承德区武烈河地表水与地下水转化规律研究

承德区武烈河地表水与地下水转化规律研究

武烈河穿过承德县，承担着城市供水、生态防洪、旅游等职能。承德市现状供水基本都是地下水,在承德市区上游12km处的武烈河干流上正在筹建双峰寺水库,水库建成后,将改变承德市区段的河道径流情势,如何将有限的水资源发挥最大的边际效益,是水资源优化调度的核心,本文对承德市区段武烈河地表水与地下水转化规律进行研究,以便为双峰寺水库建成后的供水调度提供科学依据。1一般介绍和研究范围1.1河谷开放系布置承德市区位于一断陷盆地河谷地带,属低山丘陵地形,山势低缓,河谷开阔,地面标高330~550m。根据含水介质的不同和水文地质条件的差异,将工作区划分为:河谷孔隙水区(Ⅰ区)、支谷孔隙水区(Ⅱ区)、基岩裂隙水区(Ⅲ区)、贫水区(Ⅳ区)。1.2南—研究范围考虑水文地质单元的完整性,确定分析研究范围为:北起上二道河子—桑蚕研究所,南到下二道河子村南;西起市第五中学,东至河东村—市木材公司一带,面积38km2。其中河谷地带河漫滩、一级阶地面积约11.5km2,为河谷孔隙水区,是重点研究区。2下伏亚砂地层承德市区段武烈河两岸10.2km的范围内,一级阶地和河漫滩呈串珠状分布,最宽处1600m,最窄处400m,构成了最富水的河谷孔隙水区。区内地表0.5~2.0m厚的亚砂土、亚粘土互层;下伏6.5~10.5m的砂砾卵石或卵砾砂层。砂砾卵石或卵砾砂层构成了本区最主要的含水层。城市自来水公司及工农业用水井绝大部分取自于该层。2.1地下水的补给、径流补给、灌溉回归(1)河谷区含水层接受的补给有:降雨入渗、河流入渗、上游断面地下水的径流补给以及支谷地下水侧向补给、灌溉回归。(2)含水层的排泄有:人工开采、下游断面地下水的排泄、地下水蒸发。(3)地下水径流方向基本与武烈河流向一致。2.2地下水的动态特性2.2.1月份要素特征天然状态下河谷地下水年内动态受不同季节补给和开采量的影响,呈双峰双谷型。1~2月份为冰冻期,河流流量小,地下水位较低。3~4月份冰雪融化,为春汛期,河水位上涨,地下水接受河水补给后水位随之上涨,出现年内第1个峰值。尔后地下水位缓慢下降,至5~6月份出现年内第1个谷值。随着雨季的到来,河水水位上涨,地下水位迅速回升,8~9月份出现年内第2个峰值。之后,地下水位逐渐回落,到翌年1~2月份水位又降到低值。2.2.2丰水期的补充由于丰水期地表水资源充沛,地下水枯水期的亏空随着丰水期的到来而得到补充。多年观测资料表明:尽管每年年内地下水位呈现相应幅度的周期波动,但多年的总趋势是水平的,地下水资源多年来处于均衡状态。2.3渗透系数及影响半径的确定(1)根据抽水试验,喇嘛寺一带的平均渗透系数261m/d。北部上二道河子一带卵石粒径比喇嘛寺一带大,渗透系数采用300m/d。南部下二道河子一带卵石粒径较小,且含量不足10%,渗透系数取200m/d。(2)根据河谷地形条件,北部上二道河子一带取影响半径200m,南部下二道河子一带取影响半径160m。含水层的给水度取经验值0.20。3水和土壤的相互转换规律3.1在现有的开采条件下，河流转化为地下水的补给量分析3.1.1单井涌水量计算河水与井的距离b与含水层影响半径R之间的关系有3种情况。(1)b>R时河水对井水的补给量对于河水的距离大于R的水井,其涌水量可以认为完全由地下水补给。天然状态下,在无限、均值、各向同性的潜水含水层中,对于潜水面很平缓的完整井,其涌水量表达式:式中Q远为远离河流抽水井的涌水量;K为渗透系数;H0为潜水含水层厚度;SW为井内水位下降值;rw为井半径;R为含水层影响半径。(2)0<b<R/2时河水对井水的补给量当水井距河水足够近时,水井距河水的距离b小于含水层影响半径的1/2时,其单井涌水量的表达式:式中Q傍为傍河水井的涌水量;b为傍河水井与河水的距离;其余符号意义同式(1)。(3)R/2≤b<R时河水对井水的补给量当b=R/2时,抽水井的涌水量与天然状态下水井的涌水量相等,但是其补给来源有差别,因此时含水层对抽水井的影响范围平面上已被河水切割,切割对应的圆心角以α表示,则角α对应的补给量为河流通过含水层对井水的间接补给量,称之为Qα,其表达式:式中Qα为河流通过含水层对井水的间接补给量;Q远为远离河流水井的涌水量;α为被河流切割对应的圆心角。其中式(3)适宜于河水与井的距离b而小于影响半径R的所有情况。综上计算结果表明,现状开采条件下河水对傍河水源井的补给量。2008年武烈河一带水源井总计开采量2386.26万m3。依据傍河水井的参数、开采量,推算河水对井水的补给量1281.33万m3。3.1.2地下水的补给依据河水、地下水的补排关系,河谷区地下水流场分两部分。狮子沟以南地下水流向与河流基本平行,地下水与河水的转换量不大,基本上可视为补排平衡。狮子沟以北,在丰水期等水位线图中显示335~344m之间河水补给地下水。利用达西公式沿河分段计算,河水每天补给地下水量1.97万m3。考虑每年3个月的枯水期,河水基本上不会补给地下水,年补给量以9个月计算,河流对地下水的年补给量539.25万m3。综合分析,河水每年除补给傍河水井1281.33万m3外,还有539.25万m3渗入地下。也就是说,2008年开采的2386.26万m3地下水中,河水补给了1820.58万m3(折合每天4.99万m3),约占开采量的76%。3.2河道渗流对抗双峰寺水库坝址距上二道河子8.4km,现状开采条件下,水库放水量除包括河水对地下水补给量1820.58万m3外,还应考虑:(1)双峰寺混凝土重力坝拦截了河床向下游的潜流,每年坝址拦截的断面潜流量130.1万m3。一旦水库放水,河水自然会渗入地下,弥补地下渗流的亏空;(2)坝址距上二道河子8.4km河道的河水渗漏损失182.5万m3;(3)河水水面的蒸发量为94.4万m3,总计水库放水量不小于2227.00万m3。4水库建成前后的地下水可开采建库前地下水的可开采量受天然径流的影响,而建库后受水库放水的控制。本文分别对水库建成前后95%保证率的地下水可开采量进行分析。4.1地下水的开采量现状水平年武烈河95%保证率年径流量1900万m3。傍河水源地与径流之间的一般规律是:河水径流越小,其利用比例越大。依据河谷地带水文地质条件,一般情况下,可采资源量可达径流量的65%,年可开采量1235万m3。武烈河河谷修建了12道橡胶坝,水面面积180万m2,库容量280万m3。若枯水期上游断流,按坝内蓄水60%计算,可利用水量168万m3,扣除渗漏、水面蒸发损失后,橡胶坝蓄水对地下水的补给量149万m3。水库建成前地下水可开采量为1384万m3,折合日开采量3.79万m3。4.2水库调节水量双峰寺水库建成后,不仅对入库水量进行年内调节,而且具有对丰、枯水年进行跨年度的调节能力,在供水保证率95%情况下,水库可调节水量2760万m3。根据前述地表水与地下水转化规律分析,当水库放水2227.60万m3时,地下水开采量达2386.73万m3。地下水开采量是放水量的1.071倍。水库建成后,地下水可开采量按此规律计算为2956万m3,折合日开采量8.1万m3。5水库建成前后地下水开采量结果(1)2008年承德市在武烈河河谷一带共开采地下水2386.26万m3,其中河水补给量1820.58万m3,占总开采量的76%。(2)双峰寺水库建成后,在保持现状开采量2386.26万m3情况下,双峰寺水库年放水量不得小于2227.00万m3。(3)95%保证率情况下,水库建成前地下水可开采量1384万m3(折合日开采量3.79万m3),水库建成后地下水可开采量2956万m3(折合日开采量8.1万m3),水库建设可增加地下水可开采量1572万m3(折合日开采量