兴国县北部地下水补给量估算

何丽珊, 刘金辉, 李林波, 徐卫东

(东华理工大学,江西 南昌 330013)

地下水资源在保障人民生活、促进社会经济发展、维持生态平衡等方面均具有十分重要的作用,一个地区地下水资源量的多少通常取决于其地下水补给量的大小,同时,补给量是决定地下水开发利用的前提条件。

兴国县是著名的将军县,也是国家重点扶贫地区。通过调查发现,兴国县北部地区居民把地下水作为生活饮用水源,将地表水(河流、水库)作为农田与养殖用水水源,地下水资源的开发利用对当地人民生活具有不可替代的作用。本文结合兴国县北部高兴幅、均村幅1∶5万水文地质调查成果，运用地下径流模数法及降雨入渗系数法，对研究区地下水径流、补给、排泄条件进行研究,估算地下水补给量,为该地区地下水资源规划与开发提供依据。

1 自然地理

1.1 气象

研究区位于江西兴国县北部(东经115°00′～115°30′,北纬26°20′～26°30′),面积为920 km2,系亚热带季风湿润气候,气候温和,雨量充沛,年平均气温为18.8 ℃,多年平均降雨量1 560 mm,一般4—6月为汛期,占全年降水的48.5%,10月—次年2月降水相对较小[1]。

1.2 水文

图1 2016—2017年兴国地区月降雨量与多年平均月降雨量Fig.1 Monthly rainfall and annual mean monthly rainfall in Xingguo area from 2016 to 2017

研究区地表水系发育,主要河流有潋江、岁水、涧水及武术河,汛期来水集中期间,径流量约占年径流总量的五成[1]。此外,还拥有集防洪发电于一体的大Ⅰ型年调节水库长冈水库以及其他一些中小型水库。

1.3 地形地貌

研究区东部以低山、丘陵地貌为主,局部有中山、平原。按地貌成因类型分为侵蚀构造地形、构造剥蚀地形、丹霞地貌三类。研究区西部为中低山丘陵地形,主要为变质岩、花岗岩中低山区,花岗岩丘陵区,为侵蚀构造和构造剥蚀构造地形。

2 地质、水文地质概况

2.1 地质概况

研究区地层较发育,主要有青白口系、震旦系、寒武系、泥盆系、白垩系及第四系,出露面积771 km2,占研究区总面积的83.8%。从地质构造上看,研究区位处赣中南褶隆,大湖山芙蓉山隆断束中部。根据沉积建造,变形特征的不同,可划为新元古代—早古生代加里东褶皱基底、晚古生代印支褶皱盖层、燕山—喜马拉雅大陆边缘拉分盆地沉积(大陆活化型)三个构造层。研究区褶皱构造有基底褶皱与盖层褶皱,断裂构造长度一般>10 m,主要有北北东向、北东向、北西向及南北向断裂,还有发育弧形断裂及旋滑构造[2]。

2.2 水文地质概况

2.2.1 含水岩组

研究区含水岩组具有以下特征:第四系松散岩类孔隙含水岩组主要分布在岁水,潋江、涧水河流及其上游支流两岸,富水性中等—贫乏,水位、流量随降水量的变化而变化;白垩系砂砾岩孔隙裂隙含水岩组主要分布于中部的兴国红层盆地内,风化裂隙发育,富水性贫乏—极贫乏;寒武系变质岩裂隙含水岩组主要分布于研究区西部,地表风化裂隙发育,富水性贫乏—极贫乏;震旦系变质岩裂隙含水岩组主要分布于中部和东部,地表风化裂隙发育,含表层风化裂隙潜水,富水性贫乏;青白口系变质岩裂隙含水岩组主要分布在研究区东部的丘陵山地,发育风化裂隙,含风化裂隙潜水,富水性极贫乏;花岗岩裂隙含水岩组以燕山期花岗岩为主,其次为加里东期花岗岩主要分布于隆坪及长冈水库周边地区北部,裂隙不发育,富水性极贫乏。以上含水岩组地下水位及水量随降雨量的变化而变化,受气候影响较为明显,为当地村民生活用水水源。

2.2.2 地下水系统

地下水系统是具有水量,水质和能量输入、运移和输出的地下水基本单元及其组合,是指在时空分布上具有共同地下水循环的一个独立单元,它可以包括若干次一级的亚系统或更低的单位,是一个错综复杂,受各种自然因素、人为因素所控制的统一体。

研究区地下水系统确定的依据是:①根据地表水系流域,结合地形地貌特征确定地下水系统分布范围;②地下水系统边界由隔水岩层或分水岭确定。据此,将研究区地下水系统划分为5个五级地下水系统(如图2所示)。

图2 研究区含水岩组及地下水系统分布图Fig.2 Distribution map of water bearing rock group and groundwater system in study area1.第四系松散岩类孔隙含水岩组;2.白垩系砂砾岩孔隙裂隙含水岩组;3.寒武系变质岩裂隙含水岩组;4.震旦系变质岩裂隙含水岩组;5.青白口系变质岩裂隙含水岩组;6.花岗岩裂隙含水岩组;7.地下水系统边界;8.断层构造;9.河流、水库;10.潋江地下水系统;11.岁水地下水系统;12.涧水地下水系统;13.水槎乡地下水系统;14.武术河地下水系统。

3 地下水补给量估算

兴国北部地处基岩山区,地下水补给来源主要是大气降水的入渗补给,地下水径流途径较短,地下水位通常高于河水位。由于枯水期河流基流量主要由地下水转化而来,因而可以近似将其作为地下水的补给量。

3.1 计算方法

3.1.1 降水入渗系数法

降水入渗系数是指入渗补给量与降水量的比值,是研究大气降水、地表水、地下水三者间相互转化关系的重要水文地质参数。在确定降水入渗补给量时,一般是估算一年之内降水对地下水的总补给量,即

Q补=α×X×A×1 000

(1)

式中:Q补为大气降水入渗量(m3/a);α为降水入渗系数;X为年降水量(mm);A为补给区面积(km2)。

3.1.2 地下径流模数法

地下径流模数是指单位含水层分布面积上地下水径流量,表示一个地区以地下水径流形式存在地下水量的多少。地下径流模数是一个动态值,与地层岩性、降雨量、水文地质条件等因素有关[3]。

在基岩山区,枯水季节流域内的地表水系实际上起着排泄地下水的作用,该水量通常与地下水天然补给量相平衡。以裂隙含水岩组为主的山区,在分水岭地段及地势较高处,由于地形切割深、坡度大,大气降水大部分形成地表径流,少部分渗入岩石裂隙转化为地下水。经过短途径流后,由于地下水位高于地表水位,地下水则就地排泄于地表水中。在枯水期,由于含水岩组较长时间得不到大气降水的补给,先前获得补给且在径流中的地下水会不断排泄于地表,经过一定时间后,山区地表径流基本由地下水补给,形成了一个地下径流量与地表径流量相平衡的地下水与地表水系统。这种条件下,就可以用枯水期地表径流量近似估算地下水的排泄量。兴国县北部多为基岩山区,地下水径流具有以上特征。

若测得某一补给区域面积(Fi)内的地下水径流量(Qi),则地下径流模数用以下公式计算:

M=Qi/Fi

(2)

如果要计算整个地下水系统流域面积(F)内的地下水径流量(Q),则以此径流模数乘以所计算的汇水面积,就得到地下水径流量。

Q=M×F

(3)

3.2 计算参数

3.2.1 降水量

降水量采用兴国县2000—2017年年降水量(表1)。自2000年以来,研究区最大年降水量为2015年的2 265.8 mm,最小年降水量为2003年的1 016.2 mm,多年平均降水量为1 560 mm[1]。

表1 兴国县2000—2017年年降水量Table 1 Annual precipitation in Xingguo County from 2000 to 2017

3.2.2 降水入渗系数

表2 研究区不同含水岩组降水入渗系数计算结果Table 2 Calculation results of rainfall infiltration coefficient of different water bearing rock formations in the study area

注：α1、α2分别为本次降水入渗系数计算值及兴国幅1∶20万区域水文地质普查报告中的数据。

3.2.3 地下径流模数

为计算地下径流模数,在枯水期对代表性河流流量进行了统测(表3),并以河流基流量近似代表地下水的排泄量(近似补给量)。将所测流量除以所测河段上游汇水面积,即得到不同地下水系统的地下径流模数(表4)。

表3 研究区河流流量统测结果Table 3 The results of river flow measurement in the study area

表4 研究区不同地下水系统地下径流模数计算结果Table 4 Calculation results of underground runoff modulus of different groundwater systems in the study area

根据计算结果,可以看出不同地下水系统的地下水径流模数值相差较大,这主要与地形地貌条件有关(表4)。例如研究区西部的涧水、水槎水、武术河流域均处于地形陡峭的中低山区,地下径流模数较大(47.92～189.76 m3/km2·d),东部的潋江、岁水流域为低山丘陵区,其地下水径流模数相对较小(12.05～37.95 m3/km2·d)。

3.3 计算结果

3.3.1 不同含水岩组天然补给量

不同含水岩组天然补给量采用降水入渗系数法进行计算,计算结果如表5所示。不同含水岩组分布面积与天然补给量的关系如图3所示。

计算结果显示,地下水补给量与含水岩组分布面积及入渗系数呈正相关。第四系松散岩类孔隙含水岩组因其入渗系数远比其他含水岩组大,为1 609.92万m3/a,青白口系变质岩裂隙含水岩组因其分布面积小,补给量最小,为12.10万m3/a。位于图3的45°线上方为较富水区域,表明在分布面积一定的条件下,地下水补给量较大。其他几个含水岩组位于图3的45°线下方的较贫水区域,表明在一定分布面积下,地下水补给量相对较小。产生这一特征的主要原因是不同含水岩组的渗透系数不同,松散岩孔隙含水岩组渗透系数为25.8 m/d,花岗岩、变质岩裂隙含水岩组为0.44～4.15 m/d。

表5 研究区不同含水岩组天然补给量计算结果Table 5 Calculation results of natural recharge for different water bearing rock formations in the study area

注：表中降水入渗系数引自兴国县幅1∶20万区域水文地质普查报告。

3.3.2 不同地下水系统天然补给量

由于兴国北部基岩山区地下水交替强烈,枯水期地下水得不到大气降水补给,其河流流量主要由地下水转化而来。因而可将枯水期地下水补给河流的水量作为地下水排泄量。并将此排泄量近似作为地下水补给量[5]。地下水排泄量采用枯水期河流流量统测数据,运用地下径流模数法进行计算。计算得到研究区各地下水系统地下水补给量为1 593.87万m3/a,与用降水入渗系数法计算的含水岩组地下水补给量1 528.39万m3/a极为接近。由于各基岩含水岩组均为风化裂隙含水岩组,而风化裂隙含水层具有层状含水层特征,并可近似将其作为均质基岩裂隙水看待。因而认为这种水文地质条件的地下水补给量适合采用地下径流模数法计算,也就是说,研究区地下水资源量估算为1 593.87万m3/a,其中潋江50.14万m3/a,岁水764.78万m3/a,涧水265.86万m3/a,水槎水83.66万m3/a,武术河429.43万m3/a。各地下水系统地下水资源量为两种方法计算的平均值1 565万m3/a。

图3 不同含水岩组出露面积与天然补给量关系图Fig.3 Relationship between distribution area of different water bearing rock groups and natural recharge

地下水系统名称及代码地下水系统面积/km2地下径流模数/(m3·km-2·d-1)地下水补给量/(万m3·a-1)潋江(Ⅲ2-1-1)11412.0550.14岁水(Ⅲ2-1-2)559192.36764.78涧水(Ⅲ3-1-1)15247.92265.86水槎水(Ⅲ4-1-1)3369.4683.66武术河(Ⅲ5-1-1)62189.76429.43总计9201 593.87

在计算基岩山区地下水天然资源时,地下径流模数是由典型河段枯季实测流量得到的,可靠性大,基本可以代表研究河段流域内的地下水补给量。计算降水入渗系数所用数据,是水文站多年长期观测资料,所求得的降水入渗系数较为准确,同样可以代表地下水补给水文地质参数,地下水天然补给量计算结果可信。

4 结论

根据对江西兴国县北部地区地质、水文地质条件的分析以及对地下水补给量的计算得到以下结论:

(1) 运用降水入渗系数法计算得到不同含水岩组地下水天然补给量共计1 528.39万m3/a,运用地下径流模数法计算得到不同地下水系统天然补给量为1 593.87万m3/a,二者极为接近,均可代表所研究区域地下水天然补给量,建议值为两种方法计算得到的补给量平均值,即1 565万m3/a。

(2) 地下水天然补给量与含水层出露面积呈正相关,利用枯水期河流流量实测数据及水文站多年长观数据计算得到的地下水补给量可信可靠。