青海省化隆县小流域地下水资源量评价

唐洪波，陈 强，何灼伦，李德靖

（青海省水文水资源勘测局，青海 西宁810000）

山丘区地下水资源以总排泄量作为地下水评价资源,河川基流量是山丘区地下水的主要排泄量。目前国内外河川基流量分割方法很多,不同方法分割结果不尽相同。根据伍立群等［1］的研究,在我国南方雨量比较丰沛的地区,洪水频繁发生,河川径流过程线普遍呈连续峰型,可采用加里宁试算法分割河川基流量；在我国北方缺水地区,水文站较少,河川径流过程大部分属于单洪峰型或双洪峰型,研究区内有水文测站的一般采用直线斜割法,对于没有水文测站的地区通常借用附近地形地貌相似地区的水文资料来计算地下水资源量。

本文以查甫沟、黑城沟、昂思多沟为例,对研究区域地下水资源量进行评价分析,并通过集水廊道计算山前侧向排泄量来确定地下水可开采量,以期为化隆县群科、牙什尕两镇人畜饮水工程建设提供参考。

1 区域概况

研究区域化隆县位于青海省东部黄土高原与青藏高原的交接地带,地处拉脊山东段南侧。境内崇山峻岭,峡谷密布,沟壑纵横,地势北高南低,自西北向东南倾斜,最高点马场山海拔4 480 m,最低处化隆县与循化县相邻的黄河大桥处海拔1 880 m,相对高差2 600 m。

查甫沟、黑城沟、昂思多沟系黄河干流左岸的一级支流,位于化隆县西部,自西北向东南汇入黄河,流域呈带状,河床比降大、水流流速大、含沙量大。该区域地处中纬度内陆高原,属典型的半干旱大陆性气候区,径流补给以降水为主,消冰、融雪水、地下水补给为辅。径流年内分配不均,枯水期为11月—次年3月,汛期为6—9月。受气候和地形地貌的影响,径流空间分布不均,径流深分布自上游向下游递减。

研究区域内查甫沟、黑城沟、昂思多沟未设过水文站及雨量站。附近黄河支流巴燕沟、清水河分别设有化隆水文站、清水水文站。化隆水文站设于1979年12月,位于化隆县谢家滩乡阴坡村,至河源20.5 km,距河口28.9 km,控制流域面积217 km2,截至2015年有36 a的水文资料。多年平均径流量计算分别以查甫沟中游的来洞村处、黑城沟黑城乡下游提灌站处、昂思多沟中游关沙水库引水渠处作为水文分析设计断面。

2 研究方法

根据邻近站降水与径流数据、区域水文地质及水资源评价成果,在研究区域河川径流、河川基流、地下水可开采量计算的基础上,对该地区地下水资源量进行评价分析。

2.1 年径流量计算

利用《青海省水文手册》［2］中多年平均径流深等值线图、多年平均径流系数等值线图、柴达木盆地南缘东部地区流域面积的经验关系公式以及化隆水文站作参证站,分别采用径流深等值线图法、径流系数法、经验公式法、水文比拟法4种方法计算多年平均径流量,并对计算成果的合理性进行分析。

径流深等值线图法、径流系数法公式为

式中：W为多年平均径流量,m3；R为多年平均径流深,mm；a为径流系数；P为多年平均降雨量,mm；F为流域面积,km2；

经验公式法计算公式为

式中：k、n为地区性参数,《青海省水文手册》中柴达木盆地南缘东部地区k为0.141、n为0.73。

水文比拟法计算公式为

式中：W研为研究断面多年平均径流量,m3；W参为参证站断面多年平均径流量,m3；F研为研究断面控制的流域面积,km2；F参为参证断面控制的流域面积,km2；n为面积指数,一般取0.67～0.70。

2.2 河川基流量

研究区查甫沟、黑城沟、昂思多沟地下水属河谷浅层地下水,3条沟道主要接收上游河水及左右岸山体基岩裂隙地下水的补给。在枯水季节,河水依赖左右岸山体基岩裂隙地下水、泉水的补给；在丰水季节,降水增多,产生地表径流渗漏补给地下水,同时沟道高山区积雪消融水补给地下水。在河谷发育较宽、纵坡降相对较小、含水层厚度较大的地段,地下水将接收更多的地表水渗漏补给；在河谷发育较窄、纵坡降相对较大、含水层厚度较小的基岩抬升地段,部分地下水出露于地表,回归地表水。3条沟道分别形成了各自相对独立的地下水补给、径流、排泄系统,为3个独立、封闭的地下水评价单元。河川基流量一般占山丘区地下水资源总量的比重最大,是山丘区地下水的主要排泄量。

目前基流切割一般采用近似方法,如经验斜割法。根据集水亭等［3］的研究,首先根据实测河川流量绘出流量过程线,分析多次的洪水退水曲线,求出一条流域的标准退水曲线,然后将此退水曲线绘于透明纸上,并盖在某一欲分割的流量过程线上,使透明纸平行移动,直到标准退水曲线同欲分割的退水线尾部重合,得重合的起始点（拐点),此点以后的流量全部是地下径流（即基流),此点以前的流量是地下径流和地表径流的叠加。自该次河水起涨点至拐点以直线相连,该线以下部分即为分割出的河川基流量。根据唐洪波等［4］的研究,斜割法对于年河川径流过程为单洪峰或双洪峰型时比较适用,在青海省地下水资源评价中结果较为可靠,精度较高,可满足工作要求。

由于研究区内无实测水文资料,因此利用邻近地区巴燕沟化隆水文站的年径流过程,采用直线斜割法分别计算查甫沟、黑城沟、昂思多沟3个评价区多年平均基流量。地下水可开采量则采用达西断面法计算山前侧向排泄量,确定查甫沟、黑城沟、昂思多沟区取水断面地下水取水量。

3 结果与分析

3.1 多年平均径流量

在《青海省水文手册》等值线图中分别查得查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面以上流域重心处多年平均径流深为200 mm、径流系数为0.50。化隆站多年平均降水量为429.6 mm,用4种方法计算出的设计断面年径流量见表1。

表1 设计断面年径流量计算结果

等值线图法对于小流域计算误差较大,与实际情况不符。径流系数法采用化隆站降水资料,而化隆站距查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面均约25.0 km,受海拔影响,降水有地区差异,产汇流过程相差较大,成果仅可作为参考；经验公式法采用柴达木盆地南缘东部地区年平均流量—面积经验公式,该地区尤其是哈图河流域为径流深高值区,且千瓦鄂博、察汗乌苏、哈图3站集水面积与设计断面集水面积相差悬殊,采用非线性经验公式,集水面积越小,径流深则越大,查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面处年径流深110.2～133.0 mm,与实际情况明显不符。

相比以上方法,水文比拟法比较适合流域自然地理条件相似或接近的地区,查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面地质条件、降水条件相似,化隆站、清水站距离设计断面分别为25.0、60.0 km,是该地区距离最近的有水文资料的测站,年径流深分别为45.8、77.9 mm。化隆站有36 a的水文资料,控制流域面积与查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面以上流域面积相差不大。经对邻近站化隆站、清水站多年平均径流深进行分析,最后确定以距离设计断面最近、同处黄河北岸、下垫面条件最为相似的化隆水文站作为参证站,采用水文比拟法的计算结果。

3.2 地下水资源量评价

3.2.1 河川基流量

采用直线斜割法、改进加里宁试算法和枯水期径流切割法3种方法对化隆水文站1981—2015年径流过程进行逐年基流切割。最终采用直线斜割法计算成果,以改进加里宁试算法和枯水期径流切割法进行校核和合理性检验。化隆水文站R—Rg相关关系见图1,基流切割结果见表2。

图1 化隆水文站R—Rg相关关系

表2 化隆水文站基流切割结果

分别计算查甫沟、黑城沟、昂思多沟3个评价区多年平均基流量,结果见表3。

表3 评价区河川基流量

3.2.2 地下水资源量

查甫沟、黑城沟、昂思多沟3条沟道均为山丘区,按照山丘区水资源总量计算方法,地下水的潜水蒸发量、河床潜流量等较小,可忽略不计；地下水基本未开采,其净消耗量为零；降水入渗补给量等于山丘区河川基流量。查甫沟、黑城沟、昂思多沟取水断面地下水资源量分别为186.8万、256.6万、376.5万m3。

3.3 地下水可开采量

依据《化隆县群科、牙什尕两镇人畜饮水工程地质勘察报告》［5］,查甫沟、黑城沟、昂思多沟取水断面今后将修建集水廊道,设置反滤料,水力比降将增大。目前计算山前侧向补给量的方法中,达西断面法是使用最多的,即在山前选定一断面,结合水文地质研究,确定断面含水层厚度、垂直于断面的水力坡度、断面渗透系数等水文地质参数,然后利用达西断面法公式计算得出山前侧向补给量：

式中：Q侧补为山前侧向补给量,m3/d；K为断面含水层渗透系数,m/d；I为垂直于断面的水力坡度；B为侧向径流过水断面面积,m2；t为径流补给时间,d。

按上式算出查甫沟、黑城沟河床潜流分别为1 623、1 048 m3/d。考虑有部分地下潜水由集水廊道底部及两侧产生渗漏,进入集水廊道的潜流量按70%计,则查甫沟、黑城沟集水廊道可引流量分别为1 136、733 m3/d。当采用截水墙的形式开采昂思多沟地下水时,河谷中卵石层开挖深度为1.5～4.1 m,开挖长度为65 m左右,取水断面可引流量为2 858 m3/d。

根据《化隆县群科、牙什尕两镇人畜饮水工程可行性研究报告》［6］,2020年拟从查甫沟、昂思多沟引水3 875.87 m3/d,而经计算查甫沟、昂思多沟实际可开采地下水量为3 994 m3/d,故满足引水要求。

4 结 语

（1)查甫沟、黑城沟、昂思多沟设计断面多年平均地表径流量分别为387.5万、532.4万、781.2万m3,多年平均地下水资源量分别为186.8万、256.6万、376.5万m3,地下水可开采量分别为1 136、733、2 858 m3/d。

（2)不论以地表水方式、地下水方式,或是地表、地下水相互补充方式取水,应考虑由查甫沟、昂思多沟两水源联合供水,即以昂思多沟为主要水源、以查甫沟水源为辅联合供水,才能保证丰、平、枯各典型年引水要求。

中小流域无实测径流资料的地区,径流分析计算一般通过水文比拟法、参数等值线法等间接途径来推求,这些方法都存在一定的不确定性,因而径流计算成果的合理性分析显得十分重要。总结化隆县小流域河川径流、河川基流、地下水可开采量计算的相关经验及处理方法,可为相似区域地下水评价提供参考。