无长系列观测资料条件下泉流量的研究

王盼秋，曾 丹，孟凡宇

(山东省淄博市水文局，山东 淄博 255000)



无长系列观测资料条件下泉流量的研究

王盼秋，曾 丹，孟凡宇

(山东省淄博市水文局，山东 淄博 255000)

以响泉、龙洞泉为实例，在无泉流量长系列观测资料的条件下，采用水文地质比拟法，选取合适的比拟对象，通过对二者相关因子的分析对比，得出其相关关系。利用该关系可得泉水的逐月流量曲线及最小流量，依据布西涅斯克方程互相验证后，其相对误差在可接受范围内。该方法为特定条件下泉流量的分析计算提供了一定的借鉴。

泉流量；可开采量；水文地质比拟；保证率

泉是地下水的天然露头，在地形面与含水成或含水通道相交点地下水出露成泉[1]。开展对泉水流量的研究，对评价泉域地下水的补径排条件，以及泉水资源量和相关水文地质参数计算都有着显著的价值，尤其是对分析天然泉作为局部水源地的可靠性有着至关重要的意义。泉水流量具有季节性波动[2]和衰减性的特点，以往对泉水流量的研究都是基于这一原理和长系列流量观测资料进行的。本文采用水文地质比拟法，并以响泉、龙洞泉为实例，对无长系列流量观测资料下泉的流量进行探讨，用布西涅斯克方程(泉流量衰减方程)对其进行验证，基此论证其作为供水水源的可靠性。

1 响泉、龙洞泉概况

响泉、龙洞泉位于山东省沂源县田庄水库库区内，两泉相邻200 m，距县城6 km，水质优良，汛期被库水淹没，枯季出露，流量观测资料较少。

1.1 泉域地质条件

田庄水库库区周边泉群位于章丘庄～泉子官庄富水地段，含水层为奥陶系中统马家沟组及奥陶系下统冶里组和亮甲山组石灰岩、白云质灰岩。该富水段位于章丘庄～前坡断层北侧，草埠山断层西侧。地段内断层发育，岩层破碎，裂隙岩溶发育，为地下水的富集提供了良好的储存空间。受草埠山断层、章丘～前坡断层和上五井断裂及地形的综合影响，岩溶地下水接受降水直接入渗和河道渗漏补给后，从西、西南方向朝着地势较低的田庄水库一带汇集，受泉南北两侧隔水断层阻挡，在排泄条件较好的水库南岸及北岸形成响泉、龙洞泉、泉子官庄泉等泉水。

1.2 泉水成因分析

响泉出露处为陡峭山体，上有50 m岸坡为厚层灰岩，结构相对完整，响泉下游约80 m岸坡岩体破碎，裂隙岩溶发育，再往下游为倾向上游的页岩，具有良好的阻水性能(图1)。龙洞泉出露处的南岸为破碎较大的山体，倾向库区，两侧岩石破碎严重，下游约70 m处有较大规模的断层发育，裂隙岩溶发育强烈。再往下游为倾向上游倾角较大的页岩灰岩互层，具有较好的隔水性能(图2)。两泉出露的南北部均有断层，断层两侧为奥陶系与寒武系地层，因此断层相对隔水。奥陶系地下水运移至此遭遇断层阻挡，恰逢库区地势较低排泄条件较好，奥陶系地层出露，地下水位高于地面，溢出形成上升泉。

图1 响泉周边

1.3 泉水动态特征

两泉主要受降水入渗补给，泉水直接补给区面积48.7 km2，间接补给区面积219.3 km2，补给区1980～2009年多年平均降水量710.9 mm。1992年6月11日实测响泉流量4 737 m3/d，龙洞泉5 236 m3/d，两泉合计9 973 m3/d。田庄水库水文站2010年实测两泉流量在1.3～1.5万 m3/d之间，无其他流量观测记录(表1)。

图2 龙洞泉周边

日期响泉流量(m3/d)龙洞泉流量(m3/d)合计流量(m3/d)1992.6.114737523699732010.2.2776007603152032010.3.1963937171135642010.6.127000800015000

2 响泉、龙洞泉流量分析

当地拟以两泉泉水作为城市生活用水水源，以泉作为开采源，需做局部水源地的地下水资源评价，选取评价方法为：按具体需水量来布置不同的取水方案，通过计算对比，根据泉流量保证率曲线评价可开采量选出最佳方案[3]，以满足城市供水95%的保证率标准[4]。

一般在泉观测系列较短情况下，可编制泉流量动态曲线图，收集与泉流量相关的水文、气象等要素，分析他们之间的相互关系。但是两泉历史观测资料极少且不连续，常见的岩溶泉流量预测线性模型和非线性模型都无法进行成功拟合。在基岩山区，有资料可比较时可采用水文地质比拟法进行地下水资源的评价[5]，本文采用水文地质比拟法，选取与该泉地质构造及成因相同、补径排等水文地质条件相近的泉进行比拟分析，山东省临朐县老龙湾泉符合上述条件。

2.1 老龙湾泉基本情况

老龙湾泉位于潍坊市临朐县冶源镇, 直接补给区为上寒武风山组至奥陶系地层的分布区，区内岩溶裂隙发育，渗透能力强。补给区内，岩溶裂隙水在接受垂直或水平方向补给后从补给区向集中排泄点老龙湾泉径流，径流方向由西南流向东北，与地形和岩层倾向大体一致，在泉域北部和东北部分别有阻水边界冶源断裂和宋庄断裂，受到隔水的凝灰岩阻挡上升成老龙湾泉[6]。

按水文年(当年6月～次年5月)对老龙湾泉各月平均流量进行汇总(表2)，资料系列采用1975～2009年(2002、2003年停测)，其多年平均流量2 869万 m3/a。

2.2 补给区降水量特征的分析对比

因响泉、龙洞泉与老龙湾泉主要补给方式均为降水入渗且补给区岩性相同，对两泉流量关系有着决定性影响。根据各自补给区1975年以来同步期逐月降水资料，进行对比分析，可知两系列逐月及历年丰枯变化一致(图3)，多年平均降水量相近，变差系数均为0.26，相关系数为0.87(图4)。 两泉补给区均为奥陶系灰岩，故水文地质参数近似，同为受阻水岩体或断层影响形成的上升泉，排泄形式相同，因此计算得合适的比拟因子，二者是可以建立合于客观规律的比拟关系。

图3 响泉、龙洞泉～老龙湾泉补给区降水量曲线

图4 响泉、龙洞泉～老龙湾泉补给区降水量相关关系曲线

2.3 响泉、龙洞泉流量分析

对老龙湾泉1975～2009年(水文年)流量进行频率分析，计算得频率95%的枯水年流量为1 800.4万 m3，并根据实测泉流量资料，按水量相近、对供水不利的原则，选典型用同倍比法推求老龙湾95%保证率的逐月涌水量标准曲线，然后利用两泉同步监测资料的相关关系及比拟因子，计算得响泉、龙洞泉该保证率下逐月涌水量曲线(图5)。由此可知，在95%保证率下，响泉、龙洞泉年流量为496万 m3，最小流量为0.788万 m3/d，出现在5月份(表3)。同样，可计算得平常年份两泉流量在1.0～2.8万 m3/d之间，全年为629万 m3。故以两泉为水源做供水设计时，可以此为依据，月供水量及全年水量根据流量过程线调节变化，多水源联合调度，可达到较高的供水保证率。

图5 95%保证率泉水流量曲线

月份流量万m3/d月份流量万m3/d月份流量万m3/d6月0.87510月2.1452月0.9347月1.21111月1.9403月0.8328月1.79512月1.6344月0.7949月2.2321月1.1385月0.788

3 合理性探讨

当含水层厚度很大，地下水位动态相对于含水层厚度来说变化很小时，枯水期间(假定没有补给)泉水流量的变化，可按布西涅斯克方程确定：

Qt=Q0e-αt

式中：Qt为枯水期开始后t时刻泉的流量；Q0为开始停止补给时泉的流量；e为自然对数的底数，约等于2.718 28；t为从停止补给时算起经历的时间；α为含水层储存量的消耗系数(衰减系数)。

如果t值取枯水期的整个延续时间(假定无补给)，则按布西涅斯克方程求得的Qt就是汛前泉的最小流量[7]。

根据2010年2月27日、3月19日泉流量实测数据(期间无降水补给)，利用布西涅斯克方程计算得响泉、龙洞泉衰减系数分别为0.008 512、0.002 85。2012年12月初实测两泉流量1.6万 m3/d，考虑到当地降水对泉流量影响一般滞后2个月左右，故以此数据作为开始停止补给时泉的流量Q0。假定此后6个月无补给的情况下(靠消耗泉域储存量维持泉涌)，计算得6月初泉流量即为汛前最小流量，为0.687 3万 m3/d。该数据与采用比拟法所得数据相对误差为12.8%，在允许范围内，证明本文所采用的水文地质比拟法在此特定条件下，所得结果是合理可信的。

4 结语

在无泉水长系列流量实测资料的特定情况下，采用水文地质比拟法，选取合理的比拟对象，可得到需要的特定保证率下泉水逐月流量曲线，并结合泉流量衰减方程进行比对验证，从而认为该方法是可行的，为泉水作为水源的供水设计提供了基础性数据，但该方法存在一定误差，水源地实际运行时需以泉水自然流量为实际开采量，不可随意扩大开采，并配备一定的应急水源，以保证供水率。

[1]王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M].2版.北京.地质出版社.2006，75.

[2]李力，沈冰，张晓伟.泉水月流量预报模型研究[J].西安理工大学学报.2008，24(1)：43-44.

[3][5]房佩贤，卫中鼎，廖资生.专门水文地质学[M].2版.北京.地质出版社.2006，231-233，138.

[4]上海市建设和交通委员会.GB50013-2006 室外给水设计规范[S].北京：中国计划出版社.2006.

[6]于延凤. 老龙湾泉域水资源现状及保护措施[J].山东水利.2012(5/6)：77.

[7]河北省地质局水文地质四大队.水文地质手册[M].1版.北京.地质出版社.1978：699-700.

An Analysis of the Springs Flow Without Long Series Observation Data

WANG Pan-qiu，ZENG Dan，MENG Fan-yu

(Hydrological Bureau of Zibo City，Shandong Zibo，255000，China)

Based on xiang spring and longdong spring as a practice ,under the condition of without long series spring?flow observation data，use the hydrogeological analogy method and select the appropriate match object，through the analysis of the related factor to draw the correlations。Using this correlations can calculate the monthly spring flow curve and minimum flow，after verification through the Boussinesq equations ，the relative error within an acceptable range. This method can provide a reference to the springs flow analysis under special conditions.

Springs flow；allowable withdrawal；hydrogeological analogy and guaranteed rate

2016-05-23

王盼秋(1987-)，男，山东潍坊人，助理工程师，主要从事地下水相关工作。

TV211.1

A

1004-1184(2016)06-0059-03