城市供水水源地可利用水量计算

王洪斌

（辽宁省水文水资源勘测局，辽宁沈阳110003）

1 水源地概况

凌源市自来水公司水源地共设置水源井6处，分布于八里堡至二十里堡之间，位于大凌河支流北岸，取水类别为大凌河支流第四系孔隙潜水。设计开采量为60 000 m3/d，并平均分配至各水源井。

1991—2000年间，地质矿产部辽宁工程勘察公司先后对十里堡、十五里堡、二十里堡水源地进行了详细勘察，绘制了3处水源地1∶10 000水文地质图及剖面图，编写了供水水文地质勘察报告。已查明水源地周围地层结构、主要含水层类型、含水层厚度及其空间分布状况、并通过抽水试验确定了部分地段的水文地质参数。本次研究在此基础上进行，对自来水供水水源地水资源量进行综合评价。

2 论证范围的确定

目标含水层沿大凌河支流呈条带状分布，据2009年的地下水位观测资料显示，水源井的开采尚未形成明显的漏斗区，地下水流向自西向东。结合周围地形条件及已探明的水文地质条件。论证区总面积为15.67 km，范围在大凌河西支河谷平原地，包括周围部分低山丘陵区。

3 论证范围内水文地质状况

论证区两侧为低山丘陵，标高为425～550 m。中间为河谷平原区，宽度为1 300～1 870 m。对应着三种地貌形态，分别为：南北两侧的低山丘陵区、山前坡洪积扇群、河谷区冲洪积阶地。全新世冲洪积作用所形成的砂卵砾石层孔隙潜水为本次研究的目标层位。其上覆亚砂土或含砾亚粘土层，厚度自南北两侧向中间减小。

3.1 水文地质分区

据已有的勘察资料，研究区可分为3个主要富水地段：

1）水量丰富区。单井出水量大于3 000 m3/d，分布于近河地段，呈条带状展布。含水层主要岩性为砂砾石、砂砾卵石，含水层厚度5.9～8.65 m不等，渗透系数为369～1 248.84 m/d，地下水位埋深为 1.25～9.8 m。

2）水量中等-贫乏区。单井出水量小于1 000 m3/d，对应于山前坡洪积扇形地。含水层岩性为砂砾碎石混土，分选性差，厚度不稳定，地下水位埋深通常大于9 m

3）基岩裂隙水区。单井出水量小于100 m3/d，岩性为义县组安山岩，风化裂隙及构造裂隙不发育，富水性较差，供水意义不大。

3.2 地下水补给，径流与排泄特征

大凌河河谷平原是一个相对独立的水文地质单元。地下水主要接受大气降水入渗补给、上游河谷区孔隙潜水入渗补给、两侧山区地下水侧向径流补给，此外，还包括农田灌溉回渗补给及地下水开采条件下河流的激发补给。

地下水的径流特征主要受地形、地貌及水文地质条件的控制。表现为：南北两侧地下水向河谷平原区汇集后，自西向东流。

地下水排泄方式主要有：地下水径流排泄、地下水向河流排泄、农业灌溉开采、人畜饮用。由于含水层上覆亚砂土层，且地下水位埋藏于砂砾石层，毛细作用微弱，故蒸发作用不明显。

3.3 地下水动态类型

水源地范围内地下水动态类型属于气象-开采型。1—6月份受农业开采的影响，地下水位缓慢下降，7—9月份，由于降水入渗量增多，且农业开采量减少，地下水位回升，9月份以后，随着降雨量的减少，地下水位再次缓慢下降，并趋于稳定。

4 水源地地下水资源量论证

4.1 地下水资源量计算

4.1.1 地下水天然补给资源量计算

采用资源补给总和法，计算平水年及枯水年降水入渗补给量、上游地下水径流补给量、山区地下水侧向补给量和灌溉回渗量。

1）降水入渗补给量。依据凌源气象站37年的观测资料，采用P-III型曲线统计50%，75%，95%典型频率年的降雨量，经计算均值=468.29，Cv=0.258，Cs=0.42；降雨量分别为 456，396，289。

降水入渗量的计算采用式（1）：

式中：Qs——降雨入渗补给量，m3；Pi——降雨量；F——计算面积，km2；α——有效降水率，%；β——有效降水入渗系数。计算结果见表1。

表1 降水入渗量计算成果表

2）计算区上游断面地下水流入量。地下水侧向径流补给是研究范围内水资源量的另一个重要组成。计算地下水径流断面分别设置于二十里堡至二十五里堡之间，以及宫家烧锅南侧约600 m山口处。侧向流入量计算公式采用式（2）：

式中：Qi侧——断面侧向补给量，104m3/a；Hi——i个典型年枯水期过水断面厚度，m；B——过水断面宽度，m；K——过水断面周围含水层平均渗透系数，m/d；I——水力坡度；Hg——90年枯水期含水层平均厚度，8.07 m；Xg——90年降雨量，0.582 m；α——有效降水入渗系数，0.35；μ——目标含水层给水度，0.31；Xi——i个典型年的降雨量，m。地下水侧向径流补给量见表2。

表2 计算区地下水侧向径流补给量

3）山前侧向补给量。借鉴水源地已有的勘察报告结果，采用径流模数法计算山前侧向补给量：

式中：Qi侧——山前侧向补给，104m3/a；Mi——i个典型年山区地下水径流模数，L/s·km2；M′——山区多年平均径流模数，1.624 L/s·km2；F——山前汇水面积，km2；Q′——多年平均河水径流量，1.306 1×108m3/a；Qi——典型年河水径流量，108m3/a。计算结果见表3。

表3 山区地下水侧向补给量计算成果表

4.1.2 地下水排泄资源量计算

1）计算区内当地用水量。依据《凌源市十五里堡供水水文地质勘察报告》调查结果，并结合计算区范围内的乡镇分布位置，估算计算区内工业、农业、人畜开采地下水资源总量约为180万t/a。

2）计算区内水源地的开采量。已有水源地的设计报告结果显示，计算区内共有6处水源井，设计单井开采量均为10 000 m3/d，则计算区内水源地总开采量为2 190×104m3/a。

3）地下水侧向流出量。采用式2计算地下水侧向流出量，水力坡度依据2009年最新观测资料进行计算，值为0.004，渗透系数657.20 m/d，有效降水入渗系数0.35，地下水含水层给水度0.31，控制95年枯水期地下水位的降雨量0.654 2 m，95年枯水期含水层平均厚度7.26 m，各典型年排泄量计算成果见表4。

表4 地下水侧向径流排泄量计算成果表

4.1.3 其他可利用地下水资源量计算

1）河流激发补给量。由于水源井位于河岸附近，开采条件下降引起地下水流场的改变，进而引起河水激发补给。通过计算研究在设计开采量条件下，激发补给资源量所占比例用式（4）计算，边界附近开采井降深的计算：

式中∶Qi——设计开采量，10 000 m3/d；K——渗透系数，m/d；H——初始水位，取7.8 m；l——河井距，m；Sx——降深值，m。

无界条件下，相同降深值对应的井口出水量用式（5）计算：

式中：Rx——影响半径，m；Rc，rc，Sc——分别是抽水试验条件下的影响半径，抽水井径以及抽水时的降深。

井口出水的激发补给量可计算为Q激=Qi-Qf，激发补给量见表5。

在各井维持10 000 m3/d开采量的情况下，河水激发补给进入井口的水量为6 794.99 m3/d，占单日井口出水总量的11%。而通过断面测流法计算的研究区河水激发补给总量可达5 183×104m3/a。可见，在开采条件下，有相当数量的水量进入开采含水层，并有5%的激发补给量用于供水。

2）灌溉回渗补给量。计算区范围内，灌溉用水均取自地下水，因此在计算地下水天然资源量时将该部分水量去除。而在计算地下水可利用水量时予以保留。采用式（6）计算：

式中：Q农——农业灌溉水量，150×104m3/a；a′——灌溉回渗系数，0.35。计算 Q灌=52.4×104m3/a。

表5 各井出水河流激发补给所占比例表

4.2 地下水均衡与评价

综上所述，对所计算的补给量、排泄量进行汇总，结果见表6。

表6 计算区地下水均衡成果表

从表6中可以看出，在维持60 000 m3/d水源地供水条件下，平水年地下水将有4 000×108m3/a以上的水量用于维持地下水位，枯水年亦有1 205.981×108m3/a的水量盈余。然而所盈余的水量均来源于地表水的补给。事实上，据最近统计报告显示，计算区内的地表水典型频率年径流量分别为：10 954，6 381，2 454万t/a，可见在平水年及一般枯水年河水仍会维持一定的径流量，然而在枯水年的情况下，地下水的开采，将引起研究区范围内的地表水断流。

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