许昌东区引汝补源工程运行后地下水埋深变化特征分析

□靳永强（河南省许昌水文水资源勘测局）

1.概述

许昌市地处中原腹地。在历史上是三国文化发源地和汉魏古都，在河南省经济社会发展中占有重要战略地位。截至2011年市区建成区面积63km2，人口55万人，工业总产值173亿元。许昌市也是全国40个严重缺水城市之一，引汝补源工程没有建设的2003年以前，由于水资源量严重不足，已明显成为制约当地经济发展的重要因素。随着经济的快速发展，许昌东区的发展，面积达180km2的许昌新区规划的逐步实施，许昌市人均水资源占有量将继续下降，未来许昌市区水资源的供需失衡状况将更加严峻，这将严重制约许昌市社会经济可持续发展，对生态环境和社会安定也构成一定的危害。许昌市于2003年10月委托设计部门完成了《许昌市东区水系治理及补源工程可行性研究报告》。该引汝补源工程项目具有防洪、灌溉、改善城市环境、回补地下水漏斗、防止地面沉陷地质灾害等综合功效。该工程的实施不仅有利于缓解许昌市未来水资源供需矛盾，而且对于改善城市生态环境质量，逐步恢复漏斗区的地下水位，提高城市品位以及提高人民生活水平都具有十分重要的意义，有助于促进许昌市社会经济的可持续发展。

2.引汝补源工程建设前许昌新区地下水状况

改革开放以来，许昌市区由于大量开采地下水致使地下水位大幅度下降，形成以郊区半截河乡和尚集镇为中心（即补源区）的浅层地下水漏斗区，面积200km2，地下水漏斗范围呈现向外继续扩展态势。浅层水超采引起地下水位持续下降，中心水位埋深近20m。同时地下水漏斗中心水位已降至海平面以下，造成城市地面下沉，最大沉降点达277mm，已经引起部分房屋裂缝倒塌，市区道路连年塌陷。

3.许昌市东区引汝补源工程

从2002年起许昌开始大规模开发许昌东区，引汝补源工程规划针对的主要是许昌东区水系建设和补源。工程的实施使当地季节性河流能及时得到外调水源的补充，补充地下水，保持河道水质洁净，改善城区水环境。通过大幅度增加市区水面，以调节城市气候。工程采用北汝河大陈闸控制的河道地表水作为本项目的供水水源，利用颍汝干渠工程调用北汝河大陈闸以上水量，调节补充许昌市东区地下水和生态环境用水。

北汝河河川径流量较为充沛，河流水质综合评价为II类，水质较好。拦蓄的北汝河地表径流适宜作为许昌市补源工程的供水水源，通过武湾渠首闸将北汝河水以自流方式引至许昌市北部的石梁河，然后分两支进入东区。该建设项目位于许昌东城新区及周边区域，项目工程分布在107国道以东的清潩河与小洪河之间的河道、人工开挖渠道上。建设工程为东城新区河湖水系整治工程和小洪河流域地下水补源工程，包括渠道开挖、河道治理、闸坝及桥涵施工建设。该补源工程涉及许昌市东城区面积约19.5km2，东城区周边的补源区面积约190km2，耕地面积1.27万hm2。总投资（人民币）8914.84万元。东区水系治理及补源工程分3期3年施工，2004-2006年，每年秋季10月开工，次年5月竣工。2006年底全部完工投入使用。

4.补源水量及地下水埋深变化对比分析

4.1 河湖补水量

许昌市城区现有清潩河、小西湖、护城河、运粮河、清泥河等水域，蓄水库容约146万m3；清潩河呼沱闸库容120万m3，马岗闸蓄水29万m3，健康路橡胶坝库容75万m3，陈村拦河闸库容60万m3，上述清潩河支流4处蓄水工程总库容284万m3。东城区的河渠库容150万m3，许昌县补源区蓄水容积372万m3。全市总蓄水库容达952万m3。调水量进入补源区，一部分蒸发消耗，平时不向下游河道退水。河渠换水量是指当城市河渠自身水体不能净化输入的污染物，而需要人工换水的河渠需水量。为保证补源水体的质量符合要求，定期更新补源区河槽蓄水量。河渠1年换水4次，按槽蓄量计算次换水量为265万m3，年换水1060万m3。河渠补水量为河渠水体损失水量扣除掉降水因素影响后的影响水量之差值。河渠水体损失水量主要包括河渠水面蒸发损失量、形成或补充河渠两岸浸润带的水量和河渠河床渗漏补给地下水的水量。同时为保证河渠内保持1.5m以上的蓄水水深，尚须进行补水。按不同保证率典型年降水量逐月调算，年补水量在126～227万m3之间。河渠换水量加上河渠补水量，即为东城补源区引汝水源的用水量，根据补源工程引水方案及用水量，并考虑渠道供水损失，东区补源需水量为：偏丰年1483万m3，平水年1555万m3，偏枯年1584万m3，枯水年1609万m3。

4.2 地下水补源量

补源区回渗补给地下水的河渠主要有：天宝渠、东环渠、新城渠、许扶运河、小洪河、清潩河及引水渠，通过渗漏回补地下水。

河渠渗漏量计算分两种情况考虑。首先是大埋深情况下的河渠渗漏量计算：当地下水埋深较大（>6m）时，河渠的水可以自由入渗补给地下水，计算河渠渗漏补给量采用以下自由入渗计算公式：

式中:Q河渠补—河渠的渗漏补给量（万m3/a）；

L—河渠长度（m）；

B—河渠水面宽度（m）；

t—河渠过水时间（d）；

K—渗透系数（m/d）；

A—选用系数，一般取2～3；

h—河渠水深（m）。

本工程补源区河渠将常年蓄水，新开渠的底部土质按粉质粘土选用渗透系数，原河流河床按粘土考虑，水深统一按2m设计。计算时将补源区划分为3个小区：东城区、北区（天宝渠以北）、南区（许扶运河以南）。根据上述自由入渗公式计算河渠的总渗漏补给量为1445万m3/a。

其次是考虑小埋深情况下的河渠渗漏量计算：当河渠的水长期渗漏使得地下水埋深回升到<5m以后，由于地下水位的顶托，河渠的渗漏量将减少。按补源工程可行性研究报告，折减系数取0.42，通过计算可得，规划补源区河渠的总渗漏补给量为607万 m3/a。

4.3 补源区地下水位演变趋势预测

根据水均衡原理，对补源区进行地下水多年调节计算，即选取具有代表性的降水量过程和作物灌溉制度，以月为时段，计算地下水的各项补给量和排泄量，预测补源区规划条件下的地下水位变化趋势。调算公式如下：

式中：Ht+1—t+1时段地下水位；

Ht—t时段地下水位；

Q补—t+1时段地下水总补给量；

Q排—t+1时段地下水总排泄量；

F—计算面积；

μ—给水度，一般亚砂土为0.045。

补源区河渠常年蓄水，河、渠的底部土质分别按粉质粘土和粘土考虑，水深统一按2m设计。以2002年末地下水埋深值为起调基准点。当地下水埋深>6m时，河、渠补给量采用大埋深时的渗漏量；当地下水埋深在5～6m时，河、渠补给量采用小埋深时的渗漏量；当地下水埋深<5m时，河渠停止补给；当地下水埋深<4m以后，开始有潜水蒸发。

选取2006-2011年6年的调节计算：东城区地下水起调埋深9.72m，一期工程补源10个月后，地下水埋深回升至4.39m，以后地下水埋深稳定在4.39～3.44m之间，补源1年之后的多年平均埋深为3.82m。调节计算的末时段与初始时段相比，水位上升6.20m。北部补源区地下水起调埋深8.34m，三期工程补源实施后，在保证尚集工业区用水和农业正常灌溉用水需求的情况下，地下水位基本能保持稳定，补源1年之后，区域多年地下水平均水位略有下降，埋深范围在7.49～10.85m之间。调节计算的末时段与初始时段相比，水位上升0.63m。南部补源区地下水起调埋深6.89m，三期工程补源实施后，在保证农业正常灌溉的情况下，地下水位上升趋势明显。补源1年之后的多年平均埋深为4.30m。调节计算的末时段与初始时段相比，水位上升3.62m。

4.4 补源区2006-2011年6年地下水埋深观测数据对比分析

选取引汝补源工程竣工运行实施后的2006-2011年连续6年地下水埋深观测数据分析。

许昌市多年平均降水量为703mm，除2000年降水量偏大20%以上属偏丰年份外，其他年份年降水量均为平水年份，因此可以看出降水对地下水位变化的影响有限。选取补源区包括的东城区和南区的代表站地下水观测数据进行前后对比，从实测埋深过程线图（见图1）可以看出从2006年起地下水位逐步得到回升，2011年底地下水平均水位比补源前地下水平均水位普遍上升3～6m，与计算补源预测效果一致，说明工程补源措施是得当的。

图1 2006～2011年补源区代表站地下水埋深过程线图

5.结论及建议

5.1 通过计算2006-2011年6年地下水埋深变化与实际观测值对比分析表明，引汝补源工程的实施使当地季节性河流能及时得到外调水源的补充，补充地下水，保持河道水质洁净，改善城区水环境。通过大幅度增加市区水面，以调节城市气候。补源区地下水水位明显回升，达到了预期的补源效果。

5.2 建议保护好北汝河水源，严格限制上游“三小”污染企业发展；严禁向河道两岸倾倒各种废物。大力发展节水灌溉，减少水资源浪费现象，控制农药化肥的使用。

5.3 建议执法部门运用法律、行政、经济等综合措施，加强对清潩河上游沿岸工矿企业废污水排放的监督检查。政府应继续加大宏观调控力度，积极发展低耗水、少排污的高新企业，限制高耗水高污染工业项目的再建审批。

5.4 加强水资源统一管理和优化配置，规划好引汝水源、地下水源、南水北调水源及城市污水处理后中水的合理配置和高效利用。在工程运行过程中，应加强对沿渠引水量的调查工作，对补源区引水、换水和补水进行监测，并做好记录，实时监控区域内地表水量和水质的变化。并根据监测数据预测补源区未来水质、水位发展演变趋势。