阜阳市农灌区浅层地下水安全开采量评价
2015-08-28季叶飞束龙仓
刘 革,刘 波,季叶飞,束龙仓
(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)
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)
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。1956—2010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。
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
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9 775 km2,2010年总人口1 014万,位于东经114°53′～116°39′、北纬32°25′～33°31′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(1956—2010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1/8 000。
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130～147 m,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2 556.97 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;3—5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;6—9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;10—12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(1956—2010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449.9 mm,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97.6 mm,地下水位埋深由2.48 m增至5.93 m,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(1956—2010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
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
(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
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10—12月以及1—5月为非汛期,6—9月为汛期。以第4分区为例,起调埋深为2.07 m,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(1956—2010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。
表3 各行政分区地下水安全开采量(1956—2010年)
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5.21 m,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3—5月是农灌时期,农业灌溉需水量达到一年中最大,6—11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4—10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
由表4可见,农灌期3—5月合计开采量为3.599亿m3,约占年安全开采量的42.98%;6—9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。
[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.(WANG Chaopei,JI Ling.Analysis of environmental geological problems caused by hydrology and geological conditions and water supply of Anhui Huaibei plain[J].Groundwater,2011,33(5):115-116.(in Chinese))
[2] LEE C H.The determination of safe yield of underground reservoirs of the closed basin type [J].Transactions American Society of Civil Engineers,1915,78:148-151.
[3] THEIS C V.The source of water derived from wells: essential factors controlling the response of an aquifer to development[J].Civil Engineering,1940,10(5):277-280.
[4] TODD D K.Groundwater Hydrology[M].New York:Wiley,1959.
[5] DOMENICO P.Concepts and models in groundwater Hydrology[M].New York:McGraw Hill,1972.
[6] 王振龙,鲁程鹏,刘猛.地下水安全开采量的概念与评价[J].水文,2010,30(2):14-19.(WANG Zhenlong,LU Chengpeng,LIU Meng.Concept and estimation of safe yield of groundwater systems[J].Journal of China Hydrology,2010,30(2):14-19.(in Chinese))
[7] 王金生,王长申,滕彦国.地下水可持续开采量评价方法综述[J].水利学报,2006,37(5):525-533.(WANG Jinsheng,WANG Changshen,TENG Yanguo.Review on assessment methods of groundwater sustainable yield[J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,37(5):525-533.(in Chinese))
[8] 王家兵,崔爱敏.天津深层地下水安全开采量[J].技术经济研究,2007(7):32-34.(WANG Jiabing,CUI Aimin.Safe output of the deep groundwater in Tianjin[J].Study on Technical Economy,2007(7):32-34.(in Chinese))
[9] 殷丹,许春东,束龙仓,等.淮北市岩溶地下水可持续开采量及临界水位的确定[J].水电能源科学,2012,30(7):25-28.(YIN Dan,XU Chundong,SHU Longcang,et al.Research on sustainable exploitation yield and critical water level of karst groundwater in Huaibei City[J].Water resources and Power,2012,30(7):25-28.(in Chinese))
[10] LARSONA K J,MARINO M,BASSAGAOLU H.Prediction of optimal safe ground water yield and land subsidence in the Los Banos-Kettleman City area,California,using a calibrated numerical simulation model[J].Journal of Hydrology,2001,242(1):79-102.
[11] 王振龙,高建峰.实用土壤墒情监测预报技术[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[12] 王晓红,侯浩波.浅谈地下水对作物生长规律的影响研究[J].灌溉排水学报,2006,2(3):13-16.(WANG Xiaohong,HOU Haobo.The influence of shallow groundwater on crops growth laws[J].Journal of Irrigation and Drainage,2006,2(3):13-16.(in Chinese))
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.ZhongshanReservorirandHydropowerProjectManggementCenter,Zhongshan528403China; 2.CollogeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.SongliaoWaterResourcesCommissionoftheMinistryofWaterResources,Changchun130021,China)
According 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(1956-2010) show 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 method 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.
shallow groundwater; agricultural irrigation area; safe exploiting coefficient; safe exploitation quantity; depth to water table; Fuyang City
国家自然科学基金青年基金(41301017);国家自然科学基金(41172203,41201029)
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
10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.016
TV211.1+2
A
1006-7647(2015)04-0070-05
2014-03-06 编辑：郑孝宇)
