阜阳市农灌区浅层地下水安全开采量评价.pdf
水利水电科技进展, 2015, 35 4 Tel 025- 83786335E- mail jz hhu. edu. cnhttp / /www. hehaiqikan. cn 第 35 卷第 4 期 Vol. 35 No. 4 水 利 水 电 科 技 进 展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2015 年 7 月 Jul. 2015 基金项目 国家自然科学基金青年基金 41301017 ; 国家自然科学基金 41172203, 41201029 作者简介 刘革 1988 , 女, 陕西渭南人, 助理工程师, 主要从事地下水数值模拟及开发利用研究。E- mail 1049744891 qq. com DOI 10. 3880/j. issn. 1006- 7647. 2015. 04. 016 阜阳市农灌区浅层地下水安全开采量评价 刘革 1, 2 , 刘 波 2, 季叶飞3, 束龙仓2 1. 中山市水库水电工程管理中心, 广东 中山528403; 2. 河海大学水文水资源学院, 江苏 南京 210098; 3. 水利部松辽水利委员会, 吉林 长春130021 摘要 针对阜阳市农灌区水文地质条件和浅层地下水运动特点, 建立区域浅层地下水多年调节计算 模型, 通过调节地下水开采量使调节计算末期地下水位埋深能够恢复到起调埋深, 达到多年水均 衡, 得到阜阳市浅层地下水安全开采系数与安全开采量。19562010 年长系列的计算结果表明, 阜阳 市多年平均浅层地下水总补给量为17. 856 亿 m3, 安全开采系数为0. 469, 安全开采量为 8. 374 亿 m3; 结合以农灌区为主的阜阳市用水过程特点, 采用等比例法对浅层地下水安全开采量进行年内分配, 确定了阜阳市浅层地下水的年内逐月安全开采过程。 关键词 浅层地下水; 农灌区; 安全开采系数; 安全开采量; 地下水位埋深; 阜阳市 中图分类号 TV211. 1 2 文献标志码 A文章编号 1006- 7647 2015 04- 0070- 05 Research on safe exploitation quantity of shallow groundwater in agricultural irrigation area of Fuyang City/ /LIU Ge1, 2,LIU Bo2,JI Yefei3,SHU Longcang2 1. Zhongshan Reservorir and Hydropower Project Manggement Center, Zhongshan 528403 China;2. Colloge of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China;3. Songliao Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources,Changchun 130021,China AbstractAccording to the hydrogeological conditions and characteristics of groundwater movement of agricultural irrigation area in Fuyang City,China,this paper proposed a regional long- term combined regulation model of shallow grandwater. By regulating the groundwater exploitation, the depth to water table at the end could be restored to the beginning, achieving the long- term balance. Then,the safe exploiting coefficient and the safe exploitation quantity are obtained. The results based on a long series 1956 - 2010show that the average total recharge of shallow groundwater is 17. 856 108m3,the safe exploiting coefficient is 0. 469,and the safe exploitation quantity is 8. 374 108m3. Combining with the water using characteristics of agricultural irrigation area in Fuyang City,the of equal proportion is applied to calculate the annual distribution of the safe exploitation quantity of shallow groundwater. Finally,it is determined the monthly safe exploiting processs of shallow groundwater within one year in Fuyang City. Key wordsshallow groundwater;agricultural irrigation area;safe exploiting coefficient;safe exploitation quantity;depth to water table;Fuyang City 阜阳市位于安徽省西北部, 地处淮河流域, 地下 水是该区的重要供水水源, 也是维系区域生态平衡 和地质环境稳定的重要因素[1 ]。近20 年来, 由于人 口增长, 平原区农业灌溉和农村生活需水量不断增 大, 浅层地下水开发利用程度日益提高。浅层地下水 资源量受水文气象条件波动影响较为显著, 加上局部 地区水质污染, 使城乡供水安全和社会经济可持续发 展受到影响, 有必要研究农灌区浅层地下水安全开采 问题, 为地下水资源可持续利用提供技术支撑。 国内外有关地下水安全开采量的研究很多, 自 1915 年以来, Lee[2 ]和 Theis[3 ]相继从水均衡角度提 出并定义了安全开采量的概念, Todd[4 ]于 1959 年定 义安全开采量为不产生不良后果时可以从含水层获 取的水量, Demenico[5 ]于 1972 年指出了不良后果的 具体含义。近年来, 王振龙等 [6 ]国内多位学者也对 地下水安全开采量概念进行了探讨。评价地下水安 全开采量的方法很多, 主要有水均衡法、 开采系数 法、 数理统计和数值模型方法等[6- 7 ], 在实际应用中, 王家兵等 [8 ]对天津市易发生地面沉降的地区进行 了研究, 认为将地面沉降量控制在 10 mm/a 以内的 允许开采量即为深层地下水安全开采量; 殷丹等 [9 ] 采用人工神经网络方法计算了淮北地区岩溶地下水 的可持续开采量; Larsona 等 [10 ]以地面沉降作为约 束条件, 采用优化算法计算了 Los Banos- Kettleman 07 水利水电科技进展, 2015, 35 4 Tel 025- 83786335E- mail jz hhu. edu. cnhttp / /www. hehaiqikan. cn 城区的地下水安全开采量。本文拟沿用文献[ 6] 地 下水安全开采量的定义, 针对阜阳市浅层地下水位 动态特征, 建立地下水多年调节计算模型, 经 1956 2010 年的长系列调节计算, 得到安全开采系数与安全 开采量, 最后结合阜阳市用水特点, 采用等比例法确 定年内地下水安全开采过程。 1阜阳市概况 1. 1自然地理概况 阜阳市位于安徽省西北部, 淮河北岸, 总面积 9775 km2, 2010 年 总 人 口 1 014 万,位 于 东 经 11453 ~11639、 北纬 3225 ~ 3331之间, 属于 暖温带半湿润气候区, 有明显的过渡性特征, 年平均 气温 14. 6℃, 多年平均 19562010 年 降水量 891. 3 mm, 降水年内分配极不均匀, 主要集中在 6 8 月。全区属平原地区, 地势平坦, 总体自西北向东 南倾斜, 平均地面坡降为 1/8000。 1. 2区域水文地质概况 阜阳市位于中朝准地台南部, 二级大地构造单元 华北凹陷东缘, 新生代以来, 区内广泛沉积了巨厚的 具多层结构的河湖相沉积物, 其中第四纪地层发育齐 全, 分布全区, 厚度为130 ~147m, 东北地区稍厚。 阜阳市地下水类型为单一的松散岩类孔隙水, 根据地下水的埋藏条件、 水力特征及其与大气降水、 地表水的关系自上而下划分为潜水和承压水, 并将 赋存于 50 m 以上的全新纪、 晚更新纪地层中, 与大 气降水、 地表水关系密切的潜水或微承压水称为浅 层地下水; 将赋存于 50 m 以下的地层中, 与大气降 水、 地表水关系不密切的承压水称为深层地下水。 浅层含水层组为本文研究的目标含水层, 广泛分布 于全区, 其渗透性和富水性好, 渗透系数为 1. 05 ~ 5. 23 m/d, 水位埋深 1. 24 ~ 5. 84 m, 普遍较浅, 埋深 变化与地形总趋势基本一致, 自西北至东南逐渐变 浅, 如图 1 所示; 大部分地区单井涌水量大于 500 m3/d, 最大达 2556. 97 m3/d。 图 1阜阳市 2010 年浅层地下水平均埋深分布 浅层地下水主要接受大气降水、 河渠渗漏、 灌溉 水回渗及侧向径流补给; 排泄主要是开采和蒸发, 其 次为向地表水体泄流、 侧向流出; 水平径流受区域地 形影响, 自西北流向东南, 局部地段受地形控制流向 河流和低洼处。 1. 3地下水水位动态特征 阜阳市地下水动态变化主要受开采和水文气象 影响, 沿河一带主要受河水水位影响, 地下水水位动 态类型主要有开采型、 入渗- 开采型、 降水入渗型和 水文型。一般来说, 每年的 11 月至次年的 2 月, 降 水量、 蒸发量和开采量都较小, 地下水水位是一年中 相对稳定的时期; 35 月为主要的农业灌溉期, 降 水量少, 农业开采量大增, 蒸发量较大, 除沿淮河等 河流的局部灌区外, 平原区地下水水位均大幅度下 降, 一般 5 月下旬至 6 月上旬出现年内最低水位; 69 月为汛期, 降水量较大, 占全年的 70 ~80, 由于得到降水入渗补给, 且开采量较小, 地下水水位 普遍大幅度回升, 至 9 月下旬或 10 月上旬达到年内 最高水位; 1012 月地下水水位缓慢下降并逐渐趋 于平稳 图 2 ; 全年地下水水位呈现出“稳定下 降上升下降稳定” 的周期性变化。 图 2阜阳市周棚站多年平均 19562010 年 浅层 地下水年内水位变化过程 1. 4浅层地下水开发利用概况 阜阳市开采的浅层地下水主要用于农业灌溉, 其次为农村人畜饮水及部分工业企业生产, 浅层地 下水由于埋藏浅、 易开发, 成为阜阳市农村生产生活 的主要供水水源。阜阳市农业资源丰富, 是安徽省重 要的农副产品基地, 盛产小麦、 水稻、 大豆、 玉米和水 果、 蔬菜、 中药材等, 以旱作物为主; 农作物在全区广 泛分布, 需水量很大, 不同作物全生长期需水量不同, 如小麦需水量为449. 9mm, 大豆需水量为 426. 5 mm, 水稻需水量为 614. 5 mm[11 ], 这些水量在全生长期 的分配是确定灌溉制度、 制定排灌规划以及实施农 田排灌的重要依据; 同时, 地下水通过影响作物根系 生长, 进而影响作物耗水规律、 作物水分利用效率和 作物的产量 [12 ]。阜阳市降水的季节变化大, 且与农 作物需水过程差别较大, 为了满足农作物正常生长 需水, 需要大量开采地下水, 2010 年浅层地下水实 际开采量为 6. 824 亿 m3, 其中多达 55. 23 的水量 17 水利水电科技进展, 2015, 35 4 Tel 025- 83786335E- mail jz hhu. edu. cnhttp / /www. hehaiqikan. cn 用于农业灌溉。由于浅层地下水埋深较浅, 受水文 气象因素影响明显, 一旦遇到干旱年或连续干旱月, 浅层地下水资源量骤减, 地下水位埋深增大, 会造成 农作物大幅减产, 例如 2004 年春大旱, 自 2003 年 10 月至2004 年4 月降水量仅为97. 6mm, 地下水位埋深 由2. 48m 增至5. 93m, 造成冬小麦减产, 生态环境恶 化, 因此研究农灌区浅层地下水安全开采意义重大。 2浅层地下水安全开采量计算 2. 1地下水安全开采量 本文地下水安全开采量概念沿用王振龙等[6 ] 的定义, 即在一定时期内, 通过技术经济合理的取水 方案, 在不产生不能承受的生态环境问题, 满足地下 水资源、 生态环境和地质环境等功能的前提下, 达到 地下水资源可持续开发利用的最大开采量。针对农 灌区浅层地下水的补、 径、 排及供水特点, 将地下水 安全开采的目标确定为保证农业灌溉供水安全, 即 在一定的均衡期内, 浅层地下水位正常波动的条件 下, 保证地下水埋深不大于最大开采埋深, 同时调算 末期地下水埋深使其能够恢复至调节计算初期, 达 到多年水均衡。 2. 2地下水均衡计算 阜阳市浅层地下水补给包括降水入渗补给、 地表 水入渗补给、 灌溉入渗补给、 侧向补给等, 排泄包括地 下水开采、 蒸发、 河道排泄, 侧向流出等。通过逐年 19562010 年 地下水均衡分析, 阜阳市多年平均 总补给量为17. 856 亿 m3, 总排泄量为 19. 908 亿 m3, 储存量的变化量为 - 2. 052 亿 m3, 其中降水入渗补 给量为 16. 196 亿 m3, 占总补给量的 90. 7, 灌溉入 渗补给量为 0. 954 亿 m3, 地表水渗漏补给量为 0. 271 亿 m3, 地下水侧向补给量为 0. 435 亿 m3 , 补 给量按地下水均衡类型分区计算, 然后分配到阜阳 市各行政分区中, 计算结果见表 1。 表 1阜阳市各行政分区补给量统计 亿 m3 行政分区 降水入渗 补给量 地表水体入 渗补给量 灌溉入渗 补给量 侧向 补给量 总补给量 阜阳市区2. 8160. 0100. 0750. 0752. 976 临泉县2. 8380. 0130. 3280. 0813. 260 太和县3. 0050. 0140. 1480. 0813. 248 颍上县3. 2250. 0160. 0230. 0833. 347 阜南县3. 2560. 1630. 2340. 0863. 739 界首市1. 0560. 0550. 1460. 0301. 286 合计16. 1960. 2710. 9540. 43517. 856 2. 3安全开采系数 土壤水是水资源转化环节的重要组成部分, 农 作物生长是否需要灌溉, 关键取决于田间土壤含水 量的多少, 若土壤含水量在适宜作物生长的范围内, 就不需要灌溉, 否则就要考虑灌溉或排水。农灌区 饱和带内, 根据潜水水量平衡原理, 可以有 ΔW μΔh αgP - E - Wa- Q 1 式中 ΔW 为含水层水量变化量, mm; μ 为含水层的 给水度; Δh 为含水层水位变幅, mm; αg为降水入渗补 给系数; P 为时段降水量, mm; E 为时段潜水蒸发量, mm; Wa为时段弃水量, mm; Q 为时段开采量, mm。 根据阜阳市实际情况, 在地下水资源调节计算 中存在不引起作物受渍的最小安全地下水位埋深 Dmin、 不产生生态环境及地质问题的最大安全地下 水埋深 Dmax; 当时段地下水位埋深 Di< Dmin时, 作物 受渍, 必须排水, 适度开采地下水是安全的, 此时的 安全开采系数为 1; 当 Dmin≤Di≤Dmax时, 抽水井可 以正常抽水; 当 Di>Dmax时, 为破坏时段, 需调整开采 方案, 减小开采量或停止开采, 使地下水位埋深恢复 到小于 Dmax。由此得到地下水多年调节计算数学模 型如下 η 1Di< Dmin α gP - E - Wa /α gP Dmin≤ Di≤ Dmax 0Di> D { max 2 Q安 ηQ总补 3 式中 η 为时段安全开采系数; Di为时段地下水位 埋深, m; Dmin为最小安全地下水位埋深, m; Dmax为最 大安全地下水位埋深, m; Q安为安全开采量, 亿 m3; Q总补为总补给量, 亿 m3。 根据各县区土壤岩性和起调埋深的不同, 阜阳 市分为 5 个计算分区 图 3 , 分别计算确定各分区 的安全开采系数和安全开采量。由水文地质资料得 各分区计算参数如表 2 所示。 图 3阜阳市计算分区 表 2各分区计算参数 分区 编号 土壤岩性μ 起调 埋深/m Dmin/mDmax/m 1亚黏土、 亚砂土互层0. 0402. 810. 5110. 00 2粉砂土、 亚黏土互层0. 0453. 400. 5110. 00 3亚黏土0. 0353. 490. 498. 00 4黏土0. 0302. 070. 458. 00 5亚黏土0. 0352. 490. 458. 00 27 水利水电科技进展, 2015, 35 4 Tel 025- 83786335E- mail jz hhu. edu. cnhttp / /www. hehaiqikan. cn 针对灌区地下水水位动态特征, 采用上述地下 水多年调节计算模型对阜阳市浅层地下水水位动态 特征进行模拟。调节地下水开采量, 当调算末期地 下水埋深恢复至起调埋深时, 达到多年水均衡, 可得 到安全开采系数与安全开采量。以第 4 分区为例, 多年旬降水量过程及水均衡模拟计算结果如图 4 ~ 6 所示, 调算末期地下水埋深恢复到调算初期的 2. 07 m。 图 4旬降水量随时间变化过程 图 5旬降水入渗补给量随时间变化过程 图 6旬地下水位埋深随时间变化过程 3结果分析 3. 1浅层地下水安全开采量 以旬为计算时段, 调节计算期为 1956 年 10 月 至2010 年9 月, 共54 个灌溉年, 1944 个时段。灌溉 年是 10 月至次年 9 月, 其中 1012 月以及 15 月 为非汛期, 69 月为汛期。以第 4 分区为例, 起调 埋深为2. 07m, 在调节计算期内, 地下水位埋深均在 最大开采埋深 8 m 以内, 能够保证充足的灌溉水量。 分别对各分区进行上述调节计算, 得到各分区安全 开采系数和安全开采量, 然后按照面积权重将其分 配到各行政分区, 得到各县区地下水安全开采系数 与安全开采量 19562010 年 如表 3 所示。 从表 3 可以看出, 地下水安全开采量不仅取决 于该地区的总补给量, 还取决于安全开采系数。阜 阳市浅层地下水安全开采系数为 0. 469, 安全开采 量 为8. 374亿m3。 受水文地质条件和下垫面条件 表 3各行政分区地下水安全开采量 19562010 年 行政分区 总补给量/ 亿 m3 安全开采 系数 安全开采量/ 亿 m3 2010 年实际 开采量/亿 m3 阜阳市区2. 9760. 4551. 3541. 222 临泉县3. 2600. 4731. 5421. 682 太和县3. 2480. 5321. 7281. 147 颍上县3. 3470. 3681. 2320. 818 阜南县3. 7390. 5061. 8921. 184 界首市1. 2860. 4870. 6260. 771 合计17. 8560. 4698. 3746. 824 差异影响, 不同分区安全开采系数不同, 其中太和县 最大, 为 0. 532, 颍上县最小, 为 0. 368, 其余大部分 在 0. 473 ~0. 506 之间。 将阜阳市不同行政分区浅层地下水安全开采量 与 2010 灌溉年 2010 年 10 月至 2011 年 9 月 实际 开采量对比发现, 临泉县和界首市实际开采量超过 了安全开采量, 期末地下水位埋深分别增至 5. 07 m 和5. 21m, 可能导致植物无法正常生长, 需要调整取 水结构, 尽量减少浅层地下水的开采; 颍上县现状开 采量小于安全开采量, 可以适当加大开采向其他地 区输水, 使浅层地下水得到更充分的利用。 3. 2年内地下水安全开采过程 浅层地下水主要的供水对象为农业灌溉和农村 生活, 其次是部分工业生产用水, 阜阳市各供水对象 的需水量具有一定的规律, 一般 35 月是农灌时 期, 农业灌溉需水量达到一年中最大, 611 月降水 丰沛, 需水量减少, 11 月至次年 1 月基本不需灌溉; 农村生活用水在 410 月需水量较多, 11 月至次年 3 月需水量较少; 工业用水开采浅层地下水较少, 且 各月用水量稳定。根据不同供水对象的用水特点, 确定各部门的年内逐月需水量过程, 并对各部门需 水量进行叠加得到逐月综合需水量, 采用等比例法 对地下水安全开采量进行年内分配, 得阜阳市年内 逐月地下水安全开采量如表 4 所示。 表 4阜阳市逐月需水过程及安全开采过程 月份 农业灌溉 需水量/ 亿 m3 生活 需水量/ 亿 m3 工业 需水量/ 亿 m3 综合 需水量/ 亿 m3 综合需水 过程分配 比例/ 安全 开采量/ 亿 m3 100. 1980. 1400. 3384. 240. 355 200. 1980. 1400. 3384. 240. 355 30. 7950. 1980. 1401. 13314. 201. 189 40. 7950. 2130. 1401. 14814. 391. 205 50. 7950. 2130. 1401. 14814. 391. 205 60. 1590. 2130. 1400. 5126. 420. 538 70. 3180. 2130. 1400. 6718. 410. 704 80. 3180. 2130. 1400. 6718. 410. 704 90. 3180. 2130. 1400. 6718. 410. 704 100. 1590. 2130. 1400. 5126. 420. 538 110. 1590. 1980. 1400. 4976. 230. 522 1200. 1980. 1400. 3384. 240. 355 全年3. 8162. 4811. 6807. 9778. 374 由表 4 可见, 农灌期 35 月合计开采量为 37 水利水电科技进展, 2015, 35 4 Tel 025- 83786335E- mail jz hhu. edu. cnhttp / /www. hehaiqikan. cn 3. 599 亿 m3, 约占年安全开采量的 42. 98; 69 月 为雨季, 灌溉水量减少, 需水量也相应减少, 开采量 为 2. 65 亿 m3, 约占年安全开采量的 31. 65; 12 月 至次年 2 月农业灌溉基本停止, 地下水开采量很少, 为 1. 065 亿 m3, 占年安全开采量的 12. 72, 主要用 于农村生活和少量的工业生产用水。 4结语 阜阳市浅层地下水位埋深浅、 易开发, 地下水水 位主要受开采和水文气象影响, 开采的地下水主要 用于农业灌溉, 其次用于农村生活和工业生产。针 对阜阳市农灌区地下水运动特点, 采用地下水多年 调节计算模型对地下水水位动态特征进行模拟, 以 调节计算末期地下水位埋深恢复到起调埋深为目 标, 得到阜阳市安全开采系数为 0. 469, 安全开采量 为 8. 374 亿 m3; 不同分区安全开采系数及相应的安 全开采量不同。根据需水过程, 采用等比例法确定 了年内地下水安全开采过程, 计算结果可为阜阳市 浅层地下水安全开采提供可靠依据。 参考文献 [1]汪超培, 计岭. 安徽淮北平原水文地质条件与供水引发 的环境地质问题分析[J] . 地下水, 2011, 33 5 115- 116. 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