基于最小枯季法的青海省兴海县地下水资源量评估

李媛媛

(青海省水文水资源测报中心，西宁 810000)

0 引 言

水资源是我国不可或缺的重要战略资源，地下水作为水资源的重要组成部分，由于其具有埋藏地下不易污染、分布广、水质优且产量较为稳定等优势[1]，早已成为国内干旱和半干旱地区人民主要生产生活水源[2]。但自20世纪80年代以来，国内因经济建设的需求和人民生活水平的提高，地下水开采量逐年急剧攀升，造成多地区地下水位下降，地下水资源量短期内大幅减少，其中尤以北方干旱地区最为严重[3]。因此，如何有效进行区域地下水资源量评估，以便快速科学地掌握区域地下水资源量现状，加以合理地开发利用，对于当地民生发展和社会经济和谐稳定具有重大意义。

我国部分山区因交通条件的不便和自然环境的恶劣，难以进行精细化野外实地调查并获取详细的水文地质条件，因此在计算该类型地区中通常以流域基流量作为山区地下水主要排泄量，并据此计算该区域的地下水资源量[4]。本文以青海省兴海县为研究区，基于区内代表性水文站1956-2010期间不同年份间的径流量数据，采用最小估计法进行流域基流分割，并在此基础上结合流域基径比进行研究区地下水资源量评估，以期为兴海县地下水资源的开发利用和饮水工程的建设提供理论依据。

1 研究区概况

研究区隶属青海省海南藏族自治州(图1)，地处柴达木盆地东部边缘，位于西秦岭山地西端与青南高原北缘的交汇地带，属于“三江源”国家自然保护核心区。

图1 研究区区域位置图

研究区山脉均属昆仑山系三、四级山脉，西北部为鄂拉山，西南角为布尔汗布达山的余脉，南部为积石山(阿尼玛卿山)北缘，山区面积占研究区总面积约80%。区内盆地受周边山脉挟持较为发育，以北东部的共和盆地(境内仅为其南缘)和兴海-同德盆地为主，多属山间断陷盆地和堆积地貌类型，同时由于流水地质作用在区内形成几处较大的谷地，多属侵蚀堆积地貌。

研究区以黄河为各支流水系主要侵蚀基准面[5]，河流总长度约2 652.8 km，流域面积10 184.5 km2，占区内水文总面积的83.6%，其主要支流信息见表1。

表1 研究区主要支流信息一览表

研究区内大气降雨和雪山冰雪融水是区域内主要的地下水及地表水补给源，其中地下水又受到地表水的二次补给，因此地下水补给源总共有3类：大气降水、雪山积雪消融水及地表水补给。其中，因研究区位于半干旱区，大气降雨稀少，多年平均降雨量仅约240～580 mm，枯水季雨量只有7.3～34.4 mm，且降水时空分布不均，大气降雨对地下水补给量相对较少；研究区四面环山且海拔较高，山顶积雪极厚，在夏季来临时，气温升高大量冰雪消融通过地表岩石裂隙下渗补给地下水；同时研究区多数河流水位高于地下水水位，特别是在丰水期期间受到降雨和冰雪融水双重补给，河流流量和水位更加暴涨，入渗地下补给区面积激增，大量的地表水在此阶段转化为地下水。

综上所述，研究区地下水补给来源主要为山区冰雪融水和地表水，次要补给源为大气降雨。研究区地下水径流能力总体比较差，受地质构造和大地貌特征的影响，地下水流向总体上都是指向地势低洼的河流，径流方向与构造线延展方向大体相似，在径流过程中受侵蚀切割或于地势低洼处主要以泉的形式作为主要排泄方式。

研究区地处牧区较为偏远，地广人稀使得地下水开发程度较低，同时自然环境的恶劣使得区域内水文地质调查程度粗糙，研究区相应水文地质资料极少，综合导致该区域地下水资源未能到充分利用，多数以泉的形式流失于地表。全区共有地下水取水井67眼，主要分布在河卡镇和子科滩镇，其中日取水量大于等于5 000 m3/d的井共有4眼，地下水取水总供水量约为0.58×104m3/d。

2 研究方法

2.1 方法选取

目前，地下水资源评估方法众多，不同方法均存在各自区域适应性和局限性，选择合适的方法应用于相宜区域对于地下水资源量计算结果具有直接影响作用[6]。研究区山区面积占区域总面积的80%，且多为无人踏足之地，水文地质调查难度高导致所获取野外资料稀少。同时区域内地下水多数是通过泉的形式排泄直接顺地势低洼处汇入地表河流，极少受到人为干扰影响，研究区整体地下水的补给和排泄均处于天然的状态。综上，研究区具有资料掌握度低且地下水补径排受人为扰动作用小的特点，因此选取水文分析法进行研究区地下水资源量评估。

水文分析法基本原理在于一个地下水系统对其水量循环的过程来说，无论其补给是多么的复杂，补给量总是要转化为地下水径流量，而径流量又在适当的地方流出地表形成为地表水[7]，因此其主要通过地下水的排泄量对地下水资源量进行评估，特别适用于地下水研究程度较低且排泄量基本都属于天然径流量的地区。研究区属于山丘区，山丘区地下水资源量近似等于流域基流量、浅层地下水实际开采量和潜水蒸发量等各排泄量之和[8]，但区内多数为高寒冻土地区，潜水蒸发量、浅层地下水实际开发量极小，可忽略不计。故研究区地下水资源量大致可等同于区域流域基流量。

2.2 评估思路

水文分析法评估精度取决于流域测流和基流分割的精度，因此本文采用最小枯季法分割流域径流过程线计算流域基流量，又称之为直线平割法，该方法已应用于较多类似地区且效果良好[9-10]。原理为选用枯季年内月径流量的最小平均值(最小月平均或连续几个月最小平均值)为基线，平行切割全年径流量，直线以下部分即为流域基流量。该方法反映了年内基流量下限，防止直线斜割法切割结果较小，而且适用于任何地区，只需要年内每月的径流量，将径流量最小平均值连接起来进行切割就可以得到流域基流量。

本次评估具体思路如下：

1) 根据研究区流域径流量观测资料，通过将代表站用最小枯季法来分割流域径流过程线计算流域基流量，然后算出该站的基径比。

2) 根据流域基流量分割成果建立该站流域径流量(R)与流域基流量(Rg)的关系曲线，再根据该站流域径流量从R-Rg关系曲线得出逐年流域基流量。

3) 在对有水文站控制的地区，采用基径比查算流域基流量；对未被水文站控制的研究区其余地区，采用类比法对相似地区基径比查算流域基流量。

3 结果分析

兴海县境内有水文站点3个，分别为黄河支流曲什安河大米滩站、大河坝河上村站和黄河干流唐乃亥站。由兴海县水务局提供各个站点水文资料，见表2、表3。

表2 研究区径流量资料

表3 1957年研究区各河流对应水文站径流量 /108 m3

由表2可知，1956-1959年为最小径流量年份，可判定为枯季年，因此选取该期间1957年为切割年。由表3数据可知，1957年大米滩站、上村站和唐乃亥站最小径流量月份均为12、1和2月份，且可以算出各自对应最小平均径流量分别为3.390×108、1.133×108和92.822×108m3；以该值为基准线，对该站径流过程线进行水平切割，切割线以下的径流量即为各水文站对应流域基流量。各水文站径流量切割曲线图见图2。

图2 1957年研究区各河流径流量切割曲线

结合表2和图2可知，由最小径流量月份12、1和2月份计算可得大米滩站切割基准线流量值为3.390×108m3，故基流量小于切割基准线流量为1月份的径流量3.343×108m3；同理可得，上村站切割基准线流量值为1.133×108m3，基流量为1月份的径流量1.097×108m3；唐乃亥站切割基准线流量值为92.822×108m3，基流量为1月份的径流量92.176×108m3。同时依据所得基流量值，结合各河流基流量和相对应水文站径流量计算出各自基径比。

上述所得河流计算结果汇总见表4。

表4 研究区水文站流域基流量分割计算成果表

研究区地下水资源总量等于区域内流域基流量之和，基于表4基径比计算结果，依据当地水务局所提供研究区各流域径流量多年观测资料平均值，通过基径比来计算各流域多年平均基流量值。其中，对有水文站控制的地区，即曲什安河区、大河坝河区，通过表4实际所得基径比进行计算。

对没有水文站控制的地区，即中铁沟区、内陆河区、河卡区，采用同级且具有类似水文地质条件的河流所得基径比参与计算。如中铁沟河和曲什安河都属于黄河一级支流，河流沉积物基本一致，河床周边围岩渗透性基本相同，且二者枯水季均受同一区域地下水补给，因此基径比可采用曲什安河所得值；内陆河区和河卡区与大河坝河区同理。

最终计算结果见表5，所得研究区地下水资源总量为4.318 5×108m3。

表5 研究区各流域基流量计算结果表

4 结 论

本文以青海省兴海县为研究区，研究区属于山丘区，地下水资源量近似等于流域基流量。基于区内代表性水文站1956-2010期间不同年份间的径流量数据，利用最小枯季法进行区域内典型水文站点流域径流量进行切割，得到水文站对应流域切割基准线，从而得到各流域基流值，并进一步计算出流域对应基径比。再结合各流域径流量多年观测资料平均值，对流域周边有水文站点的区域(曲什安河区和大河坝河区)用所得的基径比进行多年平均基流量反演计算，对没有水文站点的区域(中铁沟区、内陆河区和河卡区)则采用处于类似水文地质背景流域的基径比进行多年平均基流量反演计算，五大流域基流量之和即为研究区地下水资源量，最终计算得到青海省兴海县多年平均地下水资源量为4.318 5×108m3。