广阔渠截潜自流引水工程区枯水期地下水资源评价

2014-11-08杨红超胡新丽黄凯湘杨裕云

安全与环境工程 2014年4期

杨红超，胡新丽，黄凯湘，李群，杨裕云

（1.中国地质大学工程学院，湖北武汉430074；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430050）

水是人类生存和发展的主要物质，其中地下水是制约国民经济发展的主要资源［1—2］，尤其在干旱地区或在降水和地表水资源随季节变化大的地区，地下水资源在国民经济建设中的影响更大。目前，对地下水开发利用的方式较多［3—7］，诸如：直接引用泉水；打井抽取地下水；通过渠道或渗沟导引河水，存入下游两岸含水层中，形成地下水库，待枯水期备用；在岩溶山区采用人工堵塞洞穴，形成地下水库，引水灌溉发电；在平原区修筑地下截潜工程，抬高地下水位，使之直接流入渠道中，而广阔渠截潜工程即是这一方案的规划。因此，在截潜工程实施前有必要对研究区枯水期地下水资源进行预测和评价。

目前在冲积平原区采用截潜自流引水工程的成功实例极少，需要在查明区域和研究区水文地质条件的基础上，对该方案的可行性开展系列问题的研究。即首先需要对研究区地下水资源进行评价，同时需要对因截潜工程施工和运行过程中可能产生的环境地质问题进行预测评估，如当截潜工程实施并形成地下水库后，地下水位必将大范围上升而导致浸没灾害；因地下水库形成以后其径流滞缓，导致水质恶化等。为此，本文以北汝河中下游冲积平原区广泛渠截潜自流引水工程为例，在查明和分析研究区水文地质条件的基础上，根据研究区地下水资源的类型和水文地质条件的差异分别选择适宜的评价方法［1，7—8］，对截潜工程实施前枯水期地下水资源量进行了评价，即对该计算区枯水期地下水资源的储存量（采用重力水体积法计算）、地下水的主要补给量（采用过水断面法计算）、可供截潜自流开发利用的地下水径流量（采用水均衡法计算）进行了计算，同时根据研究区地理及地质环境的特点，对枯水期可供自流开发利用的地下水资源不足的原因进行了分析与评价，为该区截潜自流引水工程可行性分析提供了可靠的依据。

1 工程概况及地质环境条件

1.1 工程概况

广阔渠引水工程渠首位于河南省郏县城关西北20km的北汝河左岸［9］，渠首底板高程为144m，设计引河流量为10m3/s。该工程于1978年竣工，全长23km，在农田灌溉、补充下游水资源、改善生态环境等方面发挥了很好的作用。1982年，因特大暴雨洪水使北汝河主流河槽向西改道，导致广阔渠丧失自流导引河水的功能。2001年实施工程扩建，自渠首向西经河床至新河槽间修建了长522m的暗涵，其底板埋深为1.5～2m，进水口底板高程为144.68m，从此恢复了渠道自流导引河水的功能。

近年来，由于气候变化的影响以及勘察区及其上游城乡工农业发展用水量增大，枯水期北汝河流经本河段的流量逐年减小，有时河水几近干涸，广阔渠的引水量不能满足郏县城乡工农业发展的需要。为了增加广阔渠枯水期的流量，郏县主管部门提出了广阔渠截潜自流引水工程方案，拟于暗涵下游河床至左岸漫滩修筑地下坝，拦截河床和漫滩中的地下水，使之自流进入暗涵渠道中，规划增加流量1.0～1.5m3/s。

1.2 研究区地质环境条件

1.2.1 地形地貌

研究区属北汝河中下游冲积平原区，地形平缓开阔，总地势由西北向东南倾斜，地面高程为153～146m。按微地形特征可分为河槽、河床和漫滩三个自然微地貌单元（见图1）。其中，河槽宽为30～110m，高程为150～146m，是枯水期排泄河水和地下水的主要通道；河床宽约为500m，高出河槽数十厘米，枯水期常干涸无水；漫滩主要在河床东北侧，分布宽广，是当地农耕区，与河床最大高差约3m。

1.2.2 地层岩性

研究区全新世冲积物分布广泛，厚6～11m，按岩性可分为以下四类：

（1）卵砾石：粒径一般5～8cm，大者达20cm，其中卵砾组含量为70%～90%，砂粒组含量为10%～30%，厚6～11m，出露于河槽、河床，遍布研究区及邻区。据现场水文地质试验，卵砾石属强透水层，渗透系数为480m/d，重力给水度为0.2。

（2）细砂土：青灰、灰白色，疏松，颗粒较均匀，分布于本区东北部，厚3～4m，呈薄层状透镜体分布于卵砾石层中，透水性中等，渗透系数为10m/d。

（3）粉砂土：灰白色，松散，夹少量薄层黏性土，厚0.5～1.7m，分布于河堤南侧漫滩地表，覆盖在卵砾石层之上，渗透系数为2.54m/d，入渗系数为0.2。

（4）粉土：颗粒较均匀，疏松，厚0.5～2.5m，分布于河堤北侧漫滩表部，覆盖于卵砾石层和细砂土层之上，渗透系数为1.16m/d，入渗系数为0.2。

第四系下伏地层为上第三系洛阳组，岩性以黏土岩为主，下部夹砂岩和砾岩，分布广，厚度较大，区内钻探揭露厚11.4m，渗透系数为0.000 47m/d，属微弱透水性。

1.2.3 气象及水文地质

图1 截潜工程区水文地质平面图Fig.1 Hydrogeological planar graph of the intercepting underflow project area

据郏县气象站1951—2004年观测资料表明，本区年降水量变化较大，年均降水量为697.9mm，最大年降水量达1 133.8mm，最小年降水量仅356.0 mm。同时，年内降水量分配不均，多集中在6～9月份，而旱季较长，一般从当年11月至翌年4月，有时延至6月（如2006年）。本区年均蒸发量为1 861.9mm，最大蒸发量为2 537mm，最小蒸发量为1 512.9mm。

研究区位于北汝河中下游地带，北汝河是淮河水系的重要支流，发源于西北部嵩县山区，出山口进入冲积平原区后，具游荡型河流特征。据汝州水文站1978—1985年观测资料表明，年内流量差异极大，汛期最大流量为389m3/s，枯水期最小流量为0.02m3/s，有时几近断流，2006年6月13日在研究区西北边界发现河槽干涸无水。

据研究区大量勘探测试工作，并结合地表调查访问和邻近地区水文地质资料分析，研究区水文地质条件具有以下主要特征。

（1）研究区岩土类型不多，但渗透性差异极大，渗透系数以卵砾石层最大，第三系黏土岩最小，其余介于两者之间。

（2）按地下水的埋藏条件和动力特点，研究区地下水类型为孔隙潜水，主要含水层为分布广泛的卵砾石层，富水性良好，水位埋藏较浅，枯水期地下水埋深仅2～4m。

（3）地下水的补给来源较多，诸如边界西北和东北部地下潜流的补给，降水的补给，汛期洪水的补给以及灌溉回渗水的补给，但枯水季节补给来源较少，主要为来自边界西北侧地下潜流的补给。

（4）受区域总地势、季节变化及人类活动的影响，地下水的运动方向多变，其运动总趋势为西北向东南，靠岸边附近漫滩中的地下水补给河水，而汛期河水向岸边运动补给地下水。据现场实测，地下水水力坡度较小，大都在0.003左右，地下水流动较缓慢。

（5）地下水的排泄方式较多，一般以地下潜流向东南下游区外排泄为主，其次为众多民井抽水、通过暗涵向广阔渠和河槽排泄以及蒸发消耗等。

2 研究区截潜工程实施前地下水资源量的计算

在截潜工程实施前，需在查明勘察区约4.13 km2范围内的水文地质条件基础上，对该区枯水期地下水资源的数量进行分析计算，以便为截潜工程方案可行性提供依据，同时为下一步对研究区截潜工程效益的数值模拟提供计算参数的初值。

本次地下水资源计算以勘察区和邻近地区的水文地质参数以及2006年6月13日实测编制的地下水潜水等水位线图为依据，主要针对地下水储存资源、补给资源和可供截潜自流开发利用的径流资源三部分的数量进行计算。

2.1 地下水储存量

地下水的储存量是指地下水位以下含水层中重力水的体积，常以m3表示。它受多种因素的影响，如勘察区范围大小、含水层的岩土类型、含水层的性质（潜水或承压水）、含水层的厚度及季节变化等。

研究区地下水主要潜水，在枯水季节主要储存于卵砾石含水层中，厚5～9m，地下水位埋深较浅，一般为2～4m。为了查明枯水期潜水的储存量QA，以2006年6月13日的地下水水位等值线图为依据，采用以下公式计算含水层中重力水的体积：

式中：μ为卵砾石层的重力给水度，按0.2计；V为含水层体积（m3）。

在研究区4.13km2范围内，因含水层厚度各地不一，因此含水层的体积需分区计算，其计算公式为

式中：hi为各区含水层厚度（m）；Si为各区面积（m2）。

在4.13km2范围内，按式（2）计算得到研究区含水层总体积为3 149.96×104m3，将其代入式（1），可计算得到研究区枯水期地下水储存量为629.99×104m3。

2.2 地下水补给量

一般说，补给潜水的水源较多，其中降雨入渗是主要的补给来源。据郏县气象站资料，2006年6月22日以前降雨很少，大部分时间干旱无雨，6月13日实测全区地下水位时发现勘察区西北边界附近河槽干涸无水，因此在这种条件下降雨入渗对地下水的补给可以不予考虑。此外，勘察区东北和西北边界大致与地下水流向平行，其两侧地下径流的补给甚微，其补给量也可忽略不计。

由于研究区内地下水运动的总趋势由西北流向东南，枯水期本区地下水的主要补给量来自西北侧边界的地下径流，因此计算地下水补给量时的计算断面选在西北边界附近。考虑到该边界附近含水层厚度和水力坡度的差异，将过水断面分为4段（见图2），其补给量QB按下式采用过水断面法分段计算：

式中：QB为西北边界地下径流对本区潜水的总补给量（m3/d）；Ji、Fi分别为某计算段的平均水力坡度和过水断面面积（m2）；Ki为某计算段卵砾石层的渗透系数，各段均按480m/d计。

图2 研究区上游边界地下水补给量计算示意图Fig.2 Computation graph of groundwater recharge in the upstream area

按照式（3）计算研究区枯水期各段地下水的补给量，其结果见表1。

表1 各段地下水补给量计算结果Table 1 Calculation results of the groundwater increment

由表1可见，枯水期补给本区地下水的来源很少，主要来源于西北侧边界地下径流的补给，其补给量为42 663.1m3/d（0.494m3/s）。

2.3 可供截潜自流开发利用的地下水径流量

可供截潜自流开发利用的地下水径流量Qk包括两部分：一是地下水通过暗涵进入渠道的流量；一是通过暗涵和渠道底板以下及暗涵进水口西南侧含水层排向下游区外的潜水流量。根据研究区水文地质特征及大量勘察测试资料，其枯水期流量可采用水均衡法计算，当均衡区为4.13km2、均衡期以日计时，区内潜水体积不变，则以各种方式对本区的补给量与支出量相等，可用下式表示：

式中：QB为西北边界补给本区的潜水流量，为42 663.1m3/d；Qb为农田潜溉民井抽排的流量，据郏县水利局现场调查访问，为8 433m3/d；Qn为地下水通过暗涵排入渠道的流量，实测为13 824 m3/d；Qs为通过暗涵和渠道底板以及暗涵进水口西南侧含水层排向下游区外的潜水流量（m3/d）；Qh为灌溉回归水入渗量，取其灌溉入渗系数为0.2，则入渗量为1 686.6m3/d；Qg、Qz分别为降雨量和蒸发量，据本均衡区和均衡期的特点，令Qg＝Qz，则（4）式可写成：

将上述各收支项的参数代入式（5），则有

可供截潜自流开发利用的地下水径流量Qk由下式计算：

3 截潜自流引水方案的可行性分析

通过对研究区截潜自流引水工程实施前枯水期地下水资源量的计算，可对该区广阔渠截潜自流引水方案的可行性进行如下分析论证：

（1）在研究区4.13km2范围内，枯水期地下水的储存量为629.99×104m3，相当于一座小型水库的容积，说明本区地下水储存资源较丰富。

（2）枯水季节补给研究区地下水的来源很少，主要来自本区西北侧地下径流，经计算其总补给量为42 663.1m3/d（0.494m3/s）；而规划实施的地下截渗墙抬高地下水位后，要求自流进入暗涵渠道的流量为1.0～1.5m3/s，可见所计算的补给量不能满足规划用水的要求。分析原因认为：研究区地形平缓开阔，地下水的天然水力坡度较小，多为0.003左右，加之西北侧主要补给区农田广布，枯水期正值农田灌溉期需抽取大量地下水，因而影响了对研究区的补给量。

（3）枯水期研究区地下水的补给来源和补给量有限，加上区内农田灌溉用水的消耗，可供自流开发利用的地下水流量更小，仅为0.416m3/s，远不能满足规划用水的要求。

（4）渠首和暗涵的底板高程已先后确定，暗涵埋深较浅，凡水位在144.68m以下的地下水不能自流进入暗涵渠道中，这是截潜工程实施前在枯水期地下水水位下降与河水流量锐减共同影响下渠道流量减少的原因。

（5）当截渗墙实施后，预计此种条件下对研究区地下水的补给量将小于0.494m3/s；同时，因区内外含水层存在良好的水力联系，在截渗墙两端必将产生绕墙流向下游，自流进入暗涵渠道的流量将会小于0.416m3/s；此外，截潜工程实施后，因地下水位上升将会导致大范围沼泽化、盐渍化和水质污染等环境地质问题。因此，为了满足枯水期规划用水的要求，在研究区采用截潜自流引水方案是不适宜的，需扩大研究思路，探讨其他经济合理、水源可靠、环境影响小的供水方案。经方案利弊比较［9］，考虑到研究区北汝河汛期流量较大，建议沿广阔渠附近开挖若干大型蓄水池，通过渠道直接导引北汝河汛期河水存入池内，待枯水期备用。目前该方案已被郏县主管部门采纳。