索瑞厅，张绍兴，姜德强，李 铱，3*，李旭峰

(1.内蒙古大学生态与环境学院，中国 呼和浩特 010021；2.内蒙古自治区第七地质矿产勘查开发院，中国 呼和浩特 010020；3.天津大学建筑工程学院，中国 天津 300350；4.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，中国 保定 071051)

水是一种非常珍贵的资源，也是环境组成的基本要素，当今世界所面临的“人口、资源、环境”三大问题都直接或间接与水有关[1，2]。在干旱及半干旱地区水资源严重匮乏，地表水资源时空分布极不均匀，地下水资源已成为该区域社会经济发展和生态环境建设不可或缺的部分[3]。一旦人类活动超过了地下水系统的承载力，地下水水位和水质、包气带水分和盐分等状态将发生变异，进而会引起生态环境问题[4]。因此，地下水资源评价成为国内外研究热点。合理地评价、分析区域地下水资源及可开采潜力，是保证区域地下水可持续利用的研究基础，也是指导区域合理规划、配置水资源的理论基础[5，6]。

内蒙古多伦县位于农牧业交错带核心区，是京津冀通往塞北的节点重镇。作为京津地区生态屏障的重要组成部分, 其水生态环境的优劣关系到周边地区的发展[7]。近年来，随着全县城镇化的发展，地下水资源开采量逐渐加大，局部地区地下水资源短缺已成为工农业发展的制约因素。前人对该地的研究主要集中于土地荒漠化[8]、土地利用[9]以及气候变化等[10]，但有关多伦县地下水资源方面的研究较为匮乏，缺乏对该区地下水水量与可开采潜力的研究。笔者利用1953—2014年长周期数据，首次系统地计算了全县地下水资源量；采用水均衡法和开采系数法对研究区进行地下水资源评价和可开采潜力分析，以期为多伦县合理调整产业布局及正确指导未来水资源规划提供理论依据。

1 研究区域、资料来源及研究方法

多伦县(41°46′～42°36′N,115°55′～116°54′E)位于锡林郭勒盟东南部，属于我国东部季风区半干旱向半湿润过渡地带，大陆性气候显著[11，12]。丰水年降水量大于435 mm，枯水年降水量小于335 mm，多年平均降水量372.40 mm，降水量多集中在5～9月。多年平均蒸发量为1 322.90 mm，主要集中在4～10月，约占全年蒸发量的80%。多伦县属滦河流域上游，为滦河源头。境内河流水系比较发育，大小河流47余条，较大的河流有滦河、闪电河、黑风河、吐里根河和小河子河等。

按照区内水文地质特征和富水性的不同，全县分为5个地下水系统(见图1)。(1)闪电河流域系统，含水层主要由粉细砂组成，含水层厚度为11.92～146.01 m，水位埋深为0.86～15.29 m，单井涌水量为742.56～1 760.03 m3·d-1；(2)黑风河流域系统，含水层由细砂、粉细砂及粉砂组成，含水层厚度为76.47～84.57 m，水位埋深为1.42～2.12 m，单井涌水量为1 605.31～1 767.90 m3·d-1；(3)小河子河流域系统，含水层由细砂、砂砾石、玄武岩组成，含水层厚度为10.84～29.27 m，水位埋深为1.16～5.46 m，单井涌水量为855.74～1 650.86 m3·d-1；(4)吐里根河流域系统，含水层由第四系粉细砂、细砂、砂砾石及白垩系玄武岩组成，含水层厚度为8.30～24.25 m，水位埋深为2.15～8.19 m，单井涌水量为102.6～202.7 m3·d-1；(5)滦河流域系统，含水层由第四系中粗砂、细砂组成，含水层厚度为8.82～20.77 m，水位埋深为1.25～6.23 m，单井涌水量为432.09～1 431.04 m3·d-1。

图1 多伦县地下水系统分区

资料来源于区域地质调查报告、区域水文地质调查报告、多伦县地下水普查和详查研究成果、多伦县气象站1953—2014年气象资料(多年月平均降水量、蒸发量等)以及内蒙古自治区第七地质矿产勘查开发院于2013—2014年抽水试验和勘察获取的水文参数及水量数据。

目前，关于地下水资源量的计算方法有多种，主要包括水均衡法、解析法、数值法和随机模型法等。其中，水均衡法具有原理简单、可操作性强、能利用区域长系列动态资料等优点，适用于多伦县水资源量的计算。水均衡法基本原理就是将均衡区看做一个整体，把某一均衡时段内的地下水补给量和排泄量差值视为该均衡区含水层中地下水储存量的变化量，其总量维持守恒[13，14]。

在水资源利用中，如果掌握不好地下水开采界限，可能会引起含水层枯竭、地面沉降和土壤盐渍化等问题[15]。因此，开采之前对水资源进行可开采潜力分析至关重要。研究区贫水地段地下水主要用于人畜生活用水，开采量小，对其进行开采潜力分析意义不大，而富水地段地下水主要用于农业灌溉和集中供水，开采量大，易产生环境地质问题。因此，地下水可开采潜力分析仅针对富水地段，这样可以更有针对性地提出地下水资源区划建议，为未来多伦县产业布局调整及经济发展规划提供水文地质依据。地下水可开采潜力分析以开采潜力指数作为评判依据，计算公式为P=Q可开采资源/Q现状开采量，其中：P为开采潜力指数；Q可开采资源为地下水可开采资源量，104m3·a-1；Q现状开采量为地下水现状开采量，104m3·a-1。P>1.2说明有开采潜力，可扩大开采；1.2≥P≥1.0证明该区为采补平衡区；P<1.0表明潜力不足，已超采。

全区富水地段划分重点考虑地下水系统特征、地下水补径排条件、富水层位与富水性、水质情况、开采技术条件、开发需求和供水目的等因素，同时依据抽水试验按系统划分。将含水层厚度大、水量丰富、单井涌水量大于500 m3·d-1的地段划为富水地段。研究区优选出4个富水地段(见图2)，分别为闪电河富水地段、黑风河富水地段、小河子河富水地段和滦河富水地段。

图2 多伦县潜水富水地段分布图

2 结果与分析

2.1 地下水资源量与地下水开采潜力计算

地下水资源量计算涉及水文地质参数确定、地下水补给量和排泄量计算；地下水开采潜力计算包括富水地段地下水可开采资源量和现状开采量计算。

2.1.1 水文地质参数 本研究水文地质参数根据综合分析2013—2014年多伦县地下水资源勘察与区划项目野外调查获取资料和研究区中已有水文地质资料确定。

2.1.1.1 大气降水入渗系数 大气降水入渗补给主要受包气带岩性、水位埋深、地貌及降水特征等因素影响。利用地下水动态观测资料和降水量资料计算求得大气降水入渗系数，数值见表1。

表2 蒸发强度计算表

2.1.2 地下水补给量计算

2.1.2.1 大气降水入渗量 计算公式为Q雨渗=αFX/10，式中：Q雨渗为大气降水入渗量，104m3·a-1；α为大气降水入渗系数；F为降水入渗面积，km2；X为有效降水量，mm。根据多伦县气象站资料可知均衡期内多年平均降水量为372.40 mm，有效降水量为245.44 mm。

经过计算，各计算区在均衡期内大气降水入渗量依次为470.48×104m3(Ⅰ区)，5 168.89×104m3(Ⅱ区)，3 597.47×104m3(Ⅲ区)，1 280.73×104m3(Ⅳ区)及1 596.58×104m3(Ⅴ区)。

2.1.2.2 断面径流补给量 计算公式为Q径补=365KLHJsinα×10-4，式中：Q径补为断面径流补给量，104m3·a-1；K为渗透系数，m·d-1；L为断面宽度，m；H为含水层平均厚度，m；J为水力坡度；α为流线与断面的夹角，(°)。各计算区中只有闪电河流域下游计算区和吐里根河流域计算区有径流补给，计算结果见表3。

表3 断面径流补给量计算表

2.1.2.3 洪水入渗补给量 计算公式为Q洪补=FKZT×100/24，式中：Q洪补为洪水入渗补给量，104m3·a-1；F为洪水淹没区面积，km2；KZ为淹没区包气带垂向渗透系数，m·d-1。T为实际行洪时间，h。

根据多伦县气象站资料可知，2013—2014年降水量为347.00 mm，多年平均降水量为372.40 mm，多年平均降水量是2013—2014年降水量的1.07倍。多年洪水入渗补给量按2013—2014年洪水入渗补给量的1.07倍计。在2013—2014年研究区共发生2次洪水(一般年份发生洪水1～3次，平均约为2次)，每次行洪时间约为8 h，洪水期淹没范围通过行洪期后边缘痕迹确定，垂向渗透系数采用在河谷一带野外渗水试验数据。洪水入渗补给量计算见表4。

表4 洪水入渗补给量计算表

2.1.2.4 地下水灌溉回渗量 计算公式为Q回渗=Qaβ，式中：Q回渗为地下水灌溉回渗量，104m3·a-1；Qa为灌溉开采量，104m3·a-1；β为灌溉回渗系数，取值为0.15。计算结果见表5。

表5 地下水灌溉回渗量计算表

2.1.3 地下水排泄量计算

2.1.3.1 断面径流排出量 根据区域水文地质条件和地下水流场可知，研究区只有滦河流域有两处径流排泄。断面径流排出量(Q径排)计算方法和Q径补计算方法相同，计算结果见表6。

表6 断面径流排出量计算表

2.1.3.2 潜水蒸发量 计算公式为Q蒸发=EgF×100，式中：Q蒸发为潜水蒸发量，104m3·a-1；Eg为潜水蒸发强度，m/a；F为潜水蒸发面积，km2。计算结果见表7。

2.1.3.3 潜水人工开采量 多伦县多年潜水人工开采总量为1 758.08×104m3·a-1，各分区多年潜水人工开采量通过水利部门资料获得。

2.1.3.4 河流排泄量 研究区内闪电河、黑风河、小河子河、吐里根河和滦河经实际测流，结果表明5条河流均排泄地下水。河流多年平均排泄量根据2013—2014年勘查实际测流结果和收集水利部门河流径流时间进行计算而得。

2.1.4 富水地段地下水可开采资源量计算 富水地段地下水可开采资源量计算采用开采系数法,公式为Q可开采资源=Q补×α，式中：Q可开采资源为地下水可开采资源量，104m3·a-1；Q补为多年平均总补给量，104m3·a-1；α为开采系数。

黑风河流域、闪电河流域下游地区潜水含水层厚度较大，地下水水位埋藏较浅，储存量调解能力大，因此开采系数取值0.65。滦河流域、小河子河流域生态环境较脆弱，第四系含水层较薄，储存量调解能力较差，故开采系数取值0.60。经计算，富水地段可开采量为2 072.53×104m3·a-1，其中闪电河、黑风河、小河子河和滦河富水地段可开采资源量分别为690.99×104，441.73×104，562.47×104和377.34×104m3·a-1。

2.1.5 富水地段地下水现状开采量计算 富水地段地下水现状开采量采用2013—2014年内蒙古自治区第七地质矿产勘查开发院实测数据。

2.2 地下水资源量特点及原因

根据计算区已经建立的水均衡方程，地下水资源量计算结果见表7。当ΔQ>0时为正均衡，表现为地下水位上升；当ΔQ<0时为负均衡，表现为地下水位下降；当ΔQ=0时，表示补给量等于排泄量[15]。

表7 地下水均衡计算表 单位：104 m3

由计算结果可知，在5个计算分区中，Ⅱ，Ⅳ和Ⅴ三个区域在均衡期内属于负均衡，其中Ⅳ和Ⅴ区两个区域均衡差较小，其值分别为-6.11×104m3和-28.56×104m3，表明这两个区域地下水位已呈现逐渐下降趋势；Ⅱ区负均衡差为-505.88×104m3，表明该区域地下水位已明显下降。蒸发排泄和河流排泄是这3个分区呈现负均衡的主导因素，人工开采分别占各计算区排泄量的5.72%(Ⅱ),7.96%(Ⅳ)和13.05%(Ⅴ)，表明其对地下水的影响较小。而Ⅰ和Ⅲ区属于正均衡，其值分别为338.6×104m3和186.23×104m3，表明这两个区域的地下水位呈上升趋势。

整体分析可知，研究区在均衡期内总补给量为13 768.72×104m3，总补给量中大气降水入渗量占87.98%，其他3项分别占9.40%(Q径补)，1.04%(Q洪补)和1.58%(Q回渗)；总排泄量为13 784.44×104m3，其中潜水蒸发量和河流排泄量两项占主导地位(占总排泄量的87.11%)，潜水人工开采量仅占总排泄量的12.75%；补排差为-15.72×104m3，即计算区地下水资源呈现负均衡。但均衡差较小，说明多年来地下水处于天然状态，水位变化不大。

综上，不同区域内地下水主要补给方式为大气降水补给，蒸发排泄和河流排泄为主要排泄方式，地下水现状开采量不足总排泄量的15%。如今，随着水资源需求量不断增加，在保证补给量维持不变情况下，如何将部分排泄量转化为可利用的水资源对于多伦县至关重要。在研究区中，随着地下潜水的开采，地下水水位埋深会加大，使其对河流的补给量减小，全区蒸发作用也会被削弱，即可实现将部分河流排泄量和蒸发量转化成开采量。

2.3 地下水开采潜力特点及原因

根据开采潜力计算方法和判别标准，富水地段开采潜力指数计算结果见表8。从表8可知，全区富水地段地下水可开采资源量为2 072.53×104m3，现状开采量为312.93×104m3。闪电河和小河子河富水地段的潜水开采潜力指数均较小，分别为4.09和4.47；而黑风河和滦河富水地段的潜水开采潜力指数均较大，分别为39.09和53.37，现状开采量是影响开采潜力指数的主导因素。富水地段潜水开采潜力指数均大于1.2，表明各富水地段地下水均有开采潜力，可以扩大开采。

表8 各富水段潜水开采潜力指数表

开采潜力保证可通过以下两方面论证：

从补给量分析，计算区中地下水主要补给方式为大气降水入渗补给，由统计数据计算得到1953—2014年间降水保证率为66.67%，表明大气降水保证程度较高，故补给量能够得到充分保证。另一方面，区内地下水储存量可起到调节作用，在干旱季时，可以借用储存量以满足开采需求；到丰水季时，可以将借用的储存量补给回来。

从排泄量分析，计算区中地下水主要排泄方式为蒸发排泄和河流排泄，地下水现状开采量仅占总排泄量的12.75%，随着地下潜水的开采，地下水的水位埋深会加大，对河流的补给量会变少，相应的蒸发作用会被削弱，一部分河流排泄量和蒸发量将转化成开采量，故开采潜力将会得到保证。

3 结论与讨论

(1)通过水均衡法计算可知，在均衡期内总补给量为13 768.72×104m3，总排泄量为13 784.44×104m3，补排差为-15.72 ×104m3，说明研究区地下水资源处于负均衡状态，但均衡差较小。其中，黑风河、吐里根河以及滦河流域计算区均呈负均衡状态，蒸发和河流排泄是计算区呈现负均衡的主导因素，人工开采量对地下水的影响较小。而闪电河流域下游计算区和小河子河流域计算区呈正均衡状态，表明这两个区域的地下水位呈上升趋势。政府对负均衡地区要合理调整产业结构，加强居民节水意识，加大水利工程投资力度，以缓解流域面临的水资源危机；正均衡地区在保证地下水供需平衡的基础上，可适当加大地下水开采，促进当地产业发展。

(2)由可开采潜力分析可知，闪电河和小河子河富水地段的潜水开采潜力指数较小，分别为4.09和4.47；黑风河和滦河富水地段的潜水开采潜力指数较大，分别为39.09和53.37。开采潜力指数的差异归因于地下水现状开采量。全县三大产业主要分布于闪电河和小河子河流域，使得两个流域内地下水现状开采量较大，导致流域内的富水地段开采潜力指数较小。建议含水层厚度较大流域分段开采，上段水(厚度0～60 m)作为农田灌溉、畜牧业和分散人口的生活用水，下段水(厚度60～150 m)用于工业用水及城镇居民生活用水，以水源地集中开采的方式进行开采；含水层厚度较小流域采用分散式间歇性开采。在开采时要严格管控地下水资源开采量，确保该区域地下水资源的可持续发展。

(3)本文基于多伦县1953—2014年多期水资源资料和实测数据，以地下水系统进行分区研究，将全区多年来水资源情况与可开采潜力进行定量分析，研究结果符合自然规律，可为研究区实现水资源合理规划和分配提供理论依据。