承德區(qū)武烈河地表水與地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

承德區(qū)武烈河地表水與地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

武烈河穿過承德縣，承擔(dān)著城市供水、生態(tài)防洪、旅游等職能。承德市現(xiàn)狀供水基本都是地下水,在承德市區(qū)上游12km處的武烈河干流上正在籌建雙峰寺水庫,水庫建成后,將改變承德市區(qū)段的河道徑流情勢,如何將有限的水資源發(fā)揮最大的邊際效益,是水資源優(yōu)化調(diào)度的核心,本文對承德市區(qū)段武烈河地表水與地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行研究,以便為雙峰寺水庫建成后的供水調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。1一般介紹和研究范圍1.1河谷開放系布置承德市區(qū)位于一斷陷盆地河谷地帶,屬低山丘陵地形,山勢低緩,河谷開闊,地面標(biāo)高330~550m。根據(jù)含水介質(zhì)的不同和水文地質(zhì)條件的差異,將工作區(qū)劃分為:河谷孔隙水區(qū)(Ⅰ區(qū))、支谷孔隙水區(qū)(Ⅱ區(qū))、基巖裂隙水區(qū)(Ⅲ區(qū))、貧水區(qū)(Ⅳ區(qū))。1.2南—研究范圍考慮水文地質(zhì)單元的完整性,確定分析研究范圍為:北起上二道河子—桑蠶研究所,南到下二道河子村南;西起市第五中學(xué),東至河?xùn)|村—市木材公司一帶,面積38km2。其中河谷地帶河漫灘、一級(jí)階地面積約11.5km2,為河谷孔隙水區(qū),是重點(diǎn)研究區(qū)。2下伏亞砂地層承德市區(qū)段武烈河兩岸10.2km的范圍內(nèi),一級(jí)階地和河漫灘呈串珠狀分布,最寬處1600m,最窄處400m,構(gòu)成了最富水的河谷孔隙水區(qū)。區(qū)內(nèi)地表0.5~2.0m厚的亞砂土、亞粘土互層;下伏6.5~10.5m的砂礫卵石或卵礫砂層。砂礫卵石或卵礫砂層構(gòu)成了本區(qū)最主要的含水層。城市自來水公司及工農(nóng)業(yè)用水井絕大部分取自于該層。2.1地下水的補(bǔ)給、徑流補(bǔ)給、灌溉回歸(1)河谷區(qū)含水層接受的補(bǔ)給有:降雨入滲、河流入滲、上游斷面地下水的徑流補(bǔ)給以及支谷地下水側(cè)向補(bǔ)給、灌溉回歸。(2)含水層的排泄有:人工開采、下游斷面地下水的排泄、地下水蒸發(fā)。(3)地下水徑流方向基本與武烈河流向一致。2.2地下水的動(dòng)態(tài)特性2.2.1月份要素特征天然狀態(tài)下河谷地下水年內(nèi)動(dòng)態(tài)受不同季節(jié)補(bǔ)給和開采量的影響,呈雙峰雙谷型。1~2月份為冰凍期,河流流量小,地下水位較低。3~4月份冰雪融化,為春汛期,河水位上漲,地下水接受河水補(bǔ)給后水位隨之上漲,出現(xiàn)年內(nèi)第1個(gè)峰值。爾后地下水位緩慢下降,至5~6月份出現(xiàn)年內(nèi)第1個(gè)谷值。隨著雨季的到來,河水水位上漲,地下水位迅速回升,8~9月份出現(xiàn)年內(nèi)第2個(gè)峰值。之后,地下水位逐漸回落,到翌年1~2月份水位又降到低值。2.2.2豐水期的補(bǔ)充由于豐水期地表水資源充沛,地下水枯水期的虧空隨著豐水期的到來而得到補(bǔ)充。多年觀測資料表明:盡管每年年內(nèi)地下水位呈現(xiàn)相應(yīng)幅度的周期波動(dòng),但多年的總趨勢是水平的,地下水資源多年來處于均衡狀態(tài)。2.3滲透系數(shù)及影響半徑的確定(1)根據(jù)抽水試驗(yàn),喇嘛寺一帶的平均滲透系數(shù)261m/d。北部上二道河子一帶卵石粒徑比喇嘛寺一帶大,滲透系數(shù)采用300m/d。南部下二道河子一帶卵石粒徑較小,且含量不足10%,滲透系數(shù)取200m/d。(2)根據(jù)河谷地形條件,北部上二道河子一帶取影響半徑200m,南部下二道河子一帶取影響半徑160m。含水層的給水度取經(jīng)驗(yàn)值0.20。3水和土壤的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律3.1在現(xiàn)有的開采條件下，河流轉(zhuǎn)化為地下水的補(bǔ)給量分析3.1.1單井涌水量計(jì)算河水與井的距離b與含水層影響半徑R之間的關(guān)系有3種情況。(1)b>R時(shí)河水對井水的補(bǔ)給量對于河水的距離大于R的水井,其涌水量可以認(rèn)為完全由地下水補(bǔ)給。天然狀態(tài)下,在無限、均值、各向同性的潛水含水層中,對于潛水面很平緩的完整井,其涌水量表達(dá)式:式中Q遠(yuǎn)為遠(yuǎn)離河流抽水井的涌水量;K為滲透系數(shù);H0為潛水含水層厚度;SW為井內(nèi)水位下降值;rw為井半徑;R為含水層影響半徑。(2)0<b<R/2時(shí)河水對井水的補(bǔ)給量當(dāng)水井距河水足夠近時(shí),水井距河水的距離b小于含水層影響半徑的1/2時(shí),其單井涌水量的表達(dá)式:式中Q傍為傍河水井的涌水量;b為傍河水井與河水的距離;其余符號(hào)意義同式(1)。(3)R/2≤b<R時(shí)河水對井水的補(bǔ)給量當(dāng)b=R/2時(shí),抽水井的涌水量與天然狀態(tài)下水井的涌水量相等,但是其補(bǔ)給來源有差別,因此時(shí)含水層對抽水井的影響范圍平面上已被河水切割,切割對應(yīng)的圓心角以α表示,則角α對應(yīng)的補(bǔ)給量為河流通過含水層對井水的間接補(bǔ)給量,稱之為Qα,其表達(dá)式:式中Qα為河流通過含水層對井水的間接補(bǔ)給量;Q遠(yuǎn)為遠(yuǎn)離河流水井的涌水量;α為被河流切割對應(yīng)的圓心角。其中式(3)適宜于河水與井的距離b而小于影響半徑R的所有情況。綜上計(jì)算結(jié)果表明,現(xiàn)狀開采條件下河水對傍河水源井的補(bǔ)給量。2008年武烈河一帶水源井總計(jì)開采量2386.26萬m3。依據(jù)傍河水井的參數(shù)、開采量,推算河水對井水的補(bǔ)給量1281.33萬m3。3.1.2地下水的補(bǔ)給依據(jù)河水、地下水的補(bǔ)排關(guān)系,河谷區(qū)地下水流場分兩部分。獅子溝以南地下水流向與河流基本平行,地下水與河水的轉(zhuǎn)換量不大,基本上可視為補(bǔ)排平衡。獅子溝以北,在豐水期等水位線圖中顯示335~344m之間河水補(bǔ)給地下水。利用達(dá)西公式沿河分段計(jì)算,河水每天補(bǔ)給地下水量1.97萬m3?？紤]每年3個(gè)月的枯水期,河水基本上不會(huì)補(bǔ)給地下水,年補(bǔ)給量以9個(gè)月計(jì)算,河流對地下水的年補(bǔ)給量539.25萬m3。綜合分析,河水每年除補(bǔ)給傍河水井1281.33萬m3外,還有539.25萬m3滲入地下。也就是說,2008年開采的2386.26萬m3地下水中,河水補(bǔ)給了1820.58萬m3(折合每天4.99萬m3),約占開采量的76%。3.2河道滲流對抗雙峰寺水庫壩址距上二道河子8.4km,現(xiàn)狀開采條件下,水庫放水量除包括河水對地下水補(bǔ)給量1820.58萬m3外,還應(yīng)考慮:(1)雙峰寺混凝土重力壩攔截了河床向下游的潛流,每年壩址攔截的斷面潛流量130.1萬m3。一旦水庫放水,河水自然會(huì)滲入地下,彌補(bǔ)地下滲流的虧空;(2)壩址距上二道河子8.4km河道的河水滲漏損失182.5萬m3;(3)河水水面的蒸發(fā)量為94.4萬m3,總計(jì)水庫放水量不小于2227.00萬m3。4水庫建成前后的地下水可開采建庫前地下水的可開采量受天然徑流的影響,而建庫后受水庫放水的控制。本文分別對水庫建成前后95%保證率的地下水可開采量進(jìn)行分析。4.1地下水的開采量現(xiàn)狀水平年武烈河95%保證率年徑流量1900萬m3。傍河水源地與徑流之間的一般規(guī)律是:河水徑流越小,其利用比例越大。依據(jù)河谷地帶水文地質(zhì)條件,一般情況下,可采資源量可達(dá)徑流量的65%,年可開采量1235萬m3。武烈河河谷修建了12道橡膠壩,水面面積180萬m2,庫容量280萬m3。若枯水期上游斷流,按壩內(nèi)蓄水60%計(jì)算,可利用水量168萬m3,扣除滲漏、水面蒸發(fā)損失后,橡膠壩蓄水對地下水的補(bǔ)給量149萬m3。水庫建成前地下水可開采量為1384萬m3,折合日開采量3.79萬m3。4.2水庫調(diào)節(jié)水量雙峰寺水庫建成后,不僅對入庫水量進(jìn)行年內(nèi)調(diào)節(jié),而且具有對豐、枯水年進(jìn)行跨年度的調(diào)節(jié)能力,在供水保證率95%情況下,水庫可調(diào)節(jié)水量2760萬m3。根據(jù)前述地表水與地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律分析,當(dāng)水庫放水2227.60萬m3時(shí),地下水開采量達(dá)2386.73萬m3。地下水開采量是放水量的1.071倍。水庫建成后,地下水可開采量按此規(guī)律計(jì)算為2956萬m3,折合日開采量8.1萬m3。5水庫建成前后地下水開采量結(jié)果(1)2008年承德市在武烈河河谷一帶共開采地下水2386.26萬m3,其中河水補(bǔ)給量1820.58萬m3,占總開采量的76%。(2)雙峰寺水庫建成后,在保持現(xiàn)狀開采量2386.26萬m3情況下,雙峰寺水庫年放水量不得小于2227.00萬m3。(3)95%保證率情況下,水庫建成前地下水可開采量1384萬m3(折合日開采量3.79萬m3),水庫建成后地下水可開采量2956萬m3(折合日開采量8.1萬m3),水庫建設(shè)可增加地下水可開采量1572萬m3(折合日開采量