焦作市万方工业园及周边区域浅层地下水资源计算与评价

， ，2，，

(1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003；2.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001；3.河南省地矿局第二环境地质调查院，河南 郑州 450000)

焦作市万方工业园及周边区域浅层地下水资源计算与评价

陈越超1，张庆1，2，李玉嵩3，赵丽1

(1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454003；2.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001；3.河南省地矿局第二环境地质调查院，河南 郑州 450000)

为查明万方工业园区及周边区域浅层地下水资源状况，利用均衡法分析评价浅层地下水开采潜力。计算结果表明：研究区域的补给量为2.463×104m3/d，排泄量为0.763 5×104m3/d，平均开采潜力为1.700×104m3/d，区内浅层地下水水量充沛，水质良好，适合生产生活使用。为区域内水资源管理、开发利用提供科学依据。

万方工业园区；浅层地下水；资源评价；水均衡法

浅层地下水资源是焦作市的主要供水水源，随着城市人口增加和工业的发展，对水资源的需求量与日俱增。万方工业园区作为焦作市六大产业园区之一，未进行园区的总体供水规划，因此园区内各项目需自行解决项目取水水源问题。研究区水文调查资料较多，但没有完整的地下水资源评价，本文充分利用焦作市多年来的水文及水文地质资料、前人的研究成果[1]，以为研究区生产生活供水为目的，对园区及周边区域的浅层地下水资源进行评价，为区域内各项目制定水资源开发利用规划提供科学依据。

1 研究区概况

研究区西、南以山门河为界，东、北以万方工业园区边界为界，研究区面积22.4 km2(见图1)。研究区处在南北气候过渡带，属暖温带大陆性季风型气候，多年平均降水量584.7 mm，受地形及区域性气候条件影响，降水量由山区到平原逐渐减少；降水量年内分配不均，一般多集中在七、八月份，其次为六、九月份，汛期6—9月降水量占全年的64.8%～70.5%；降水量的年际变化较大，年最大降水量935.1 mm，年最小降水量327.4 mm，丰水年降水量达枯水年降水量的3倍以上。多年平均蒸发量1 700～2 000 mm，年平均气温14.2℃～14.8℃，无霜期年平均为216～240 d。

图1 研究区浅层水水均衡区及边界条件

研究区地处山前平原，分布大面积第四系堆积物。地层由老至新依次为：奥陶系、石炭系、二叠系、新近系、第四系。焦作市处于太行山隆起的南端与晋东南山字型构造东翼反射弧的前缘和东秦岭东西向构造带之北缘相交联合弧地带，加之基底岩性刚性极强，故本区以断裂构造为主要形态。

研究区内含水层是多期冲洪积作用而形成的，因此整个含水层组在空间的分布不稳定，自山前向平原区由单一结构逐步过渡到多层结构。含水层单层厚度约2～7 m，累计总厚度变化较大，一般在20～50 m之间，其富水性差异也较大。按推测降深5 m时单井涌水量(m3/d)的大小，论证区内浅层含水层划分为极强富水区、中等富水区。

极强富水区:涌水量大于5 000 m3/d，处于山门河冲洪积扇轴部区，主要位于焦作市马村区西韩王村--待王镇--北孔庄一带，论证区内面积8.2 km2。

中等富水区：涌水量1 000～3 000 m3/d·5 m。北部主要分布马村区待王镇，修武县周庄乡、五里源乡的山前坡洪积裙、冲洪积扇的扇间及扇前地带，论证区内面积14.2 km2。

2 地下水资源量计算

2.1 水文地质参数确定

本次计算所选参数主要参照《河南省焦作市幅1:10万区域水文地质普查报告》和本次进行的抽水试验确定。水文地质参数主要取值为：渗透系数(k)取值为23.92 m/d、重力给水度(μ)为0.13、山门河冲洪积扇：降水入渗系数(α)为0.25、山前倾斜平原：降水入渗系数(α)为0.20、灌溉回渗系数(β)为0.15、潜水蒸发系数(c)为0.100。

2.2 均衡方程的建立

利用均衡法原理[2]，在开采条件下，建立如下均衡式：

其中：Q补=Q降+Q河+Q回渗+Q径补

Q排=Q开采+Q径排+Q蒸发

式中：Q补为地下水总补给量(104m3/a)；Q排为地下水总排泄量(104m3/a)；μ为水位变动带给水度；F为均衡区面积(km2)；Δt为均衡时间段(a)；ΔH为与Δt对应的水位变幅(m)；Q降为降水入渗补给量(104m3/a)；Q回渗为灌溉与渠道回渗量(104m3/a)；Q河为山门河补给量(104m3/a)；Q径补为侧向径流补给量(104m3/a)；Q开采为工农业及生活用水开采量(104m3/a)；Q径排为侧向径流排泄量(104m3/a)。

2.3 地下水补给量计算

2.3.1 降雨入渗量计算

Q降渗=P×α×F

式中：Q降渗为大气降水入渗量(104m3/a)；P为大气降水量(mm/a)；根据焦作市水资源公报，焦作市区2014年降水量为541.6 mm；修武县2014年降水量为543.0 mm。α为大气降水入渗系数；F为计算区面积(km2)。本区降水入渗补给量计算结果见表1。

表1 论证区降水入渗补给量计算表

2.3.2 灌溉回渗量

区内农业灌溉采用井灌方式，根据灌溉定额、灌溉面积及有关农业开采量资料，利用下式计算灌溉回渗补给量。

Q回渗=β·F·A

式中：F为灌溉面积(亩)，研究区内机井灌溉农田地主要在卧龙岗村、磨台营村、王母泉村、张弓铺村、郜屯村、北孔庄、秦庄村东孔庄，井灌面积约1.06万亩；A为灌溉定额(m3/亩)，调查区内灌溉定额约为200；β为为灌溉系数，调查区内灌溉系数约为0.15。

计算结果为：灌溉入渗日补给量0.088(104m3/d)；灌溉入渗年补给量31.8(104m3/a)。

2.3.3 地下水侧向径流补给

计算公式如下。

Q径排=K·B·H·I

式中：K为渗透系数(m/d)，调查区内渗透系数约为23.92(m/d)；B为径流补给边界长度(km)，调查区内径流补给边界长度约为7.25(km)；H为含水层平均厚度(m)，调查区内含水层平均厚度约为27(m)；I为水力坡度(无量纲)，调查区内水力坡度约为0.21(%)。

计算结果为：调查区内侧向径流补给量约为0.983(104m3/d)；

2.3.4 河流补给量计算

山门河是山区流入平原区的主要河流，其潜流补给量可用断面法估算，河流补给量计算结果为：河道宽度300(m)；含水层厚度15(m)；渗透系数150(m/d)；水力坡度0.040；补给天数90 d；山门河日补给量0.666(104m3/d)；山门河年补给量243(104m3/a)。

2.4 地下水排泄量计算

区内浅层地下水的排泄方式主要为人工开采，地下侧向径流排泄[3]等。

2.4.1 侧向径流排泄量

据所选的断面位置、断面长度、含水层平均厚度、平均水力坡度、平均渗透系数、利用达西公式计算地下水径流量，计算公式如下。

Q径排=K·B·H·I

式中：K为渗透系数(m/d)，研究区内渗透系数约为23.92(m/d)；B为径流排泄边界长度(km)，研究区内径流排泄边界长度约为4.37(km)；H为含水层平均厚度(m)，研究区内含水层平均厚度约为27(m)；I为水力坡度(无量纲)，研究区内水力坡度约为0.27(%)。

计算结果为：Q径排—侧向径流排泄量(104m3/a)，研究区内侧向径流排泄量约为0.762(104m3)。

2.4.2 浅层地下水人工开采量计算

区内浅层地下水开采量主要包括工业开采量，生活开采量，农灌开采量等[4]。(1)井灌开采量。根据论证区内井灌面积，现状年的灌溉定额，算出井灌开采量，结果为：井灌面积约为1.06(万亩)；现状年灌溉定额为200；井灌溉日开采量约为0.581(104m3/d)；井灌溉年开采量约为212(104m3/a)。(2)工业开采量。焦作市健康元生物制品有限公司年开采量约317×104m3/a；万方铝业股份有限公司、东星氟化铝厂、金冠电厂、万方电厂等企业开采浅层松散岩类孔隙水开采量约32×104m3/a。区内浅层地下水工业开采量为349×104m3/a，即0.956×104m3/d。(3)生活开采量。均衡区内人口约为2.1万人，用水定额按每人每天100 L计；区内大牲口较少，本次计算不再纳入[5]。仅计算人口生活用水量：Q饮=0.21×104m3/d

2.4.3 浅层地下水蒸发排泄量计算

潜水蒸发系数与地下水位埋深有关[6]，水位埋深大于4 m时，蒸发很微弱视为不蒸发。区内浅层地下水位埋深一般大于4 m，仅在研究区东南部水位埋深小于4米，地表岩性多为粉土，地下水蒸发作用强烈，其蒸发量按下式计算：

Q蒸=10-5·ε0·c·F

式中：ε0为水面蒸发量，研究区内水面蒸发量约为1 248.7(mm)；c为潜水蒸发系数，研究区内潜水蒸发系数约为0.100；F为计算区面积，计算区面积约为4.5(km2)。

计算结果为：研究区内浅层地下水日蒸发量约为0.001 5(104m3/d)；研究区内浅层地下水年蒸发量约为0.562(104m3/a)

2.5 浅层地下水资源量

通过均衡计算得出以下结论：现状条件下，地下水的总补给量为2.463×104m3/d，总排泄量为2.510×104m3/d。地下水补给量小于排泄量，均衡差为-470 m3/d。地下水资源量总体负均衡，地下水位略有下降。论证范围内实际每年平均下降0.06m；根据均衡计算[7]，论证范围内每年下降0.059 m，两者相差0.002 m，说明均衡计算区水文地质模型概化及相关参数选择正确。均衡计算结果见表2。

表2 现状条件下地下水均衡计算表

3 地下水资源可开采量分析

地下水的可开采量是与补给和排泄所形成的地下水动平衡有关的[8]，它不包括含水层中得不到补偿的储存量。现状开采条件下，地下水的补给主要为大气降水入渗，灌溉回渗，山门河渗漏补给，地下水侧向径流补给等。地下水的排泄量主要为地下水的可开采量、蒸发量、地下水侧向径流排泄量。开采条件下地下水位达到稳定时均衡方程为：

(Q降+Q径补+Q河渗+Q灌渗)-(Q可+Q径排+Q蒸)=0

即：Q可=(Q降+Q径补+Q河渗+Q灌渗)-(Q径排+Q蒸)

式中：降雨入渗为0.726(万m3/d)；灌溉回渗为0.088(万m3/d)；河流补给为0.666(万m3/d)；径流补给为0.983(万m3/d)，补给量小计为2.463(万m3/d)。径流排泄为0.762(万m3/d)；蒸发排泄为0.001 5(万m3/d)，排泄量小计为0.763 5(万m3/d)。

计算结果为：现状条件下，浅层地下水可开采量为1.700×104m3/d。

表3 生活饮用水评价表 mg/L

4 浅层地下水水质评价

开采的浅层地下水要作为生产生活用水使用，因此本次评价选用GB/5749-2006《生活饮用水卫生标准》[9]作为评价标准，使用标准对比评价法，对水中的各种组分、单项指标进行取样分析计算，在此基础上进行分类、评判。根据本次地下水取样，进行地下水水质评价。具体结果见表3。

从表3可以得出，本次分析的水质指标均在标准界限值以内，浅层地下水水质满足《生活饮用水卫生标准》，地下水水质较好。

5 结语

对焦作市万方工业园区及周边地区区域浅层地下水资源进行评价，采用均衡法进行地下水资源量评计算，浅层地下水可开采量为1.700×104m3/d。根据水质分析结果，浅层地下水水质较好，经适当处理后适宜作为生产生活用水。

[1]柯礼丹.人均综合用水量方法预测需水量—观察未来社会用水的有效途径[J]. 地下水.2004.26(1)：1-6.

[2]戴岩柯，崔世新，张坤. 水均衡法和数值模拟法在矿坑深部涌水量预测中的比较—以西门矿为例[J]. 地下水.2010.32(1)：24-27.

[3]Ian Ondo, Janice Burns, Christian Piedallu. Catena.2017(153):207-218.

[4]Sananda Kundu-, Deepak Khare, Arun Mondal. Journal of Environmental Management[J]. Journal of Environmental Management.2017(197):582-596.

[5]Selda Murat Hocaoglu. Evaluation of on-site wastewater reuse alternatives for hotels through water balance[J]. Resources, Conservation and Recycling 2017(122):43-50.

[6]杨坡，张文娟，李自涛.河南省新乡市傍河水源地浅层地下水资源评价[J].节水灌溉.2015(10)：67-70.

[7]马传明，宁立波，王现国，等.中牟县浅层地下水资源评价[J].水文.2007(27)：80-84.

[8]张旭东，田国林.均衡法与解析法在地下水资源评价中的应用分析.地下水.2016(3)：12-14.

[9]GB/5749-2006 生活饮用水卫生标准.

TheshallowlayergroundwaterresourceevaluationofJiaozuowanfangindustrialparkandthesurroundingarea

CHENYue-chao1，ZHANGQing1，2，LIYu-song3，ZHAOLi1

(1.Institute of resources & environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, Henan；2.No.2 Institute of Geological & Mineral Resources Survey of Henan,Zhengzhou 450001, Henan.；3.No.2 Institute of Geo-environment Survey of Henan, Zhengzhou 450001, Henan.)

To find out the status of shallow groundwater resources in Wanfang Industrial Park, this paper uses the equilibrium method to analyze and evaluate the potential of shallow groundwater exploitation. The results show that the recharge area is 2.463×104m3/d, the excretion is 104m3/d, the average mining potential is 1.700×104m3/d. The shallow groundwater is abundant and the water quality is good, which can meet the requirements.

Wanfang industrial park；shallow layer groundwater；resource evaluation；water balance method

TV211.1+2

A

1004-1184(2017)06-0014-03

2017-07-10

国家自然科学基金项目(41402216)和河南省博士后经费联合资助

陈越超(1991-)，男，河南鹤壁人，在读硕士研究生，主攻方向：水文水资源。

李玉嵩(1983-)，男，河南平顶山人，高级工程师，主要从事地下水开发等方面研究工作。