西安市黑河灌区水文地质条件及地下水资源量计算方法探讨

董亚军，吴 扬，冯菊霞

(1.西安水务(集团)李家河水库管理有限公司，陕西 西安 710199；2.陕西省三和建设工程有限公司，陕西 西安 710032；3.宜川县水利工作队，陕西 延安 716200)

1 黑河灌区概况

黑河引水工程是一项跨流域引水、综合利用的大型水利工程，工程是以西安市城市供水为主，兼有农业灌溉、发电、防洪等综合效益。灌区主要水利工程包含黑河金盆水库枢纽工程、黑惠渠灌区、西骆峪水库灌区、甘峪水库灌区和峪口引水工程。灌区位于陕西省关中中部，北纬34°03′～34°12′，东经108°04′～108°35′。西起周至县哑柏镇以东，东至户县境内涝河以西，北以西宝公路南线、黑河三角洲北岸、户县东西向5#路为界，南至秦岭山脉沿山一带510～470.0 m高程以北，南北宽5～12 km，东西长约45 km。总土地面积358.6 km2。灌区地势南高北低，西高东低，海拔高程约为410～525 m。南北方向地形坡降1/30～1/250，东西方向坡降1/1 000～1/3 000，灌区渠首枢纽距西安市区65 km[1]。

2 灌区水文地质条件分析

灌区地下水按埋藏条件可分为潜水和浅层承压水两种类型。结合地质勘察成果评价，主要对与农田灌溉密切相关的浅层地下潜水进行评价。

2.1 含水岩组及其富水性

考虑到地貌、岩性、地下水动力特征和水文地质条件的差异，以及对潜水赋存规律的影响。区内潜水分为两个不同成因的含水岩组，划分如下。

分布于黑河漫滩及一、二级冲洪积扇及黑河漫滩。黑河漫滩的含水层为砂砾卵石夹漂砾，厚度45～50 m，与下部承压水之间无稳定的隔水层；冲洪积扇后缘为单一的厚层含泥砂卵石夹漂砾，厚度大于50 m；中部为1～3层含泥砂砾，单层厚5～20 m，上部为2～4层含砾中细砂和粉细砂，单层厚2～15 m。

该含水岩组的富水性除有向黑河方向明显增强的趋势外，在就峪河、沙河及大的峪口附近地段厚度增大，颗粒变粗。富水性较强，两河沟之间富水性则较差。依据富水性，可划分为三级富水区。强富水区(涌水量大于2 000 m3/d)，分布于黑河漫滩及近漫滩的一级冲洪积扇地段，含水层厚42～50 m，水位埋深2～10 m，边缘地带可达15～30 m，其中樵家楼至上义村一带，砂砾卵石层质地纯净，颗粒粗透水性强，单位涌水量7 387～14 073 m3/d，为极强富水区；富水区(涌水量在1 000～2 000 m3/d)，主要分布于一级冲洪积扇，水位埋深在3～26 m之间，南深北浅。中等富水区(涌水量为100～1 000 m3/d)，分布于二级冲、洪积扇及东部一级冲洪积扇前缘地段，水位埋深在东部一级冲洪积扇4～30 m，南深北浅；西部二级冲洪积扇10～40 m，二级冲洪积扇前缘富水性较差，局部涌水量小于100 m3/d[2]。

2.1.2 上更新统—全新统冲积砂砾卵石含水岩组

分布于渭河漫滩及一级阶地。含水层岩性主要为中粗砂和砂砾卵石，厚度40～50 m。东部受河流影响，砂卵石层增厚，颗粒变粗，富水性增强，可划分为两级富水区。)富水区(涌水量1 000～2 000 m3/d)：分布于渭河漫滩中部，其南缘与黑河冲洪积层相连，二者为渐变关系。由于受黑河的影响，含水层颗粒粗而纯净，富水性较西部强，水位埋深1～3m。中等富水区(涌水量100～1 000 m3/d)：分布于渭河一级阶地及漫滩，含水层向渭河河床方向颗粒变粗和厚度增大的趋势。水位埋深一级阶地1～8 m，漫滩1～3 m。

2.2 地下水补给

根据野外调查、动态观测资料综合分析，区内潜水的补给来源主要为河流渗漏和地下径流补给，其次是大气降水入渗和灌溉水回归入渗。

2.2.1 河流渗漏补给

黑河、涝河水量丰沛，基本上属于常流河，河床由纯净冲积卵石组成，利于渗漏。根据测流统计，黑河峪口至沙谷堆为主要渗漏段，全年平均入渗量21.5万 m3/d。为区内潜水主要补给源之一。沙河、就峪河，田峪河、赤峪河、耿峪河、甘峪河等季节性河流。上游地势高，地下水水位低于河水位，且河水含泥量小，河床多为沙砾石层，极有利于渗漏。出峪口以下不远就全部渗入地下，致使区内河流基本上为干河，仅在洪水期出现明流。

渭河流向与南岸支流流向基本垂直，洪水期河水位抬高，即对岸边地带产生渗漏补给。依据动态资料，多年平均仅有三个月的补给期，补给带宽1～3 km。

2.2.2 地下水径流补给

评价区南缘地带地形坡度大，潜水水位高程为460～470 m，水力坡度1‰～2‰,南部山区基岩裂隙水和洪积扇中的地下水通过水平径流补给灌区。

灌区南部边界的地下水径流补给量大约为8.65万 m3/d，其中黑峪口地段约为4.2万 m3/d。

2.2.3 大气降水补给

潜水位的升降除与河流入渗和径流影响关系密切外，还与大气降水存在密切关系，雨季水位明显抬高，枯水季节水位下降。

2.2.4 渠道与灌溉水补给

灌区西部(田峪河以西)为黑惠渠灌区，灌区内渠系和田间水对地下水的补给作用很强。此外，在西部渠灌区也有部分利用开采地下水来进行灌溉，而在东部(田峪河以东)主要依靠地下水灌溉，灌溉水和地下水的水力联系十分密切，是当地地下水的主要补给源之一。

2.3 地下水的径流与排泄

区内潜水流向与地形坡向基本一致，既由南向北或北北东流向，黑河及其较大支流两侧，由于潜水与河水在不同部位相互转化，局部亦有潜水向河两侧方向运移的情况。潜水的排泄主要有4种途径，分别是向河流排泄、地下水径流排泄、垂向渗漏和人工开采排泄。

2.4 潜水动态特征

区内潜水的动态主要表现为入渗～径流型，在局部地下水浅埋地区，还有入渗～蒸发型动态。前者分布于冲洪积扇区和一、二级阶地区；后者见于靠近河流附近的潜水浅埋区。

年内动态主要表现为降水入渗～径流型，分布于界商～下高～新庄一线以北的黑河与渭河漫滩，该区主要受自然因素的影响，含水层透水能力好，径流余件短，潜水位一般高于河水位，枯水期潜水由河床排泄，水位随降水波动变化幅度小。

河水入渗～径流水位波动区，分布于冲洪积扇前缘和黑河漫滩的中部区，由于地形平坦。河水位自北而南变化在1～8 m之间。波动区分布于山前洪积扇地带，该区南临秦岭，地形坡度大，水力坡度大，汇水面积大。受雨期洪流入渗的强烈补给，水位升幅较大。

人工开采～降水入渗～水位波动区，分布于周至县城及西部城郊地段，潜水动态受自然因素和人工开采因素的双重控制。

2.5 潜水水化学特征

黑河金盆水库灌区潜水水化学类型比较单一，按舒卡列夫分类法划分为HCO3～Ca型水和HCO3～Ca·Ma型水。由于位于山前冲洪积扇和河流的冲洪积松散地带，地下水径流排泄畅通，故水化学特征在水平上无明显分带。HCO3～Ca·Ma型水主要分布在地下水径流不畅、水交替缓慢的地带，这些地区，地下水矿化度较高。区内地下水矿化度均小于0.5 g/L，为典型的低矿化淡水。

综合分析认为，靠近河流地带的地下水矿化度较低，但在人口稠密的周至县及大的乡镇地段，矿化度相对稍高。按照农田灌溉用水标准，本区潜水源的水质适宜于灌溉用水，而且可以作为农村人畜生活用水的良好水源[3]。

3 灌区地下水资源量及可开采量计算方法

3.1 水文地质分区

根据区内第四纪地质、地貌及水文地质条件，特别是考虑到区内灌溉和地下水开发情况，将全区划分为两个一级区(同地质地貌图)，南部为冲洪积扇和河流二级阶地，北部为一级阶地和河漫滩。依据含水层成因及分布，南部和北部又可进一步划分为四种类型，见表1。

表1 黑河灌区水文地质分区状况表

3.2 计算原则和方法

由于受地貌控制及河流的切割，黑河灌区受河流切割，潜水水文地质边界明显，地下水补排关系清楚，分别可作为独立的单元。同时考虑到分属黑河引水灌区或纯井灌区，除了降水、蒸发等气象资料外，区内还有较长系列的灌溉用水资料和相应的地下水动态观测资料，因此计算选用水均衡法，均衡区的划分和水文地质分区一致，均衡期为日历年。并以1972-2002年的降水资料分析在不同保证率时各代表年的地下水补给和排泄量，见表2。计算采用的潜水均衡方程式见公式(1)：

表2 黑河灌区代表年选取表

(1)

式中：ΔH为均衡区水位变幅(m)；F为均衡区面积(km2)；μ为给水度(无量纲)；Δt为均衡时段(a)；∑W补为均衡区总补给量(m3/a)，包括了降雨、灌溉、侧向径流、河流以及井灌回归补给的总量；∑W排为均衡区总排泄量(m3/a)，主要有蒸发、人工开采、径流排泄和向河流排泄等。

3.3 计算参数的选取

计算区内的潜水资源量，涉及到的计算参数～水文和水文地质参数包括给水度μ值，降水入渗系数α，渠系渗漏补给系数m，灌溉入渗补给系数β，潜水蒸发系数ε，渗透系数K值等。这些参数的选取主要参考陕西省地质矿产局第一水文地质工程地质队1988年6月完成的《黑河下游区地下水环境影响评价报告书》。并结合进一步的调查和分析确定。有关参数选取结果列表3。

表3 黑河灌区地下水计算参数选取表

3.4 均衡分析计算

3.4.1 补给项

1)降雨入渗补给量W雨补

根据年降雨量、降雨入渗补给系数及灌溉区分区面积计算降雨入渗补给量，计算见公式(2)

W雨补=0.1·α·P·F

(2)

式中：W雨补为降雨入渗补给量(万m3/a)；α为降雨入渗补给系数；P为年降雨量(mm/a)；计算不同保证率下的降雨入渗补给量；F为计算分区面积(km2)；0.1为单位换算系数。

2)渠系渗漏补给量W渠补

渠系渗漏补给量主要指西高干渠、黑惠渠、黑河三角洲渠道的渗漏补给量。计算见公式(3)：

W渠补=W毛·m

(3)

式中：W渠补为渠系渗漏补给量(万m3/a)；W毛为渠首引水量(万m3/a)，根据降雨入渗补给量中地下水部分的数值进行计算。水源中，地下水占39.29%，地表水占60.71%；m为渠道渗漏补给系数，此次计算中均取0.2。

3)田间灌溉入渗补给量W田补

田间灌溉入渗补给量指斗渠以下渠道和田间渗漏补给量,计算见公式(4)：

W田补=W斗·β

(4)

式中：W田补为田间灌溉渗漏补给量(万m3/a)；W斗为斗口引水量(万m3/a)，根据灌区地表水量进行计算；β为田间灌溉入渗补给系数，其取值同降雨入渗补给系数。

4)井灌回归补给量W井补

井灌回归量是指井灌回归入渗补给地下水的量，计算见公式(5)：

W井补=W农井·β′

(5)

式中：W井补为井灌回归量(万m3/a)；W农井为农田井灌开采量(万m3/a)；根据地下水量进行计算；β′为井灌回归系数，其取值同降雨入渗补给系数α。

5)地下水侧向径流补给量W侧补

计算断面分为南留村-黑河口～田峪河，田峪河～胡家庄～涝峪河口。利用达西公式进行计算，见公式(6)。

W侧补=T·K·H·B·I×10-4

(6)

式中：W侧补为地下水侧向径流补给量(万m3/a)；K为含水层的渗透系数(m/d)；H为计算含水层厚度(m)；B为过水断面宽度(m)；T为计算时段(365 d)；I为水力坡度；10-4为单位换算系数。

3.4.2 排泄项

1)潜水蒸发量

区内潜水蒸发主要在周至县的黑河三角洲、南集贤、终南井灌区和户县井灌区，计算时主要考虑了地下水埋深，将蒸发区分为3 m以内、3～5 m和大于5 m三个范围。以此深度为依据，按照公式计算。

2)地下水侧向径流排泄量Q径排

计算断面分为水寨～甘水坊，甘水坊～蚕场，蚕场～许家滩。地下水侧向径流排泄量，按达西公式进行计算。见公式(7)：

Q径排=T·K·H·B·I×10-4

(7)

式中：Q径排为地下水侧向径流排泄量(万m3/a)，其他系数同侧向径流排泄量。

3)人畜生活开采量W用

农村人畜生活用水量分别按照用水的人、畜数量及相应的用水定额确定。依据计算公式(8)如下：

W用=10-5·(ω1·n1+ω2·n2+ω3·n3)·T

(8)

式中：W用为农村人畜用水地下水开采量(万m3/a)；ω1，ω2，ω3为分别为农村人、大家畜(牛、马)及小家畜(猪、羊)的用水定额，根据户县拟定的农村用水定额计算，由于区内人口基本全为农业人口，用水定额为65(L/d·人)，大牲畜用水为30(L/d·头)，小牲畜为22(L/d·只)；n1，n2，n3为分别为用水的人数和牲畜数(万人或万头)；T为计算时段(365d)。

4)农灌开采量

农田灌溉开采是区内地下水的主要排泄途径之一，由于该量在实际中很少有较详实统计资料，故采用在不同保证率情况下的井灌定额，根据灌溉面积推算，全区在25%、50%、75%保证率时，地下水灌溉定额见表4。

5)工业、城乡居民及牲畜用水开采量

工业用水开采的地下水主要指乡镇企业开采的地下水量，区内工业和乡镇企业主要在户县境内，按照《陕西省水资源开发利用规划》中的万元产值耗水量为70 m3/万元，故依据这一定额来计算。

表4 黑河灌区地下水灌溉定额取值表 m3/亩

3.5 地下水资源量计算结果均衡分析

依据上述补给项和排泄项的计算可知，全区潜水总补给量在25%、50%和75%保证率时分别为11 707.86万 m3、10 816.75万 m3和10 034.06万 m3，而相应的地下水总排泄量为13 622.24万 m3、13 932.94万 m3和13 399.26万 m3。排泄量分别超出总补给量1 914.37万 m3、3 116.19万 m3和3 365.19万 m3，从而表现出潜水位总体具有下降趋势，在现状年情况下，潜水总补给量为9 753.11万 m3，而相应的总排泄量为13 195.02万 m3，排泄量超出总补给量3 441.91万 m3，同样表现为负均衡。同样，各分区的排泄量也较补给量大，计算结果和野外调查的实际一致。

表5 西安市黑河引水灌区地下水资源可开采量表 万m3

3.6 地下水可开采量计算

地下水可开采资源量是指在经济合理、技术可行条件下，可以开采的水量。区内水文地质研究程度较高，尤其对浅层地下水开发利用有较长的历史和开发水平，并具有相应的开采统计及调查资料及水位动态观测资料，故选用开采系数法计算可开采资源量，计算见公式(9)。参照水利部(地下水资源调查和评价工作细则)，动态多年变化较大，开采系数可确定为0.65。地下水可开采量见表5，可开采模数见表6。

W可采=ρ·W总补

(9)

式中：W可采为地下水可开采资源量(万m3)；ρ为开采系数，视水文地质条件和开采状况而定；W总补为区内地下水总补给量(万m3)。

表6 黑河灌区地下水可开采模数计算结果表 万m3/a·km2

4 结语

结合地质勘察成果评价，通过对黑河流域水文地质条件进行评价，可知灌区地下水按埋藏条件可分为潜水和浅层承压水两种类型。本文则重点研究了浅层地下潜水的动态特征及分布规律。并借鉴1972-2002年历史降水资料、《黑河下游区地下水环境影响评价报告书》等基础成果，对地下水资源量和可采量的计算方法进行了论述。本次成果可为类似的区域水文地质评价和地下水研究提供参考依据。