榆林市榆阳泉域地下水量均衡分析

田国林，王俊杰

(1.陕西地矿九〇八环境地质有限公司，陕西 西安 710600；2.陕西地矿地质工程勘查院有限公司，陕西 西安 710600)

泉是地下水的天然露头，在地形面与含水层或含水通道相交点地下水出露成泉[1]。泉域地下水环境易受人工开发利用的影响，徐军祥[2]等分析了济南泉域地下水环境演化与保护，刘萍[3]等分析了洪山泉岩溶地下水水量均衡特征，黄奇波[4]等分析了柳林泉域岩溶地下水区域演化规律及控制因素，梁永平[5]等对引起娘子关泉流量的衰减原因进行了初步量化计算。

榆阳泉位于陕西省榆林市东郊，泉水出露于榆溪河支流榆阳河源，常年流量约5 000 m3/d，水化学类型呈HCO3-Ca·Mg型，为天然弱碱性富锶矿泉水。由于泉流量稳定且水质优良，榆阳泉负责向榆林城区东沙片区集中供水。受人工开采影响，榆阳泉域水量均衡发生了一定变化，为分析人工开采对泉域的影响，则需要对泉域的水量均衡进行详细分析。

1 研究区概况

1.1 地理概况

榆阳泉域地势总体东北高而西南低，海拔1 090～1 220 m。泉域地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘的过渡地带，属低山丘陵区，以黄土梁峁、沙漠滩地和沙盖黄土梁峁地形为主，地形起伏总体上起伏较大，在滩地较平坦，黄土冲沟发育的区域地形起伏较大，沟谷切割较深，部分超过70 m，地形破碎。泉域范围为：北至头道河则的分水岭，东至青云沟的分水岭，南至榆阳河中游支沟的分水岭，西至普惠泉泉域的分水岭，总面积为11.876 3 km2(图1)。

图1 榆阳泉域地理位置图

1.2 气象水文

榆林市属温带干旱、半干旱大陆性季风气候。四季分明，日较差大，春季干旱多风沙，夏季干旱，降雨集中历时短，秋季较为湿润，冬季干寒，西北风盛行。年均气温7.89℃～9.6℃，最高气温39.6℃，最低零下32.7℃，年降水量400 mm左右，榆阳区多年平均降雨量为444 mm，其中65%的降雨集中在7-9月份，暴雨较多，时间短，强度大。年蒸发量较大，在1 700～2 000 mm，属蒸发量远大于降雨量地区，年日照2 600～2 900 h，无霜期116～215 d。

榆林市属黄河流域，榆溪河穿过榆林市市区，属黄河一级支流无定河的支流，其发源于榆林市榆阳区小壕兔乡刀兔海子西的水掌泉，为榆阳区内最大的河流。榆溪河支流较多，有头道河、二道河、芹河、榆阳河、沙河等十余条支流，榆阳泉泉域范围及周边河流主要为上游的头道河和下游的青云沟河，以及榆阳泉下游的榆阳河。榆阳泉泉域所在的沟域为榆阳河沟域，榆阳河起源于榆阳泉，榆阳泉历史流量约为5 000 m3/d，自榆阳区修建自来水厂进行城市供水后，现仅留两条小支沟的泉水及沟谷泉水的排泄，流量约为300 m3/d。

2 泉域地下水量均衡分析

2.1 泉域水文地质概念模型

研究区为榆林市榆阳区所辖水掌沟上游的榆阳泉泉域，北至头道河则的分水岭，东至青云沟的分水岭，南至水掌沟中游支沟的分水岭，西至普惠泉泉域的分水岭，由此构成一个三面封闭向南敞开的相对独立的水流体系，大地坐标X=393 554～397 346 m，Y=4 241 388～4 246 136 m，泉域总面积为11.876 3 km2。地貌类型包括河谷漫滩、沙盖黄土梁岗、黄土梁岗及滩地地貌(图2)。

图2 榆阳泉泉域水文地质概念模型图

2.2 泉域水文地质参数确定

本次评价工作所需的水文地质参数主要包括：给水度(μ)、大气降水入渗补给系数(α)、农灌回归补给系数(βi)、凝结水补给模数(M凝)等，各参数根据本次调查及前人成果综合确定。

2.2.1 给水度(μ)

根据前人成果，风积黄土层给水度取0.05，冲洪积砂层给水度取0.17。

2.2.2 大气降水入渗补给系数(α)

大气降水入渗补给系数可利用流量长观资料计算，泉域为全排型，则可利用泉水排泄量反求降水入渗系数α，即：

α=Q/P·F

(1)

式中：α为大气降水入渗系数；P为计算期内降水量(m)；F为计算域面积(m2)；Q为计算期内地下水总溢出量(m3)。

据此，分析泉域流量长观资料，分割出基流量，再结合泉域面积及相应时期的降水量，即可进行入渗系数的计算。

根据我公司以往在该泉域完成的流量长观工作并结合条件类似地区所取得的成果，确定区内不同地貌单元降水入渗系数为：沙盖黄土梁岗区0.40，黄土梁岗区0.08，河谷漫滩区0.30，滩地区0.35；

2.2.3 农灌回归补给系数(βi)

根据前人成果，农灌回归补给系数为：川水地0.30，水浇地0.35。

2.2.4 凝结水补给模数(M凝)

根据前人成果，凝结水补给模数取1.117 0×104m3/a·km2。

2.3 泉域地下水补给量、排泄量及均衡分析

2.3.1 补给量

榆阳泉泉域地下水主要接受大气降水入渗补给、凝结水补给和农灌回归水补给。由于区内农灌回归水补给量属人类活动条件下增加的补给量，故在补给量计算中予以扣除。

(1)大气降水入渗补给量

大气降水入渗补给量采用降水入渗系数进行计算，计算公式为：

(2)

式中：Q降补为大气降水入渗补给量(m3/d)；P为年降水量(m/a)；Fi为不同地貌单元的面积(m2)；αi为不同地貌单元的降水入渗系数；n为地貌单元的个数。

根据榆林气象站1961-2018年历时58年的降水资料频率分析结果，并结合大气降水入渗补给系数分区，对榆阳泉泉域按不同保证率计算大气降水入渗补给量(表1)。泉域内多年平均大气降水入渗补给量为4 789.18 m3/d，当降水量为理论频率25%、50%、75%、90%、95%时，大气降水入渗补给量分别为5912.40 m3/d、4 916.51 m3/d、4 121.54 m3/d、3 562.44 m3/d、3 291.76 m3/d。

表1 大气降水入渗补给量计算成果表

(2)凝结水入渗补给量

凝结水补给量计算公式为：

Q凝补=M凝F凝t凝/365

(3)

式中：F凝补为全年日平均凝结水补给量(m3/d)；M凝为凝结水补给模数；F凝为凝结水补给发生的面积(m2)；T凝为凝结水补给发生的时间(d)；

凝结水补给只发生在沙盖黄土梁岗区，泉域内沙盖黄土梁岗区面积为10.553 0 km2；凝结水补给发生的时期为每年的7、8、9三个月，共92天；凝结水补给模数可采用前人的成果，为1.117×104m3/a·km2，据此可计算出区内凝结水全年平均补给量为322.95 m3/d(凝结水补给期平均补给量为1 281.27 m3/d)。

(3)农灌回归水补给量

农灌回归水补给量采用农灌回归补给系数进行计算，计算公式为：

(4)

式中Q灌补为农灌回归补给量(m3/d)；Q灌i为农灌用水量(m3/d)；βi为农灌回归补给系数；t灌为灌溉时间(d)。

根据本次调查期间调查的区内农田分布状况、灌溉定额、灌溉时间等资料，泉域内共有水浇地115.20亩，灌溉定额为250 m3/(亩.a)，年灌溉时间为183 d，农灌回归补给系数为0.35；川水地13.20亩，灌溉定额为480 m3/(亩·a)，年灌溉时间为183 d，农灌回归补给系数为0.30。经计算泉域内农灌期平均农灌回归补给量为65.47 m3/d，多年平均农灌回归补给量为32.82 m3/d。

表2 榆阳泉泉域农灌回归水补给量计算成果表

综上，泉域多年平均地下水补给量为5 144.00 m3/d，其中大气降水入渗补给量4 789.18 m3/d，凝结水补给量322.00 m3/d，农灌回归水补给量32.82 m3/d。扣除农灌回归水补给量后，泉域多年平均地下水天然补给量为5 111.18 m3/d。

2.3.2 排泄量

(1)地表水体排泄量

根据本次实际调查，榆阳泉泉域地表水体主要为小支沟泉水溢出，地表水体排泄量Q地表=19.20 m3/d。

(2)人工开发利用量

榆阳泉泉域地下水人工开发利用主要包括生活饮用和农田灌溉，其中生活饮用包含榆阳泉集中供水、机民井分散供水，农田灌溉包括引流灌溉、机民井灌溉。

根据本次实际调查，榆阳泉现状供水量为7 300 m3/d；机民井分散供水人数共450人，按95L/人·d计算机民井分散供水量为42.75 m3/d；农田灌溉水量为96.26 m3/d，则人工开发利用量Q人工=7 439.01 m3/d。

(3)侧向径流排泄量

榆阳泉泉域地下水侧向径流排泄发生在水掌沟上游河谷区，根据实际调查并参考前人成果，含水层厚度15.00 m，排泄宽度100.27 m，水力梯度5‰，渗透系数0.570 9 m/d，则侧向径流排泄量Q侧排=4.29 m3/d。

(4)潜水蒸发排泄量

榆阳泉泉域潜水蒸发排泄主要发生在河谷漫滩区，根据实际调查并参考前人成果，河谷漫滩区地下水位一般为0.50～1.50 m，平均1.00 m。根据泉域地貌分区，河谷漫滩区面积为0.112 4 km2；蒸发度E0依据气象部门蒸发资料，取1 195.50 mm；潜水蒸发极限深度△0及指数n依据均衡试验场资料取值。潜水蒸发量按阿维杨诺夫经验公式计算，公式为：

E蒸发=∑(0.001×Ei×Ei/365)

Ei=0.62×E0×(1-Δi/Δ0)n

式中：E蒸发为潜水蒸发量(m3/d)；Ei为第i区潜水蒸发强度(mm)；Fi为第i区潜水蒸发面积(m2)；E0为气象站蒸发皿蒸发度(mm)；△i为第i区潜水水位埋深(m)；△0为潜水蒸发极限深度(m)；n为指数(一般1～3，本次取2)。

泉域蒸发极限深度(△0)，依据内蒙古伊金霍洛旗的均衡试验场成果，并参考甘肃省张掖市均衡试验场成果资料，综合确定粉细砂土的蒸发极限深度(△0)为3 m；潜水位埋深小于3m的区域面积为0.112 4 km2，依据潜水蒸发量阿维杨诺夫经验公式计算的泉域地下水总蒸发量为100.43 m3/d。

综上，泉域排泄量合计7 462.50 m3/d，其中地表水体排泄量19.20 m3/d，人工开发利用量7 439.01 m3/d，侧向径流排泄量4.29 m3/d，潜水蒸发排泄量100.43 m3/d。

2.3.3 均衡分析

(1)均衡期

根据实际调查，榆阳泉近三年(2016-2018年)的供水量稳定在7 300 m3/d，确定均衡期为2016-2018年。

(2)均衡计算

根据榆阳泉泉域水文地质概念模型，泉域补给量包含大气降水入渗补给量、凝结水补给量、农灌回归补给量，排泄量包含地表水体排泄量、人工开发利用量、侧向径流排泄量、潜水蒸发排泄量。均衡计算公式如下：

Q均衡=Q降补+Q凝补+Q灌补-Q地表-Q人工-Q侧排-E蒸发

式中：E蒸发为潜水蒸发量(m3/d)；Q降补为大气降水入渗补给量(m3/d)；Q凝补为凝结水补给量(m3/d)；Q灌补为农灌回归补给量(m3/d)；Q地表为地表水体排泄量(m3/d)；Q人工为人工开发利用量(m3/d)；Q侧排为侧向径流排泄量(m3/d)；Q均衡为均衡差(m3/d)。

根据补给量及排泄量计算结果，榆阳泉泉域多年平均大气降水入渗补给量为4 789.18 m3/d。均衡期内补给量合计7 446.70 m3/d，其中大气降水入渗补给量为7 091.88 m3/d，凝结水补给量322 m3/d，农灌回归补给量32.82 m3/d；排泄量合计7 462.50 m3/d，其中地表水体排泄量为19.20 m3/d，人工开发利用量7 439.01 m3/d，侧向径流排泄量4.29 m3/d，潜水蒸发排泄量100.43 m3/d。因此，泉域现状水均衡整体为负均衡，均衡差为-15.80 m3/d(表3)。

表3 榆阳泉泉域现状水均衡计算成果表 m3/d

根据榆林气象站降水资料，榆林市2016-2018年降水量较大，为相对丰水年，榆阳泉泉域现状水均衡处于相对均衡状态。但须说明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡则为负均衡，主要由于现状开采量超过了允许开采量。

3 结语

(1)榆阳泉域多年平均地下水补给量为5 144.00 m3/d，其中大气降水入渗补给量4 789.18 m3/d，凝结水补给量322.00 m3/d，农灌回归水补给量32.82 m3/d。扣除农灌回归水补给量后，泉域多年平均地下水天然补给量为5 111.18 m3/d。

(2)榆阳泉域排泄量合计7 462.50 m3/d，其中地表水体排泄量为19.20 m3/d，人工开发利用量7 439.01 m3/d，侧向径流排泄量4.29 m3/d，潜水蒸发排泄量100.43 m3/d。

(3)榆阳泉域现状年水均衡整体为负均衡，均衡差为-15.80 m3/d，根据榆林气象站降水资料，榆林市2016-2018年降水量较大，为相对丰水年，榆阳泉泉域现状水均衡处于相对均衡状态。但须说明的是，在平水年和枯水年，泉域水均衡则为负均衡，主要由于现状开采量超过了允许开采量。