中牟县浅层地下水资源评价_马传明

'第27卷第3期水文Vol.27No.32007年6月JOURNALOFC水HIN文AHYDROLOGYJun.第,22070卷7中牟县浅层地下水资源评价1121马传明,宁立波,王现国,彭涛(1.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074;2.河南省地质工程公司,河南郑州450003)摘要:在分析中牟县水文地质条件的基础上,采用均衡原理对中牟县浅层地下水资源及可开采资源进行定量评价。评价结果表明中牟县地下水多年平均补给资源量为19927.89×104m3/a3、多年平均排泄量21984.70×104m/a,地下水处于负均衡状态,主要原因为开采量过大和补给不足所致。关键词:地下水资源;评价;中牟县中图分类号:P641.8文献标识码:A文章编号:1000-0852(2007)03-0080-05地下水资源是中牟县工农业生产的主要供水水源,有的城以下40m左右深度内的含水层中)和中深层水(埋藏于地下40m镇地下水甚至成为唯一的供水水源。近年来,中牟县随着人口的以下、300~350m以内的含水层中)。迅速增长和工业的高速发展、农业灌溉面积的急速扩大,地下水浅层地下水具有分布面积大,与地表水联系密切等特的开采量日益增加;同时县镜内的贾鲁河逐渐沦为季节性河流点,是区内工农业用水的主要开采对象,是本次评价的对象;且污染严重,如今不仅无法缓解该县工农业用水的紧张状况,反中深层地下水由于埋藏较深,与地表水及大气降水联系微而成了沿岸地下水的污染源;黄河来水量的逐年减少也使得该弱,开发利用少、水文地质研究程度低,本次不予评价。在此县工农业用水面临着巨大的难题。可以说,水资源的日益紧缺已仅论述浅层水的水文地质条件,而中深层水的水文地质条件经成为中牟县社会经济可持续发展最主要制约因素之一。不再赘述。本文在充分利用中牟县20多年来水文及水文地质资料、前人2.1地下水的赋存条件研究成果基础上,以供水为目的对浅层地下水的时空分布及其资研究区北部浅层水主要赋存在全新统黄河冲积而成的含源量重新做出评价,为制定水资源开发利用规划提供科学依据。水岩层中,含水层上部为亚砂土、细粉砂,下部为中细砂、中粗砂,构成上细下粗典型的“二元结构”或粗细相间的“多元结1研究区概况构”。含水层北部厚度大,粒度粗;南部厚度小,粒度细。含水层中牟县地处中州腹地、黄河南岸,商城郑州和古都开封之在纵向上,自故道带上游至下游,含水砂层由厚变薄,层数由单间,南北最长55km,东西宽最长35km,总面积1416.60km2。层变多层,粒度由粗变细;在横向上,自主流带向两侧至泛流带中牟县属中纬度暖温带大陆性季风气候,四季分明;年平均或泛流边缘带,含水砂层厚度由厚变薄,由单层变多层,粒度由气温14.2℃,1月份最冷,月平均气温4.6℃,7月份最热,月平均粗变细。气温32.1℃;年平均降水量616mm;全年无霜期240d;年平均日研究区南部浅层水主要赋存在40m深度内的上更新统和照2366h;年平均相对湿度67%。新第三系含水层中,其分布规律、成因类型、岩性、厚度及富水中牟县地势由西北向东南倾斜,沙丘遍布全境,处于豫西丘程度与地貌条件密切相关。在八岗一带属于黄河古冲积平原,陵向豫东平原过渡地带,平均海拔113.5m。中牟县地貌相对简含水层底板埋深25~35m,分布稳定,岩性为粉细砂,分1~3层,单,分水岭以南,岗、洼相间,呈南北条带状分布,高差5~15m;分厚5~15m。水岭以北,沙丘广布,地表起伏。2.2地下水的补给、径流和排泄特点(1)地下水的补给。大气降雨入渗补给:研究区包气带岩性2研究区水文地质条件大多为砂土、亚砂土,结构松散,为降水入渗创造了良好的条根据评价需要,把研究区的地下水分为浅层水(埋藏于地表件,是浅层地下水的主要补给来源。河流的渗入补给:黄河在研收稿日期:2006-11-10基金项目:中国地质大学(武汉)优秀青年教师资助计划项目(CUGQNL0509)、湖北省自然科学基金资助项目(2005ABA278)作者简介:马传明(1975—),男,山东省郓城县人,讲师,博士,主要从事水文地质、工程地质、环境地质方面的教学和科研工作。 第3期马传明等:山中牟县浅层地下水资源评价81究区内的流经长度有30余km,由于河水位高出漫滩地下水位计算区:Ⅰ区为山前岗间洼地浅层水,Ⅱ区为黄河北岸二级阶2~4m,致使黄河水以侧向径流方式补给地下水;贾鲁河在丰水地,Ⅲ区为黄河冲积平原浅层水;又依据地下水埋深、包气带岩季节补给地下水,在枯水季节反而接受地下水的排泄。渠系渗漏性分为六个亚区,见图1。和灌溉回渗:由于引黄渠系管理不善,许多没有衬砌或年久失修,水的有效利用系数仅为0.3~0.5左右,其它均被大气蒸发或渗入地下;同时灌溉仍然采用的是粗放的大水漫灌,水的利用率低,大部分都回渗至补给地下水。(2)地下水的径流。总的特点是侧向径流微弱,垂直交替强烈。在西部的部分岗丘地区,地形坡度较大,水力坡度相应也较大,呈放射状逐渐减缓向下游流动,但因含水层岩性多为细颗粒的亚砂土、粉砂或细沙,且砂层不稳定,所以径流条件不好。东部平原,地形平坦,侧向径流微弱,地下水随地形坡降自西北缓缓向东南流动,其水力坡度一般为1/3000~1/4000,在黄河一带,水力坡度达1/2000。(3)地下水的排泄。①地面蒸发。黄河大堤以北和西部岗地,地下水埋深均大于3m,蒸发消耗微弱;东部平原区,地下水埋深小于3m,蒸发强烈,为浅层地下水排泄的主要出路。②人工开采。工农业用水和生活用水量的急剧上升,导致地下水过度开采,不仅造成了地下水位的大幅度下降,而且形成局部漏斗。图1中牟县浅层地下水资源计算分区图2.3地下水的动态研究区浅层地下水位埋深随着地形的变化具有明显的水平3.3计算参数的确定分带性:西部从山前岗区,到黄河二级阶地,水位埋深由深变浅,参与研究区浅层地下水资源计算的水文地质参数主要有变化规律与地形倾斜方向基本一致;东部地区,黄河大堤北高河降水入渗系数(α)、渗透系数(k)、重力给水度(μ)、灌溉回渗系漫滩地,水位埋深5~8m。数(β)、导水系数(T)、潜水蒸发强度(ε)等。参数选取的正确与地下水动态的变化,受季节的影响明显,7~9月由于降雨集否,直接关系到水资源评价成果的精度,影响到水资源总量的中,地下水补给充分,使地下水位迅速上升;而5~6月由于蒸发确定。通过对已有的一系列重要勘查研究成果资料的综合分析,并参考经验数据,确定不同地貌单元岩土体的计算参数[2],强烈且地下水开采严重,使得水位明显降低。水位的天然变幅一般小于2m,在人工开采影响下,水位变幅会超过2m,个别地方因而参数比较符合实际。因开采量过大还形成降落漏斗。3.4计算过程及其成果3.4.1补给量计算3地下水资源评价(1)降水入渗补给量。计算公式如下:Q降=P×α×n×F×0.1(2)根据研究区的水文地质条件和具体情况,平原区、岗区地下式中:Q为降水入渗补给量(104m3/a)水资源量评价采用补给量法计算,同时计算排泄量和地下水蓄降;P为年降水量(mm);α为降水入渗系数;n为降水有效入渗系数;F为计算区面积(km2)变量,并进行水均衡分析[1];评价所需资料选择1980～2004年间。的实测和调查资料[2]。计算结果见表1。3.1计算模型的建立表1降水入渗补给量计算成果依据研究区浅层地下水的补、径、排条件及水均衡原理,建区号段号P(mm)anF(km2)Q43立浅层地下水均衡方程:降(10m/a)Q总补-Q总排=!W(1)ⅠⅠ580.300.160.80133.03988.13式中:Q为浅层地下水总补给量(104m3/a);Q为浅层地下水ⅡⅡ580.300.170.80232.711836.57总补总排总排泄量(104m3/a);!W为浅层地下水蓄变量(104m3/a)。Ⅲ1Ⅲ1528.600.240.80104.381059.373.2计算范围的确定Ⅲ2Ⅲ2580.300.180.80208.141739.28Ⅲ1580.300.180.80335.242801.37均衡计算范围基本以中牟县行政域区域边界为主,南至开3Ⅲ3Ⅲ2580.300.180.8096.54806.72封地区尉氏县山前洼间地带,北至黄河堤北高滩地带,东至开封3市,西至郑州市区,总面积1393.0km2。Ⅲ4Ⅲ4580.300.150.80282.961970.42合计1393.0011201.86依据研究区内地形地貌、水文地质条件,将本区划分为三个 82水文第27卷(2)地下水侧向径流补给量。在研究区北部、南部及西部存Q河渗=q×l×t×0.1(4)在地下水侧向径流补给,计算公式为:式中:Q为河流入渗补给量(104m3/a)渠渗;q为河流单位长度入渗Q量(m2径补=T×I×L×t×0.0001(3)/d);l为渠系长度(km);t为河流每年通水时间(d/a)。计算结式中:Q为地下水径流补给量(104m3/a)2果见表3。径补;T为导水系数(m/d);I为地下水平均水力坡度(‰);L为计算断面长度(km);t为每年补表3河流入渗量计算成果给天数(d/a)。计算结果见表2。渠名分区q(m2/d43)t(d/a)l(km)Q渠渗(10m/a)表2地下水侧向径流补给量计算成果区段号计算断面T(m2/d)I(‰)L(km)t(d/a)Q(104m3/a)径补Ⅲ10.2030037.83226.983Ⅰ-1232.81.828.29365128.20贾鲁河Ⅰ128.20Ⅲ40.203007.5045.00Ⅰ-2232.80.0011.33650.00合计271.98Ⅱ-1237.42.2513.75365268.08Ⅱ293.77Ⅱ-22500.505.6336525.69(4)农田灌溉回渗补给量。区内农业灌溉水水源主要为开采Ⅲ-411610.501.7236536.44地下水及引用渠水(黄河水、贾鲁河水),灌溉回渗补给量计算公式:Ⅲ-512002.453.58365384.17Q灌渗=β×Q灌(5)Ⅲ-612002.454.39365471.09式中:Q为农田灌溉回渗补给量(104m3/a)灌渗;β为灌溉回渗系数;Ⅲ1Ⅲ-711502.459.943651022.224346.46Q为灌溉量(104m3/a)灌。计算结果见表4。Ⅲ-811602.458.87365920.11Ⅲ-911602.457.22365748.95表4灌溉回渗补给量计算成果Ⅲ-1011602.457.36365763.47分区段号βQ(104m3/a)Q(104m3/a)灌灌渗Ⅲ2Ⅲ-311200.604.59365112.58112.58ⅠⅠ0.101957.19195.72Ⅲ-23740.4511.1836568.68ⅡⅡ0.105841.20584.12Ⅲ1Ⅲ-163741.834.32365107.92282.263Ⅲ1Ⅲ10.102017.07201.71Ⅲ-173742.253.44365105.66Ⅲ2Ⅲ20.104347.88434.79Ⅲ-143740.857.0636581.92Ⅲ10.107102.82710.283Ⅲ299.223Ⅲ3Ⅲ-153740.255.0736517.30Ⅲ20.102219.92221.993Ⅲ-13740.255.4036518.43Ⅲ4Ⅲ40.107102.42710.24Ⅲ-183740.457.2536544.54合计3058.85Ⅲ4132.71Ⅲ-193740.852.5136529.12(5)总补给量。根据上述各分项补给量的计算结果,求得中Ⅲ-21237.41.253.7536540.62合计5395.20牟地区各计算单元浅层地下水多年平均补给量,见表5。3.4.2排泄量计算*计算断面均为计算区与外界之间的边界(1)地下水人工开采量(Q开采)。据节水办及水利局的1980~(3)河流入渗量计算。区内河流为贾鲁河,入渗量计算公式:2004年间统计资料计算各计算单元的工业开采(Q工开)、农业开表5中牟地区浅层地下水多年平均补给量①②③④⑤=①+②+③+④分段2F(km)区号Q(104m3/a(1043(1043(1043(1043降)Q径补m/a)Q渠渗m/a)Q灌渗m/a)Q总补m/a)ⅠⅠ133.03988.13128.20195.721312.05ⅡⅡ232.711836.57293.77584.122714.46Ⅲ1Ⅲ1104.381059.374346.46201.715607.54Ⅲ2Ⅲ2208.141739.28112.58434.792286.65Ⅲ1335.242801.37282.26226.98710.284020.893Ⅲ3Ⅲ296.54806.7299.22221.991127.933Ⅲ4Ⅲ4282.961970.42132.7145.00710.242858.37合计1393.0011201.865395.20271.983058.8519927.89 第3期马传明等:山中牟县浅层地下水资源评价83表6多年平均浅层地下水开采量统计分段2①②③④=①+②+③F(km)区号Q(104m3/a)Q(104m3/a)Q(104m3/a)Q(104m3/a)开工农开生开开采ⅠⅠ133.0392.001020.0077.901189.90ⅡⅡ232.71121.602092.40157.302371.30Ⅲ1Ⅲ1104.38222.401370.00106.861699.26Ⅲ2Ⅲ2208.14111.36901.4056.881069.64Ⅲ1335.24209.283352.60379.383941.263Ⅲ3Ⅲ296.540.00660.0037.76697.763Ⅲ4Ⅲ4282.9672.961699.60120.431892.99合计1393.00829.6011096.00936.5112862.11采(Q农开)及人畜生活用水量(Q生开),计算成果见表6。(4)河道排泄量。评价区存在河道排泄量的河段为贾鲁河,(2)潜水蒸发排泄量。采用蒸发强度法计算:其排泄量(Q河排)采用式(4)计算,成果见表9。Q蒸=ε×F(7)表9河道排泄量计算成果式中:Q为潜水蒸发量(104m3/a)蒸;ε为潜水年蒸发强度(m/a);F为243渠名分区l(km)q(m/d)t(d/a)Q河排(10m/a)蒸发面积(104m2),蒸发面积根据浅层地下水埋深按蒸发极限深1Ⅲ337.830.8643651193.01度3m圈定。计算结果见表7。贾鲁河Ⅲ47.500.864365236.52表7潜水蒸发排泄量计算成果合计45.331429.53分区段号ε(m/a)F(104m2)Q(104m3/a)蒸ⅡⅡ0.0962804.06269.19(5)总排泄量。根据上述计算结果,求得中牟地区各计算单Ⅲ2Ⅲ20.24210032.272427.81元浅层地下水多年平均排泄量见表10。Ⅲ10.09023564.392120.793.4.3浅层地下水蓄变量计算3Ⅲ3Ⅲ20.2124914.981041.983浅层地下水蓄变量是指计算区初时段与末时段浅层地下Ⅲ4Ⅲ40.0967505.96720.57水储存量的差值,其计算公式为:合计48821.666580.34ΔW=100×(h2-h1)×μ×F/t(8)式中:ΔW为浅层地下水蓄变量(104m3/a)为计算时段初地下(3)地下径流排泄量。在研究区东部存在地下水侧向径流;h1排泄,其排泄量(Q径排)采用式(3)计算,成果见表8。水水位(m);h2为计算时段末地下水水位(m);μ为浅层地下水水位变幅带给水度;F为计算面积(km2);t为计算时段长(a)。采用评表8地下水侧向径流排泄量计算成果价区17眼地下水长观井的监测资料,计算出各计算单元1980~区段号计算断面T(m2/d)L(km)I(‰)t(d/a)Q(104m3/a)径排2004年期间多年平均浅层地下水蓄变量见表11。ⅠⅠ-3232.86.481.85365101.86ⅡⅡ-5237.42.940.003650.003.4.4水均衡分析Ⅲ1Ⅲ-1111502.780.5036558.35浅层地下水均衡指平原区多年平均地下水总补给量Q总补,Ⅲ-1210604.271.52365251.11总排泄量Q总排,蓄变量ΔW三者之间的平衡关系,由式(1)可得:Ⅲ2898.73Ⅲ-1310606.592.54365647.62Q总补-Q总排-ΔW=X(9)Ⅲ4Ⅲ-2037415.760.2536553.78Xδ=·100%(10)合计1112.72Q总补表10中牟地区浅层地下水多年平均排泄量分段2①②③④⑤=①+②+③+④F(km)区号Q(104m3/a(1043(1043(1043(1043开采)Q河排m/a)Q径排m/a)Q蒸m/a)Q总排m/a)ⅠⅠ133.031189.90101.861291.76ⅡⅡ232.712371.30269.190.002640.49Ⅲ1Ⅲ1104.381699.2658.351757.61Ⅲ2Ⅲ2208.141069.642427.81898.734396.18Ⅲ1335.243941.262120.791193.017255.063Ⅲ3Ⅲ296.54697.761041.981739.743Ⅲ4Ⅲ4282.961892.99720.5753.78236.522903.86合计1393.0012862.116580.341112.721429.5321984.70 84水文第27卷为21984.70×104m3/a43表11中牟地区浅层地下水多年平均蓄变量,多年平均亏损1527.52×10m/a,地下水水243位呈下降趋势,说明目前研究区地下水处于负均衡状态。分区段号(h2-h1)/t(m/a)μF(km)ΔW(10m/a)研究区属于开采条件比较好、开采程度比较高的平原地区,ⅠⅠ-0.190.047133.03-118.80因此用补给量减去不可夺取的消耗量作为开采资源量(Q[1]。可开)ⅡⅡ-0.180.120232.71-502.65利用表5、10、11的数据可计算出研究区各计算单元浅层Ⅲ1Ⅲ1-0.060.083104.38-51.98地下水可开采资源量见表13。对比表6、13可知,实际开采量大Ⅲ2Ⅲ2-0.090.060208.14-112.40于可采量,说明研究区地下水处于超采状态。Ⅲ1-0.100.090335.24-301.723Ⅲ3Ⅲ2-0.050.09996.54-47.793表13中牟平原区浅层地下水资源可开采量Ⅲ4Ⅲ4-0.140.099282.96-392.18分区段号F(km2)Q(104m3/a)可开合计1393.00-1527.52ⅠⅠ133.031068.89式中:X为绝对均衡差(104m3/a);δ为相对均衡差(%)。ⅡⅡ232.711982.19当|X|值式和|δ|值较小时,可近似判断为Q总补、Q总排、ΔW三Ⅲ1Ⅲ1104.381651.96项计算成果的计算误差较小,亦即计算精确较高;反之,则表明Ⅲ2Ⅲ2208.14899.98计算误差较大,计算精确程度较低。Ⅲ1335.243598.823Ⅲ3中牟地区多年平均浅层地下水均衡分析见表12,从各计算Ⅲ296.54685.523单元水均衡来看,大部分区域的相对均衡差绝对值都小于5%,Ⅲ4Ⅲ4282.961648.10整个评价区相对均衡差为-2.66%,符合评价技术规范要求。同合计1393.0010805.30时说明评价所选参数合理,结果可信。表12中牟地区多年平均地下水均衡分析4结语分区段号Q(104m3/a)Q(104m3/a)ΔW(104m3/a)X(104m3/a)δ(%)总补总排中牟县地处于豫西丘陵向豫东平原过渡地带,地形平ⅠⅠ1312.041433.05-118.80-2.21-0.17坦,含水层厚度大,地下水补给面积广,含水层渗透性较好,ⅡⅡ2855.763244.87-502.65113.543.98但据地下水资源计算和论证分析,本区地下水处于负均衡状ⅢⅢ5607.585654.88-51.984.680.08态(-1527.52×104m3/a)11,主要原因为开采量过大和补给不足所Ⅲ2Ⅲ26374.426544.08-112.40-57.26-0.90致。因此应控制地下水的开采和建造新的取水构筑物。采取节Ⅲ16912.627255.06-301.72-40.72-0.59水措施,降低农业开采量,加强工业、生活用水的管理,则可使3Ⅲ3Ⅲ21917.981930.22-47.7935.551.85本区地下水处于平衡状态。3Ⅲ4Ⅲ43462.753707.65-392.18147.284.25合计19927.8921984.70-1527.52-529.29-2.66参考文献:[1]中国地质调查局.全国地下水资源及其环境问题调查评价技术要求3.5地下水资源及可开采资源评价系列(二)[R].2003.根据表12可知,全区平原区浅层1980~2004年地下水[2]中国地质大学环境学院.郑州市中牟县地下水资源调查与评价报告多年平均补给资源量为19927.89×104m3/a[R].2005.、多年平均排泄量AssessmentofPhreaticWaterResourcesinZhongmouCounty111,21MAChuan-ming,NINGLi-bo,WANGXian-guo,PENGTao(1.SchoolofEnvironmentalstudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.GeologicalEngineeringCompanyofHenanProvince,Zhengzhou450003,China)Abstracts:BasedonanalyzinghydrogeologicconditionsinZhongmoucounty,aquantitativeassessmentwasmadeforthephreaticwaterresourcesandthepermittedgroundwaterexploitationquantity.Theresultsshowthattheaveragereplenishmentresourcesquantityofphreaticwateris19927.89×104m3/a,andtheaveragedrainagequantityofphreaticwateris21984.70×104m3/a.inZhongmouCounty.Apparently,phreaticwatertherestandsinminusequilibriumstate.Thelargegroundwaterexploitationquantityandlessgroundwaterreplenishmentquantityresultedintheminuse-quilibriumstateofphreaticwaterinZhongmouCounty.Keywords:phreaticwaterresources;assessment;ZhongmouCounty'