧向径流补给量、侧向径流排泄量、以及深层地下水弹性储变量。利用地面沉降监测标监测资料计算了粘性土压密释水量，将其列入表2中。

关于深层地下水的越流补给量，实际上，浅层地下水的越流排泄量就是深层地下水越流补给量。为了相互验证二者之间的一致性，也利用深层地下水的均衡方法，来求深层地下水的越流补给量。

表2　深层水均衡计算结果表

*注：越流补给量是由均衡方程求出。

由深层地下水均衡计算结果(表2)可知，深层地下水总排泄量为9 618.12×104m3/a，深层水侧向补给量为2 231.96×104m3/a，深层水蓄变量为2 633.94×104m3/a，由此可求得越流补给项为4 752.22×104m3/a。

浅层含水层均衡计算所求浅层水向深层水越流排泄量为4 639.94×104m3/a，深层含水层均衡计算所得深层水从浅层水获得越流补给量为4 752.22×104m3/a，二者之差112.28×104m3/a，占浅层水总补给量的1.19%，占深层水总排泄量的1.17%。其相对误差很小，满足精度要求。

4　结语

根据上面的地下水均衡分析，均衡期内均衡区深层地下水年平均开采量为9 548.87×104m3/a，占深层水总排泄量的99.28%。若将侧向补给量和侧向排泄量合并计算，侧向补给量为2 162.68×104m3/a，占开采资源的22.65%；浅层对深层的越流补给量为4 696.08×104m3/a(深浅层地下水均衡求得越流量平均值)，占开采资源的49.18%；粘性土释水量占开采资源的24.41%；弹性储存量占开采资源的3.18%。

从上面分析结果可以看出，衡水市区(桃城区)地下水开采资源占分额最大的是浅层水的越流补给；侧向补给量次之，但与整个区域相比，桃城区侧向补给量占开采资源的份额比区域上较大，这是由于桃城区处在衡水市深层地下水水位降落漏斗中心，边界水力坡度较大所致。上述分析结果，可作为该区深层地下水压采规划的依据。

[1]张宗祜，沈照理，薛禹群，等.华北平原地下水环境演化.地质出版社.2000.

[2]许广明，刘立军，费宇红，等.华北平原地下水调蓄研究.资源科学.2009，NO.9.

[3]张兆吉，费宇红，陈宗宇，等.华北平原地下水可持续利用调查评价.地质出版社.2009.

[4]陈望和.河北地下水.地震出版社.1999.

2016-05-03

河北省地下水超采综合治理试点项目地下水业务支持系统；河北省研究生创新资助项目(1007704)

程双虎(1963-)，男，河北辛集人，正高级工程师，主要从事水文水资源方面研究。

许健(1989-)，男，安徽安庆人，在读硕士研究生，主攻方向：地下水资源。

P641.8

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1004-1184(2016)05-0032-02