灌区浅层地下水资源分析评价

王伟，张利滨，王先忠

(1.河南省山水水利工程有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008)

0 引言

水资源是保障农作物生长所需要的最重要资源，为了改善农业生产条件，增加粮食产量，就需要通过修建灌区工程，把有限的水资源配置到农作物生长所需要的区域。灌区兴建之前，需要对灌区规划范围内的地下水资源进行分析评价，根据评价结果制定其开发利用和保护管理规划。赵口引黄灌区二期工程规划范围是河南省重要的粮食生产核心区之一，但是由于长期以来一直依赖于开采利用地下水，造成当地地下水超采严重，所以对灌区进行地下水资源分析评价，为灌区制定其开发利用和保护管理规划是十分必要的。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

赵口引黄灌区二期工程范围北以三刘寨、狼城岗和黑岗口灌区为界；南临涡河干流，包括涡河西南的柘城及淮阳部分区域；西起赵口总干渠、运粮河及涡河；东至惠济河干流、杞县东县界、太康县界及柘城部分区域。引黄工程供水对象为农业灌溉，控制土地总面积2 265 km2，灌溉面积14.91 hm2。

1.2 地形地貌

灌区绝大部分地区属黄河冲积平原，少部分属黄河河漫滩。黄河冲积平原区，大部分地形较平坦，局部受河流、冲沟切割形成沟谷微地貌；黄河河漫滩区，分布在灌区北部黄河大堤以内，为黄河近代冲积物。

1.3 地层岩性

浅层地下水水文地质条件主要涉及第四纪地层，灌区位于开封坳陷及通许-太康隆起，第四系厚度在各区差异较大，总体厚度范围150～500 m，各统地层发育齐全。地层由新至老主要为全新统粉细砂、轻壤土、砂壤土、中细砂、轻粉质壤土、粗砂等，上更新统砂壤土、中粉质壤土、重粉质壤土等，中更新统粉土、粉质黏土、中细砂、细砂及粉砂层等。

2 水文地质条件

因历史上黄河多次溃决、改道，直接影响和控制该区全新统地层的水文地质条件。按照本区松散堆积层不同的地质时代，含水层的埋藏深度、补给条件、水力性质、水文地质特征，松散岩类孔隙含水层组可分为浅层水和中深层水(承压水)。根据目前农田灌溉用水要求，机井深度和提水设施及开采情况，现仅叙述40～60 m深度以内的松散岩类孔隙含水层组所赋存的浅层地下水。灌区多年平均降雨量量为658.70 mm。

第四系全新统的中、细砂层是本区浅层地下水的主要含水层，含水层分布厚度不均。浅层地下水受岩性、构造、地貌及气象水文等因素的控制，在这些因素中岩性起着主导作用。在诸因素综合作用的情况下，本区地下水赋存条件存在差异性，浅层较好，深层较差；拗陷区较好，隆起区较差；黄河故道上游较好，下游较差。

3 浅层地下水资源计算

灌区规划范围内浅层地下水直接接受降雨和地表径流补给，补给量较丰富，且周转速度快，因此在灌区地下水资源计算与评价中，以浅层地下水为研究对象进行分析评价。地下水资源的评价方法主要有水量均衡法、数值法、开采实验法等，其中水量均衡法是最基本的一种评价方法，文中采用均衡法对灌区工程范围内的浅层地下水系统进行分析。

灌区浅层地下水多为潜水，局部具有微承压特征。灌区底板是一个相对不透水的隔水层处理为二类边界；东北部黄河水水位是一个定水头补给边界，西侧以赵口总干渠、运粮河及涡河为界，勘测期大部分地段未见水流，处理为二类边界；东侧大部分远离惠济河，以观测的地下水位作为一类边界。由于浅层水补给条件的决定，补给量的大小明显受气象条件的控制，同样农田灌溉需水量也受气象条件的影响。干旱年和丰水年地下水补给量和灌溉需水量相差较大，干旱年开采量往往超过补给量，丰水年开采量小于补给量，因此，赵口引黄灌区二期工程规划范围内的浅层水资源计算采用多年平均及2014年来进行均衡计算评价。

3.1 浅层地下水水均衡分析

根据水均衡原理，区域内的地下水资源开采前后任一时段的补给量与开采量之差总等于该区域水体积的变化量。赵口引黄灌区二期工程属黄河冲积平原，作为一个大的水文地质单元进行均衡计算。

(1)

其中Q补=Pr+Sr+Cr+Wr+Lr+Qj，Q排=E+W+Rg+Qp

式(1)中：Q补—总补给量;Pr—降雨入渗补给量;Sr—河道入渗补给量;Cr—引黄灌溉渠道渗漏、灌溉水回归补给量;Wr—井灌回归补给量；Lr—提灌回归补给量；Qj—地下水侧向径流补给量；F—均衡区面积；Δh—Δt时段内地下水位变化值；Δt—计算时段(均衡期)；μ—水位变动带岩层的疏干给水度；Q排—总排泄量；E—地下水蒸发量；W—地下水开采量；Rg—河道基流排泄量；Qp—地下水侧向径流排泄量。

3.2 浅层地下水资源计算

灌区计算范围内总土地面积2 265 km2，其中开封(中牟、市郊部分乡)808.90 km2，通许599.10 km2，杞县616.30 km2，太康672.00 km2，柘城及淮阳136.00 km2。设计灌溉面积14.91 hm2。

3.2.1 补给量(Q补)的计算

降雨入渗补给量(Pr)

计算公式：Pr=F·α·Χ

(2)

式(2)中：α—降雨入渗系数；Χ—年降雨量(mm)；F—计算区面积(km2)。

河道入渗补给量(Sr)

涡河和惠济河是灌区的主要河流，由于这些河流长期接受引黄退水和城市排放的污泥浊水，挟带来的泥沙及污泥沉积于河床，既抬高了河床的高程又降低了渗透能力，渗漏量很小。

惠济河从灌区东北部边界流出，经引黄退水和开封市排放污水，河床渗透性差，因地下水补给量较小，不予考虑。

黄河侧渗补给量：黄河与灌区接壤长度34 km，根据河南省地理研究所计算资料及地质局水文队封丘均衡试验场资料，黄河侧渗补给量单位长度为68.97万m3/(a·km)，乘以接壤长度即得黄河侧渗补给量。

引黄渠灌回归水补给量(Cr)

渠灌补给量包括渠道渗漏补给量和田面回归补给量两部分，我们把二者合并起来，按渠首引水量的50%计算。

井灌、提灌补给量(Wr)及(Lr)

井灌、提灌一般直接流入田面，因此不考虑渠道渗漏补给量，只计算田面补给量，Wr(Lr)=灌溉亩数×灌溉定额×年灌溉次数×补给系数β。补给系数采用井灌、提灌补给量10%。

地下水侧向径流补给量(Qj)

灌区西部、西北部边界接受侧向径流补给，其补给量用达西公式计算：

Qj=Kcp·H·B·I

(3)

式(3)中：Kcp—平均渗透系数，m/d；H—含水层厚度，m；B—计算断面宽度，m；i—地下水水力坡度。

上述各项补给量及地下水总补给量列于表1。

3.2.2 排泄量(Q排)的计算

潜水蒸发量(E)

计算公式：E=C·E0

(4)

式(4)中C—潜水蒸发系数；E0—水面蒸发量。

根据潜水蒸发系数乘以不同典型年的水面蒸发量，再乘以各计算区<4 m、4～6 m、6～8 m不同平均埋深的面积，即得潜水蒸发量。

地下水开采量(W)

地下水开采量包括农业灌溉、工业用水和城乡人畜用水量。

根据2014年灌区农业、工业、人畜生活用水量实际调查资料即为2014年地下水开采量。

河道排泄量(Rg)

涡河发源于灌区内，属排水河道，以排泄地表和地下水为主，根据最近9 a水文资料分析，该河道对地下水半年补给，半年排泄。补给量较小，排泄量由于邸阁站实测资料难以还原推算基流量而采用多年月平均最小流量视为基流量。

地下水侧向径流排泄量(QP)用达西公式计算。

各项排泄量列于表1。

4 浅层地下水资源量评价

根据计算成果，全区总补给量为4.75亿m3，总排泄量为5.37亿m3，均衡差-0.62亿m3。计算成果与现状灌区的地下水位逐年下降是一致的。

从发展农业生产的方面看，单靠地下水是不够的，随着灌溉水平的提高，地下水位必然逐年下降。因此发展引黄补源，建设赵口引黄灌区二期工程势在必行。计算成果也为灌区合理开发利用水资源，确定引黄水量提供了科学依据。

表1 赵口引黄灌区浅层地下水补排平衡计算表