山前倾斜平原区地下水资源计算

一、地下水均衡计算

（一）地下水均衡计算条件

1.计算范围

全淡水区，即山区和平原界线以南，咸淡水界线以北，面积2062.47km²。

鉴于各类含水层中的地下水，有着较密切的水力联系，在任何一种含水层取水，都是开采本区地下水总资源的一部分。因此，水均衡计算时将各含水层视为整体。

2.计算方法

均衡法。

3.均衡计算年份

从1991～2000年降雨量资源来看，1997年为枯水年，为了使地下水多年均衡计算的各项参数有可靠的保证，选择1997年典型年为均衡期，进行水均衡计算。

4.计算单元的划分

在水文地质亚区划分的基础上，根据含水层综合岩性划分成10个均衡计算单元（图7-1）。

图7-1 地下水计算单元图

（二）地下水均衡计算公式

根据水量均衡原理，地下水补给量与排泄量之差应等于地下水储存变化量。区域水均衡补给要素中，大气降水为主要补给项，其次为山区侧向径流流入量、地表水体入渗补给量、农田灌溉渗漏补给量等。排泄要素中，人工开采为主要排泄项，其次为侧向径流流出量及潜水蒸发量。由于地下水的长期开采，地下水位在绝大部分地区已经超过潜水蒸发极限深度，因此潜水蒸发量很小。地下水均衡计算公式如下：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：Q_储变——地下水储存量的变化量（亿m³·a^-1）；

Q_降渗——大气降水入渗补给量（亿m³·a^-1）；

Q_井灌渗——井灌回渗补给量（亿m³·a^-1）；

Q_表灌渗——地表水灌溉渗漏补给量（亿m³·a^-1）；

Q_渠渗——渠道渗漏补给量（亿m³·a^-1）；

Q_侧入——侧向径流流入量（亿m³·a^-1）；

Q_库渗——水库渗漏补给量（亿m³·a^-1）；

Q_河渗——河流渗漏补给量（亿m³·a^-1）；

Q_矿渗——矿坑排水渗漏补给量（亿m³·a^-1）；

Q_开采——地下水开采量（亿m³·a^-1）；

Q_侧出——侧向径流流出量（亿m³·a^-1）；

Q_蒸发——潜水蒸发量（亿m³·a^-1）。

（三）地下水均衡项计算

1.地下水储变量计算

（1）计算公式：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：Q_储变——地下水储存量的变化量（亿m³·a^-1）；

μ———地下水位变动带岩层给水度；

Δh——单元地下水位年变差（m）；

F——单元面积（km²）。

（2）各项确定：

1）给水度（μ）确定：经过多年地质勘察、供水勘察、水资源中长期规划等工作，唐山地区第四系地质参数已建立了系列值，参考前人成果资料，本次水位变动带不同岩性给水度采用值见表7-3、图7-2。在此基础上给出各计算单元的给水度。

表7-3 不同岩性给水度

2）地下水位年变差（Δh）的确定。1997年为均衡计算年份，根据地下水动态观测资料，计算出1997年末水位与1996年末水位差值即为Δh值，进一步给出各计算单元的水位年变差。

3）计算单元面积（F）。利用MAPGIS计算单元面积。

（3）计算结果：1997年还乡河陡河流域水文地质亚区储变量为-2.5108亿m³，沙河流域水文地质亚区储变量为-1.3970亿m³，总储变量为-3.9077亿m³。储变量计算结果见表7-4。

图7-2 水位变动带岩性分区图

表7-4 地下水储变量计算表

2.地下水补给量的计算

（1）大气降水入渗补给量计算：

1）计算公式：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：Q_降渗——大气降水入渗补给量（亿m³·a^-1）；

P——单元降水量（mm）；

α——单元降水入渗补给系数；

F——单元面积（km²）。

2）各项确定：

A.降雨入渗补给系数（α）的确定。由于降雨入渗补给受降雨量、岩性和地下水位等因素的影响，降雨入渗补给系数是一个变量，同岩性、同降雨量情况下，随地下水位埋深的增大，降雨入渗补给系数会达到一个最大值，之后将趋于减小或变为常量。

由于本区地下水埋深较20世纪80年代下降很多，其中山前倾斜平原上部下降2～10m，唐山市下降尤为剧烈，倾斜平原下部下降0.5～1m，局部持平。所以，降水入渗补给系数总体下降，因此，根据包气带岩性及结构、水位埋深、地形地貌等因素，参考前人成果资料，对降雨入渗补给系数进行调整，对于计算单元内有市内建筑的，按面积比例平均估算（图7-3）。本次降雨入渗补给系数采用值见表7-5。综合不同降水入渗补给系数给出各计算分区的降雨入渗补给系数。

图7-3 包气带岩性分区图

表7-5 降水入渗补给系数表

B.单元降雨量（P）的确定。根据各县降雨量等值线求取各单元降雨量平均值。

C.计算单元面积（F）。利用MAPGIS计算单元面积。

3）计算结果（表7-6）：1997年还乡河陡河流域水文地质亚区降水入渗补给量为0.8781亿m³/a，沙河流域水文地质亚区降水入渗补给量为0.7437亿m³/a，全淡水区降水入渗补给量为1.6218亿m³/a。

表7-6 降雨入渗补给量计算表

（2）井灌回渗补给量（Q_井灌渗）：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：Q_农灌——农业开采量/（亿m³·a^-1）；

β———井灌回归系数。

本研究区基本为地下水灌溉，有回渗的开采主要为农田灌溉和林果灌溉开采，参照前人资料，井灌回渗系数还乡河陡河流域水文地质亚区采用0.16，沙河流域水文地质亚区采用0.17。计算得还乡河陡河流域水文地质亚区井灌回渗补给量为0.4297亿m³/a，沙河流域水文地质亚区井灌回渗补给量为0.3912亿m³/a，全区地下水灌溉回渗补给量为0.8209亿m³/a。计算结果见表7-7。

表7-7 井灌回渗补给量计算成果表

（3）地表水灌溉渗漏补给量（Q_表灌渗）：利用渠系引地表水灌溉，引入田间的地表水量为渠首引水量减去渠系损耗量。利用田间灌溉入渗系数，还乡河陡河流域水文地质亚区为0.16，沙河流域水文地质亚区地下水为0.17（表7-8）。

表7-8 地表水灌溉渗漏补给量计算成果表

（4）地下水侧向径流流入量（Q_侧入）：沿各计算分区的边界切割断面，依据含水层厚度及岩性不同分段计算。

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：K——含水层渗透系数（m·d^-1）；

I——水力坡度（‰）；

H——含水层厚度（m）；

B——断面宽度（m）；

t——计算时段（d）。

水力坡度I由1997年地下水等水位线图计算得出。含水层厚度H为计算深度内饱水带含水层平均厚度。断面宽度从1∶10万地理底图量得。含水层平均厚度、平均渗透系数根据钻孔和机井资料得出，平均渗透系数为各含水层厚度与渗透系数的加权平均值。计算结果见表7-9。

表7-9 地下水侧向径流流入量计算成果表

（5）渠系渗漏补给量（Q_渠渗）：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：Q_渠引——渠首引水量（亿m³·a^-1）；

N——渠系利用系数（参考前人资料）；

γ——渠系渗漏系数。

主要计算主干渠的渗漏量。

计算结果还乡河陡河流域水文地质亚区为0.0563亿m³/a，沙河流域水文地质亚区为0.3708亿m³/a，合计为0.4271亿m³/a（表7-10）。

表7-10 渠系渗漏补给量计算表

（6）水库渗漏补给量（Q_库渗）：本区水库主要为陡河水库，依据其渗漏补给量专项研究得陡河水库渗漏补给量为0.2108亿 m³/a，其中补给单元的量为 0.1581亿 m³/a，补给单元的量为0.0527亿 m³/a。

（7）河流渗漏补给量（Q_河渗）：河流渗漏补给系数均采用0.2。1997年还乡河径流量为3.8620亿m³/a，沙河径流量为0.2399亿m³/a，陡河径流量为2.9300亿m³/a。根据各河流在各计算单元的流域长度分配河流渗漏补给量。河流补给还乡河陡河流域水文地质亚区水量为1.3468亿m³/a，补给沙河流域水文地质亚区的量为0.1636亿m³/a，河流对全淡水区的渗漏补给量为1.5104亿m³/a（表7-11）。

表7-11 河流渗漏补给量表

（8）矿坑排水渗漏补给量（Q_矿渗）：矿坑排水地段渗透系数仍采用农田回渗系数，根据各矿1997年的排水量计算得矿坑渗漏补给量为0.2333亿m³/a（表7-12）。

表7-12 矿坑排水渗漏补给量

3.地下水排泄量的计算

（1）潜水蒸发量（Q_蒸发）：潜水蒸发与包气带岩性和地下水位埋深有关，1997年地下水位下降剧烈，仅丰润县南部和丰南市西部以及钱营一带地下水位埋深较浅，约为2～3m。潜水蒸发的极限深度定为3.5～4m。将地下水位埋深小于潜水蒸发极限的地段作蒸发强度等值线分区，分区蒸发强度与分区面积乘积即为该区潜水蒸发量（蒸发区分布范围见图7-3）。

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：E——潜水蒸发强度（mm）；

F——计算面积（km²）；

E₀——水面蒸发量（mm）；

H——平均水位埋深（m）；

M——与表层岩性及植被有关的参数，取M为1。

计算获得潜水蒸发量为0.2024亿m³/a（表7-13）。

表7-13 潜水蒸发量计算表

（2）地下水侧向径流流出量（Q_侧出）：计算公式与地下水侧向径流流入量计算公式相同。

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

式中：K——含水层渗透系数（m·d^-1）；

I——水力坡度（‰）；

H——含水层厚度（m）；

B——断面宽度（m）；

t——计算时段（d）。

水力坡度I由1997年地下水等水位线图计算得出。含水层厚度H为计算深度内饱水带含水层平均厚度。计算得地下水侧向流出量为1.8654亿m³/a（表7-14）。

表7-14 地下水侧向径流流出量计算成果表

（3）地下水开采量：地下水开采量包括农业开采量（Q_农灌）、城镇工业和生活开采量（Q_工业）、农村人畜开采量（Q_生活）和矿坑排水量。总开采量为9.3895亿m³/a（表7-15）。

表7-15 地下水开采量统计表

4.均衡计算结果分析

全淡水区补给量与排泄量之差还乡河陡河流域水文地质亚区为-2.6045亿m³/a，沙河流域水文地质亚区为-1.5103亿m³/a，均为负均衡，与地下水储变量的绝对误差分别为0.0937亿m³/a和0.1134亿m³/a，相对误差分别为4%和8%，说明均衡计算的各项较符合实际情况，所采用参数可以作为计算天然补给资源和可开采资源的基础（表7-16）。

表7-16 1997年全淡水区均衡计算成果表（单位：亿m3/a）

二、多年平均地下水天然资源量及可采资源量计算

多年平均（1991～2000年）天然资源量计算仍按均衡计算的分区计算（两个亚区、10个计算单元）。补给项包括：大气降水入渗补给量、井灌回渗补给量、地表水灌溉渗漏补给量、渠道渗漏补给量、地下水侧向径流流入量、水库渗漏补给量、河流渗漏补给量、矿坑排水渗漏补给量。天然补给资源量为总补给量减去井灌回渗补给量。计算公式为：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

多年平均（1991～2000年）可采资源量是利用总补给资源量减去不可夺取的地下水排泄量计算获得，不可夺取的排泄量包括地下水侧向流出量和蒸发量。其中蒸发量以3.5～4m为蒸发极限来计算。计算公式为：

华北平原地下水潜力调查及评价方法研究

各项量的计算方法同前。计算得全淡水区多年平均地下水天然补给资源量为6.9292亿m³/a，可采资源量为5.5286亿m³/a（表7-17、表7-18）。

表7-17 多年平均全淡水区计算单元分项量表（单位：亿m³/a）

表7-18 多年平均全淡水区地下水资源量模数表